煤與瓦斯突出一維模擬實驗

盧 祁

（安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出一維模擬實驗

盧 祁

（安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

為了研究煤與瓦斯突出的動力現(xiàn)象和突出發(fā)生的影響因素，研制了試驗裝置并進行了試驗，并用滲透失穩(wěn)的觀點對實驗現(xiàn)象和結果進行解釋。

滲透；氣壓差；煤與瓦斯突出

0 引言

煤與瓦斯突出機理非常復雜，謝焰等［1］通過對地面煤田鉆井抑突效應的分析認為，地面煤田鉆井不易發(fā)生突出，而井下揭煤鉆孔容易發(fā)生突出的原因就是地面鉆井井液液柱壓力的抑制作用，由此肯定了氣壓差或氣壓差產(chǎn)生的滲透壓力能引起煤層失穩(wěn)的觀點。為了進一步研究突出的動力現(xiàn)象和控突因素，研制了實驗裝置，并進行了實驗。

1 實驗裝置

由于現(xiàn)場試驗的困難，國內(nèi)外對煤與瓦斯突出實驗主要以室內(nèi)實驗為主［2］。研制的實驗裝置包括煤樣室、模擬巷道、煤樣壓實系統(tǒng)、揭煤開關、氣壓和流量量測系統(tǒng)。煤樣室和模擬巷道由無縫鋼管制成，內(nèi)徑為199mm，每節(jié)長度為0.5m，由法蘭連接，保證煤樣有足夠的長度。煤樣室和模擬巷道之間的連接管裝有球閥，作為揭煤開關，內(nèi)徑為40mm。煤樣室采用多節(jié)拼裝的形式，以方便氣壓梯度的觀測以及保證每節(jié)煤樣室的煤樣有相同的壓實度。煤樣通過千斤頂壓實，千斤頂?shù)募虞d能力為25MPa，可模擬1000m的厚的上覆巖層自重壓力，千斤頂?shù)纳扉L量為500mm，保證煤樣室的煤樣能夠得到較均勻的壓實。

采用高壓氣瓶供氣，本次試驗采用氮氣代替瓦斯。每節(jié)煤樣室都設有單獨的注氣管道，保證每節(jié)煤樣室注氣均勻。在每節(jié)煤樣室和模擬巷道外壁安裝機安裝氣壓傳感器，氣體排放量由數(shù)字式氣體流量計測量。實驗前，對整個裝置進行耐壓性實驗，確保整個裝置能滿足0.8 MPa氣壓的實驗要求。

考慮到如果在最外節(jié)煤樣的端部施加軸向壓力，會造成煤樣室不同部位受力不均的現(xiàn)象，影響實驗結果的分析，因此本次實驗在揭煤過程中沒有對試樣室煤樣施加軸向壓力。本次實驗注氣后氣壓穩(wěn)定時間為10mins。

2 噴出試驗

為了觀測突出發(fā)生過程和煤粉在地面堆積特征，進行了噴出試驗。拆除圖1左邊的模擬巷道，讓煤粉直接噴出到地面。試驗結果表明，突出是個持續(xù)的過程，持續(xù)時間約1s。實驗發(fā)現(xiàn)地面中間有一個略顯灰白色條帶的扇形分布區(qū)，該區(qū)的煤粉厚度小于周邊煤粉厚度。分析其原因是由于在突出后期，煤樣室內(nèi)氣體的能量降低，不足于將試樣室中的煤粒帶出煤樣室，這些不含煤粒的氣體沖到地面，帶動地面的煤粉向前方移動，使得這個區(qū)域的煤粉厚度變薄，露出灰白色的地面顏色。

噴出試驗表明：地面煤粉出現(xiàn)一扇形變薄帶，煤樣室中殘留的煤樣呈薄層狀分布。

3 實驗結果

為了比較煤樣壓實密度對突出的影響，進行了煤樣分別在15.0MPa和20.0MPa壓力壓實下突出對比試驗。煤樣選自淮南某突出煤層，煤樣破碎后用篩孔孔徑4.75mm的篩網(wǎng)過篩，煤樣室的內(nèi)徑為199mm，煤樣室共4節(jié)，總長度為2000mm。試驗參數(shù)及結果如表1所示。

表1 試驗參數(shù)和結果

試驗結果表明：72.20kg煤樣經(jīng)15MPa的壓力壓實，氣壓差為0.4MPa時發(fā)生突出，突出煤量分別為17.23kg；74.75kg當煤樣經(jīng)20MPa的壓力壓實，氣壓差為0.74MPa發(fā)生突出，突出煤量為17.24kg。其中，在15.0MPa壓力壓實下的煤樣進行了二次揭煤試驗，試驗結果重復性較好。

4 結論

用滲透失穩(wěn)的觀點對上述試驗現(xiàn)象進行了分析，認為煤與瓦斯突出與煤層氣壓梯度有關，失穩(wěn)分層厚度變化是受背景氣壓消散速率影響的結果。

［1］謝焰，陳萍.煤與瓦斯突出滲透失穩(wěn)機理分析［J］.煤炭科學技術，2011，39（03）∶63-66.

［2］Jacek Sobczyk.A comparison of the influence of adsorbed gas on gas stresses leading to coal and gas outburst［J］. Fuel，2014（115）∶288-294.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.028

盧祁（1991-），女，安徽鳳陽人，在讀研究生，主要研究方向為煤與瓦斯突出。