论文部分内容阅读
【摘 要】煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种极其复杂的动力失稳现象，其由突出煤体向巷道或采场空间突然喷出大量的具有冲击波性质的煤和瓦斯，可造成煤岩击中或掩埋井下人员、摧毁井下设施等事故，甚至摧毁整个工作面或矿井。
【关键字】煤矿安全；灾害；瓦斯
引言
由于对现场煤与瓦斯突出过程进行全方位实时跟踪研究的危险性太大，学者们大都依靠实验室模拟手段进行煤与瓦斯突出机制的研究与探索。并针对地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质在突出过程中的作用机制进行了卓有成效的研究工作，同时研制了相应的试验装置。
纵观同类试验装置，国内外煤与瓦斯突出模拟试验装置的种类和样式较多。其中，突出煤样的形状以圆柱体和长方体为主；模型加载方式主要采用材料试验机加载；模型在受力维数上一维、二维、三维均有；而突出口的打开方式均为手动机械式；充气介质以CO2，CH4为主；且突出煤样的尺寸和倾角均为小尺寸、水平倾角。故现有的煤与瓦斯突出试验装置，虽在一定程度上加深了煤与瓦斯突出研究的进展，但或多或少地存在一些缺点。如突出煤样均为小尺寸和水平倾角，而现实情况井下水平倾角的煤层相对较少，发生突出事故频繁的石门揭煤所遇到的也往往是倾斜煤层；手动打开突出口速度较慢，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间和强度；对模型施加的荷载也都是均匀的，不能模拟工作面前方由于采矿活动造成的局部应力集中，而应力集中往往又是造成突出的重要因素。所以，现有的突出试验装置存在一定的局限性，迫切需要研制出一种更加先进的大型煤与瓦斯突出试验装备，以更深层次地探索综合作用假说的作用机制。
1.研制思路及目的
1.1研制思路
因煤与瓦斯突出的灾害性极大，不可能在井下现场发生煤与瓦斯突出灾害时开展研究，只能依托实验室进行试验模拟。尽管国内外相关科研机构开展了大量的煤与瓦斯突出相似模拟试验研究工作，但确实还存在一些不足，归纳起来有以下几点：
（1）突出煤样尺寸相對较小。
（2）只能模拟水平煤层。
（3）突出煤样充气源均为单一充气孔“点充气”。
（4）利用材料试验机对突出煤样施加荷载，只能模拟均匀应力场。
（5）手动打开突出口的速度偏慢。
（6）无法了解突出瞬间的细小变化。
因井下现场所采煤层大部分都是缓倾斜或倾斜煤层；发生突出灾害时工作面前方往往产生局部应力集中现象，煤体内并不是均匀应力场；井下煤体既是瓦斯的储存场所又是瓦斯的流动场所，煤体中任一单元体的瓦斯都不是从一点流入，而是从整个截面渗入。
1.2研制目的
本模拟试验台主要用于进行煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用所研制的5套突出模具在模拟试验台上装配后，可使突出煤样呈现出5种不同倾角，分别考察5种倾角煤样在一定荷载、不同瓦斯压力以及一定瓦斯压力、不同荷载（分均布和阶梯形两种）条件下的突出情况。考察指标主要有突出强度、突出前与突出过程中煤样的温度变化、模具内的瓦斯压力分布情况、发生突出时的瓦斯压力与地应力临界值以及不同瓦斯压力下突出煤的粉碎性及分选性等。其最终目的在于进一步研究地应力、瓦斯压力与煤的物理力学性质之间的相互耦合作用及其对突出的综合作用机制，以期在综合作用假说的基础上更深层次地揭示煤与瓦斯突出机制，为形成煤与瓦斯突出力学演化机制及预测煤与瓦斯突出的基础理论提供量化支撑。
2.模拟试验台的结构方案设计
依据所制定的研制思路和目的，煤与瓦斯突出模拟试验台主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。
煤与瓦斯突出模具及瓦斯压力检测
本模拟试验台共开发煤与瓦斯突出模具5套，分别用来模拟倾角为0?，15?，30?，45?及反45?煤层的煤与瓦斯突出试验。其中，模拟煤层倾角为0?，l5?和30?时的模具均为六面体，倾角为45?与反45?时的模具为七面体，模具横截面尺寸均为400mm×400mm。所有模具均采用30mm厚的Q235钢板焊接而成，突出端设有圆形开口以便煤样在外力作用下从模具中突出。
每套模具均有两个活动面f侧封板、上压板。突出模具的密封依靠密封圈、突出口专用密封膜和硅胶配合完成，经试验验证，突出模具密封效果良好，达到了试验要求。
为达到能模拟井下煤层中任一单元体的瓦斯源均是从整个单元体截面渗入的目的，在每套模具底板上均刻有5mm深纵横交错网状刻槽，并在刻槽之上焊有15mm厚的泡沫不锈钢材料以隔离进气孔和煤样（e），该泡沫不锈钢。
强度高、孔隙孔径小，透气而不透粉尘，可保证煤样成型时煤粉不进入底板刻槽及进气孔中堵塞进气通道。对模型进行充气时，瓦斯气体首先从底板3个进气孔流入底板刻槽，再通过泡沫不锈钢渗入煤样。因此，本模拟试验台所研制的配套突出模具不仅能有效解决同类设备只能模拟水平倾角煤层的煤与瓦斯突出试验的技术难题，还真实再现了石门揭倾斜煤层时的煤与瓦斯突出灾害；同时，利用泡沫不锈钢材料隔离突出煤样和进气孔，既避免了现有同类设备中与实际情况有所偏差的“点充气”问题，又实现了对突出煤样实施均匀“面充气”，更加逼真地模拟了实际煤层瓦斯来源。
为了检测试验时突出发生前与突出过程中煤样的温度变化及煤样内的瓦斯压力分布情况，在每套模具的上压板上均匀布设5个出气孔（a），分别接有快速气接头，并连接有最大测量压力范围为4MPa的乙炔压力表，用于进行试验时检测煤样内所充瓦斯压力，同时，通过上压板的出气孔还可在煤样中埋设温度传感器，用来检测试验过程中温度的微小变化，以期开展利用温度变化来预测井下煤与瓦斯突出灾害发生与否的研究。瓦斯压力与温度数据均可通过MaxTest-Load试验控制软件显示。
结论
分析认为该试验台主要有如下功能：
（1）利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载，模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。
（2）可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验，避免了以往只能模拟水平倾角煤层的突出试验。
（3）利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔，实现了对突出煤样的“面充气”功能，逼真模拟了井下煤层瓦斯源。
（4）通过快速释放机构，可瞬间打开突出口使突出端突然卸压，减小了对突出强度的影响。
（5）实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。最后简要介绍了利用该试验台成功进行的两次煤与瓦斯突出模拟试验，观测到瓦斯压力越大突出强度越大、具有明显的典型突出孔洞以及突出的碎煤具有明显的分选性等现象，与现场煤与瓦斯突出特征基本吻合，进而证明该模拟试验台将在煤矿瓦斯灾害防治领域发挥一定作用，为国内学者进一步深层次研究煤与瓦斯突出机制做出应有贡献。
【关键字】煤矿安全；灾害；瓦斯
引言
由于对现场煤与瓦斯突出过程进行全方位实时跟踪研究的危险性太大，学者们大都依靠实验室模拟手段进行煤与瓦斯突出机制的研究与探索。并针对地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质在突出过程中的作用机制进行了卓有成效的研究工作，同时研制了相应的试验装置。
纵观同类试验装置，国内外煤与瓦斯突出模拟试验装置的种类和样式较多。其中，突出煤样的形状以圆柱体和长方体为主；模型加载方式主要采用材料试验机加载；模型在受力维数上一维、二维、三维均有；而突出口的打开方式均为手动机械式；充气介质以CO2，CH4为主；且突出煤样的尺寸和倾角均为小尺寸、水平倾角。故现有的煤与瓦斯突出试验装置，虽在一定程度上加深了煤与瓦斯突出研究的进展，但或多或少地存在一些缺点。如突出煤样均为小尺寸和水平倾角，而现实情况井下水平倾角的煤层相对较少，发生突出事故频繁的石门揭煤所遇到的也往往是倾斜煤层；手动打开突出口速度较慢，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间和强度；对模型施加的荷载也都是均匀的，不能模拟工作面前方由于采矿活动造成的局部应力集中，而应力集中往往又是造成突出的重要因素。所以，现有的突出试验装置存在一定的局限性，迫切需要研制出一种更加先进的大型煤与瓦斯突出试验装备，以更深层次地探索综合作用假说的作用机制。
1.研制思路及目的
1.1研制思路
因煤与瓦斯突出的灾害性极大，不可能在井下现场发生煤与瓦斯突出灾害时开展研究，只能依托实验室进行试验模拟。尽管国内外相关科研机构开展了大量的煤与瓦斯突出相似模拟试验研究工作，但确实还存在一些不足，归纳起来有以下几点：
（1）突出煤样尺寸相對较小。
（2）只能模拟水平煤层。
（3）突出煤样充气源均为单一充气孔“点充气”。
（4）利用材料试验机对突出煤样施加荷载，只能模拟均匀应力场。
（5）手动打开突出口的速度偏慢。
（6）无法了解突出瞬间的细小变化。
因井下现场所采煤层大部分都是缓倾斜或倾斜煤层；发生突出灾害时工作面前方往往产生局部应力集中现象，煤体内并不是均匀应力场；井下煤体既是瓦斯的储存场所又是瓦斯的流动场所，煤体中任一单元体的瓦斯都不是从一点流入，而是从整个截面渗入。
1.2研制目的
本模拟试验台主要用于进行煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用所研制的5套突出模具在模拟试验台上装配后，可使突出煤样呈现出5种不同倾角，分别考察5种倾角煤样在一定荷载、不同瓦斯压力以及一定瓦斯压力、不同荷载（分均布和阶梯形两种）条件下的突出情况。考察指标主要有突出强度、突出前与突出过程中煤样的温度变化、模具内的瓦斯压力分布情况、发生突出时的瓦斯压力与地应力临界值以及不同瓦斯压力下突出煤的粉碎性及分选性等。其最终目的在于进一步研究地应力、瓦斯压力与煤的物理力学性质之间的相互耦合作用及其对突出的综合作用机制，以期在综合作用假说的基础上更深层次地揭示煤与瓦斯突出机制，为形成煤与瓦斯突出力学演化机制及预测煤与瓦斯突出的基础理论提供量化支撑。
2.模拟试验台的结构方案设计
依据所制定的研制思路和目的，煤与瓦斯突出模拟试验台主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。
煤与瓦斯突出模具及瓦斯压力检测
本模拟试验台共开发煤与瓦斯突出模具5套，分别用来模拟倾角为0?，15?，30?，45?及反45?煤层的煤与瓦斯突出试验。其中，模拟煤层倾角为0?，l5?和30?时的模具均为六面体，倾角为45?与反45?时的模具为七面体，模具横截面尺寸均为400mm×400mm。所有模具均采用30mm厚的Q235钢板焊接而成，突出端设有圆形开口以便煤样在外力作用下从模具中突出。
每套模具均有两个活动面f侧封板、上压板。突出模具的密封依靠密封圈、突出口专用密封膜和硅胶配合完成，经试验验证，突出模具密封效果良好，达到了试验要求。
为达到能模拟井下煤层中任一单元体的瓦斯源均是从整个单元体截面渗入的目的，在每套模具底板上均刻有5mm深纵横交错网状刻槽，并在刻槽之上焊有15mm厚的泡沫不锈钢材料以隔离进气孔和煤样（e），该泡沫不锈钢。
强度高、孔隙孔径小，透气而不透粉尘，可保证煤样成型时煤粉不进入底板刻槽及进气孔中堵塞进气通道。对模型进行充气时，瓦斯气体首先从底板3个进气孔流入底板刻槽，再通过泡沫不锈钢渗入煤样。因此，本模拟试验台所研制的配套突出模具不仅能有效解决同类设备只能模拟水平倾角煤层的煤与瓦斯突出试验的技术难题，还真实再现了石门揭倾斜煤层时的煤与瓦斯突出灾害；同时，利用泡沫不锈钢材料隔离突出煤样和进气孔，既避免了现有同类设备中与实际情况有所偏差的“点充气”问题，又实现了对突出煤样实施均匀“面充气”，更加逼真地模拟了实际煤层瓦斯来源。
为了检测试验时突出发生前与突出过程中煤样的温度变化及煤样内的瓦斯压力分布情况，在每套模具的上压板上均匀布设5个出气孔（a），分别接有快速气接头，并连接有最大测量压力范围为4MPa的乙炔压力表，用于进行试验时检测煤样内所充瓦斯压力，同时，通过上压板的出气孔还可在煤样中埋设温度传感器，用来检测试验过程中温度的微小变化，以期开展利用温度变化来预测井下煤与瓦斯突出灾害发生与否的研究。瓦斯压力与温度数据均可通过MaxTest-Load试验控制软件显示。
结论
分析认为该试验台主要有如下功能：
（1）利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载，模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。
（2）可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验，避免了以往只能模拟水平倾角煤层的突出试验。
（3）利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔，实现了对突出煤样的“面充气”功能，逼真模拟了井下煤层瓦斯源。
（4）通过快速释放机构，可瞬间打开突出口使突出端突然卸压，减小了对突出强度的影响。
（5）实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。最后简要介绍了利用该试验台成功进行的两次煤与瓦斯突出模拟试验，观测到瓦斯压力越大突出强度越大、具有明显的典型突出孔洞以及突出的碎煤具有明显的分选性等现象，与现场煤与瓦斯突出特征基本吻合，进而证明该模拟试验台将在煤矿瓦斯灾害防治领域发挥一定作用，为国内学者进一步深层次研究煤与瓦斯突出机制做出应有贡献。