瓦斯学术：渗透率、能量原理、相似试验，煤与瓦斯突出相关研究进展

看点导读

煤与瓦斯突出是地下煤矿开采中常见的动力灾害。目前围绕煤与瓦斯突出开展了大量的研究，尤其是针对瓦斯压力、地应力和煤体性质等方面，物理相似模拟是研究突出机理和揭示突出特征的重要方法。本期瓦斯学术分享煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及机理研究、煤与瓦斯突出物理模拟试验研究现状及展望及突出相似模拟试验的能量原理等学术成果。

煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象，严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是一个综合反映煤层特性的重要参数，利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统，开展了不同渗透率条件下（1.38、6.69、7.34 和 9.10 mD）煤与瓦斯突出物理模拟试验。

结果表明，随着煤层渗透率的增加，突出两相流运移形态逐渐由栓流演变为分层流和沙丘流，且煤粉运移速度及其峰值逐渐降低，由 1.38 mD 条件下 31.98 m/s 减小为 9.10 mD条件下 20.10 m/s；伴随突出两相流运移产生的冲击波呈现阶段式演化特征，对应负相压区间冲击波超压谷值的最大绝对值大于正相压区间冲击波超压峰值，且在巷道前端随煤层渗透率的增加而下降；4次试验对应相对突出强度分别为 75.63%、44.65%、38.01%、10.97%，拟合得到相对突出强度随煤层渗透率增大呈指数下降关系。

理论分析认为，瓦斯压力梯度是以渗透力的形式作用于煤体，而煤层渗透性主要是通过影响瓦斯渗透力动态变化，进而影响煤与瓦斯突出强度以及突出两相流运移状态；随着煤层渗透率的增加，瓦斯流动受到的阻力减小，瓦斯压力下降较快，难以形成高瓦斯压力梯度，同时暴露面附近的瓦斯渗透力较低，并快速向远处转移，无法进一步破坏暴露面煤体，导致突出强度下降，甚至不发生突出。最后，从瓦斯压力梯度和瓦斯渗透力的角度系统探讨了煤与瓦斯突出全过程演化特征，得出煤层渗透率在突出各个阶段均占据重要作用，结合我国煤与瓦斯突出预测现状及难题，认为煤层渗透率有望成为突出预测新指标，关键在于如何结合煤矿现场实际条件确定其临界值，分别从试验研究、理论分析和工程实践等方面提出了未来展望。研究成果对于煤与瓦斯突出鉴定、预测及防控具有重要指导价值。

（a）模型图

（b）实物图

图1 多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统

图2 不同时刻突出煤粉运移图

图3 突出煤粉运移速度曲线

(a) 突出煤粉质量分布图

(b) 突出煤粉粒径分布及破碎率

图4 突出煤粉质量及粒径分布

图5 S2 冲击波超压曲线

(a) 冲击波超压峰值、到达时间与波阵面速度

(b) 巷道内不同位置冲击波超压曲线对比

图6 冲击波超压峰值及波阵面速度

(a) 巷道 5 m 处煤粉运移形态对比

(b) 煤粉运移速度对比

图 7 不同渗透率条件下煤粉运移形态及

速度对比

图8 不同渗透率条件下突出煤粉质量分布

（a）1.38 mD

(b) 6.67 mD

(c) 7.34 mD

(d) 9.10 mD

图9 不同渗透率条件下突出煤粉粒径质量分布

图10 不同渗透率条件下巷道冲击波超压对比

图11 不同渗透率条件下巷道冲击波超压

峰值和谷值分布

图12 相对突出强度与煤层渗透率的拟合曲线

图13 煤与瓦斯突出模型

（a）1.38 mD 渗透率不同位置

（b）1.38 mD 渗透率不同时刻

（c）9.10 mD 渗透率不同位置

（d）9.10 mD 渗透率不同时刻

图14 不同位置和时刻的瓦斯渗透力变化曲线

(a) t=30 ms

(b) t=50 ms

(c) t=90 ms

(d) t=150 ms

(e) t=300 ms

(f) t=800 ms

图15 不同渗透率条件下瓦斯渗透力演化对比

图16 煤与瓦斯突出过程流程图

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煤与瓦斯突出是煤矿井下开采活动中较为常见的动力灾害，严重威胁着矿井安全绿色生产。鉴于现场煤与瓦斯突出的不确定性、突发性和危险性，物理模拟试验成为了研究煤与瓦斯突出机制的有效手段。

通过查阅大量文献发现：(1) 突出模拟试验装置由单轴向双轴、常规三轴、真三轴迭代升级，试件尺寸由小到大，数据采集由单一到多元化，各种大型多功能真三轴可视化、模块化试验系统的成功研制，为煤与瓦斯突出发生机制的定量研究提供了有效平台；(2) 开展大量围绕“三要素”的煤与瓦斯突出物理模拟试验研究，探索地应力、瓦斯压力、煤体物理力学性质对突出的影响程度，通过煤层温度和两相流冲击演化反演突出强度，基本掌握突出的发动条件及致灾机制，形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系。然而，随着我国煤矿开采深度不断增加，深部煤与瓦斯突出机制变得更加复杂。针对新形势下煤与瓦斯突出研究存在的不足，对未来的研究方向提出建议和展望，旨在完善煤与瓦斯突出机制体系，突破定性假说研究阶段，对灾害孕育、发生、发展阶段的定量条件进行探索，为现场煤与瓦斯突出预测与防治提供可靠的理论基础。

表1 煤与瓦斯突出物理模拟试验装置汇总

图1 煤与瓦斯突出试验平台

图2   突出模具与加载方式

图3 煤与瓦斯突出试验现场

图4   煤与瓦斯突出模拟试验系统结构示意图

图5 多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统

图6 多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统及现象

图7 深部煤岩工程多功能物理模拟试验系统

图8  大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统及煤与瓦斯突出多场耦合

致灾机制

图9 真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统

图10  不同模拟埋深下瓦斯压力、AE 能量随时间变化曲线图

(a) 煤层瓦斯压力场演化云图

(b) 煤层温度场演化云图

（c）突出煤运移过程

图11 不同时刻煤层瓦斯压力，温度变化云图及煤粉运移图像

图12 煤与瓦斯突出动力效应模拟试验系统

( a ) F1

（b）F2

( c ) F3

(d) F4

(e) F5

(f) F6

图13 直巷道内冲击力的演化过程

图14 突出动力致灾毁伤等级分布云图

图15 0.35 MPa 条件下煤粉在巷道内运移视频截图

图16 不同瓦斯压力条件下煤粉在巷道内运移速度对比

图17 多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟

试验系统

煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害，由于这种动力灾害通常难以直接观测，煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而，突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去 70 a 中突出模拟试验的回顾，发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率 (10%～40%，中位数为 21.2%)，显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能 (几倍到几十倍)。为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征，基于相似准则，利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验。

结合观测数据与能量分析，发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分，占总能量的 87.50%～95.31%，其中初始游离气体的贡献占比为 1/3～2/3；证明了实验室模拟试验的本质，是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程。特别是，由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能，模拟试验可以不依赖应力条件，甚至可以由非吸附性气体 (如 He) 在低压下 (约 0.45 MPa) 诱发。与现场实际突出相比，模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放，缺乏应力与瓦斯之间的相互作用，因而难以还原突出的激发过程。在未来的试验装置设计中，如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当 (通常为 1%～11%) 是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键。

图1 实验室模拟突出的基本原理

图2 成型压力与孔隙率之间的关系

图3 突出模拟试验中实验型煤的孔隙率范围

图4 实际煤层与实验型煤之间的孔隙差异

图5 突出激发阶段的压力梯度条件

图6 1988—2018 年典型突出装置的示意

图7 真三轴煤与瓦斯突出模拟系统的构造示意

图8 不同实验气体诱发突出的孔洞特征

图9 突出煤体的粒度分布

图10 突出煤体的质量分布特征

图11  突出能量与相对突出强度之间的关系

图12 突出压力阈值的范围

图13初始游离瓦斯能量在总突出能量中的占比

图14 煤体孔隙率对游离瓦斯膨胀能的影响

图15 突出过程中的能量演化原理

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