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摘要：采用正交试验方法模拟进行了16组煤与瓦斯突出试验。主要结论如下：(1)地应力、瓦斯压力和煤岩力学性质均对煤与瓦斯突出产生一定影响；(2)试验得到了无量纲参数突出判定准则，可以根据工程现场修正，进而用来评价现场煤层的突出危险性。
关键词：煤与瓦斯突出；模拟试验；统计规律
1 引言
煤与瓦斯突出灾害是深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题，严重威胁煤矿的安全生产[1-2]。
然而煤与瓦斯突出问题十分复杂，目前的理论解释都难以全面掌握突出的机理和规律，因此，模拟试验研究仍然是认识突出本质的重要手段，具有独特的优越性和科学性，为此国内外学者展开了大量研究并取得很大进展。
世界上第一次煤与瓦斯突出模拟试验是前苏联B.B.霍多特进行了，并基于试验规律提出了突出的能量理论[3]；国内蒋承林模拟了石门揭开煤层时煤与瓦斯突出过程，提出了突出的球壳失稳假说[4]；孟祥跃等研制了二维突出模拟实验装置，得到了突出破坏阵面的传播特点[5]；蔡成功自行研制了可以施加轴压和侧向压力的三维试验装置，模拟了三向应力、不同瓦斯压力条件下的突出过程[6]；尹光志以自行研发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段，对不同含水率的煤体进行了模拟试验[7]；袁瑞甫等研制了含瓦斯煤动态破坏模拟试验设备，得出中硬煤也能够发生类似突出的动力现象[8]。刘东等研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统，能够进行煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩应力变化动态模拟[9]。
前人对煤与瓦斯突出现象进行了多组模拟试验，并且从瓦斯压力、地应力、突出口径、含水率等不同侧面研究了瓦斯突出的影响因素，得到了瓦斯突出与单一因素的影响规律。但是模拟试验次数较少，难以形成统计学规律，因此进行考虑多重因素影响的正交试验十分必要。基于此，根据煤与瓦斯突出特点并借鉴前人经验，采用正交试验设计方法模拟煤与瓦斯突出动力破坏过程，探索综合因素影响下的煤与瓦斯突出规律。
2 模拟试验系统
在综合考虑煤与瓦斯突出特点的基础上，借鉴前人经验，自主研发了煤与瓦斯突出模拟试验系统，主要包括高压密封腔体、快速揭露机构、压力加载单元、信息采集单元、附属装置等，试验系统结构示意图见图1。
Fig.1 Simulation test system structure diagram
高压密封腔体（型煤室）用来装载型煤并加载地应力和充填瓦斯；快速揭露机构用来模拟高地应力含瓦斯煤层的瞬间揭露；压力加载单元实现对型煤试件施加地应力和充填瓦斯。气压采集模块包括设置在型煤室顶部的3个等间隔排列的气体压力高频传感器与采集软件。最高采集频率可达1000Hz实现对瓦斯压力的高速监测。此外，为研究突出过程瞬态现象和气流的喷出规律，配备了Keyence公司生产的VW-6000动态分析三维显微系统，利用其高速摄像功能对突出瞬间进行记录。
3 模拟试验型煤
本次正交模拟试验采用型煤试件。王汉鹏[10]等研发了新型含瓦斯煤相似材料，能够很好的表现原煤的特点，本次试验借鉴该相似材料的配比和步骤。
按照相似材料配比配制了四组单轴抗压强度分别为0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa的型煤，见图9。四种不同强度型煤的配比方案见图2。
Fig.2 Test equipment
4 模拟试验方案及过程
4.1 试验方案
采用正交试验设计方法进行试验设计，选取地应力、气体压力和型煤强度作为试验因素。对应三种试验因素，分别选取了4个水平，见表1。
4.2 模拟试验步骤
含瓦斯煤动力灾害模拟试验过程主要包括型煤装填、密封，抽真空，气体加载，地应力加载，启动试验，结果处理等步骤，见图3。
5 试验结果与分析
选取地应力σ1、瓦斯压力p、抗压强度σc、煤体抗拉强度σt、和空隙率ε0作为反映瓦斯突出是否发生的相关参数，建立破坏准则。
为了使破坏准则能够全面反映煤层瓦斯压力、地应力和煤岩物理力学性质的综合作用，把上述5个参数组合成2个无量纲参数σ1/σc和ε0p/σt，进行回归统计分析。
以参数σ1/σc为横坐标和参数ε0p/σt为纵坐标，建立直角坐标系，将每次试验煤样的σ1/σc及ε0p/σt计算值绘制在坐标系中，其中σ1、σc、p可由试验条件直接获得，σt取单轴抗压强度的1/10，由图4知型煤孔隙率ε0在成型压力15MPa下为8.5%。绘制的突出结果统计图见图4。
图4表明未突出事件集中在第一象限左下角，突出事件分散于其他位置。采用直线将两区域划分，则此直线即为判断突出与否的准则。为使突出准则安全性更高，以使全部突出事件位于直线右侧为原则。据此可确定含瓦斯煤的突出破坏准则为：
2.0760ε0p/σt+0.0353σ1/σc＞1
Fig.4 The Statistical chart of outburst results
虽然该无量纲形式的突出准则由试验得出，然而突出准则体现了综合作用假说的本质，在现场工程中可以就此突出准则进行修正，通过测定现场的煤层地应力、瓦斯压力、煤体抗压强度、孔隙率等参数对现场煤层突出危险性进行评价。
6 结论
采用正交模拟试验的方法进行了多组不同地应力、不同瓦斯压力、不同煤体强度下的煤与瓦斯突出模拟试验，对试验结果进行了统计分析，结论如下：
(1)煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤岩物理力学性质综合作用的结果；
(2)试验得到了无量纲参数突出判定准则2.0760ε0p/σt+0.0353σ1/σc＞1，可以根据工程现场修正，进而用来评价现场煤层的突出危险性。
参考文献(References)：
[1]王捷帆，李文俊.中国煤矿事故暨专家点评集[M].北京:煤炭工业出版社，2002，1295-1431.
[2]程五一，张序明，吴福昌.煤与瓦斯突出区域预测理论及技术[M].北京:煤炭工业出版社，2005，82-112.
[3]B.B．霍多特.（宋士钊，王佑安译）.煤与瓦斯突出[M].北京：中国工业出版社，1966.
[4]蒋承林,俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.
[5]孟祥跃, 丁雁生, 陈力等. 煤与瓦斯突出的二维模拟实验研究[J]. 煤炭学报, 1996, 21(1): 57–62.
[6]蔡成功.煤与瓦斯突出三维模拟实验研究[J]. 煤炭学报，2004，29(1): 66-69.
[7]尹光志，赵洪宝，许江，等.煤与瓦斯突出模拟试验研究[J] 岩石力学与工程学报，2009，V28(08): 1674-1680.
[8]袁瑞甫，李怀珍.含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用[J]. 煤炭学报，2013，38(A01): 117-123.
[9]刘东, 许江, 尹光志, 等. 多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(5): 966-975.
[10]王汉鹏, 张庆贺, 袁亮, 等. 含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用[J]. 岩土力学, 2015, 36(6): 1676-1682.
论文作者:张庆贺1,闫茂旺2
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/18
标签：瓦斯论文; 应力论文; 压力论文; 正交论文; 煤层论文; 型煤论文; 准则论文; 《基层建设》2017年2期论文;