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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY physical simulation; experimental study; multi-scale; in-situ stress 煤与瓦斯突出是煤矿井下含瓦斯煤岩以粉碎 状从煤岩层中向采掘空间急剧运动， 并伴随大量瓦 斯喷出的一种剧烈动力过程， 严重威胁矿井的安全 生产[1]。自从世界上第一次发生煤与瓦斯突出事故 以来， 世界各主要产煤国都投入了大量的人力和物 力，开展煤与瓦斯突出的研究工作，取得了丰硕成 果[2]。鉴于煤与瓦斯突出的突发性和危险性，现场 对突出过程进行全方位实时跟踪研究的危险性太 大， 因此物理模拟实验成为研究煤与瓦斯突出的重 要手段之一[3]。20 世纪 50 年代前苏联学者在世界 上首次利用 CO2和突出倾向性的煤炭在室内成功 诱导突出后[4]，其他国家也相继进行了煤与瓦斯突 出实验研究[5-7]。 我国学者结合现场煤与瓦斯突出资料， 同时借 鉴国外煤与瓦斯突出物理模拟实验相关经验， 先后 研制了煤与瓦斯突出模拟实验装置， 进行了系列实 验并取得了良好的效果。 本文即是从煤与瓦斯突出 模拟实验的角度对我国近三十年取得的相应成果 ChaoXing 第 4 期张超林等 煤与瓦斯突出物理模拟实验研究进展及展望29 进行梳理，从实验历程、实验特点两个方面进行阐 述， 最后针对现阶段煤与瓦斯突出模拟实验现状提 出相关建议及展望， 以期使读者对我国煤与瓦斯突 出物理模拟实验发展历程有一个更加清晰和全面 的认识。 1煤与瓦斯突出物理模拟实验历程 笔者查阅大量相关文献后，统计出 18 台煤与瓦 斯突出物理模拟实验装置，相关信息如表 1 所示。下 面按照加载方式分类叙述。 表 1煤与瓦斯突出物理模拟实验装置统计 Table 1The physical simulation devices of coal and gas outburst 序号参考文献研发年份研发单位试件尺寸/mm地应力加载方式诱导突出方式 1[8]1989煤炭科学研究总院抚顺分院Φ200100一维手动打开档板 2[9]1995中国矿业大学Φ442200一维手动打开档板 3[10]1996中国科学院力学研究所Φ38050二维爆破片 4[11]2003焦作工学院Φ250600一维手动打开档板 5[12]2004河南理工大学225225187.5三维机械打开档板 6[13-14]2008重庆大学570320385二维机械打开档板 7[15]2009河南理工大学Φ300450一维机械打开档板 8[16-17]2010安徽理工大学2 5001 0001 500一维模拟开挖扰动 9[18]2012中国矿业大学200200150一维机械打开档板、 模拟开挖扰动 10[19-20]2012山东科技大学3 0002 6001 800一维模拟开挖扰动 11[21]2013河南理工大学Φ360650一维机械打开档板 12[22-23]2013重庆大学1 050410410三维机械打开档板 13[24-25]2013辽宁工程技术大学160160160三维突出弱面 14[26]2014中国矿业大学250250310三维机械打开档板 15[27]2015山东大学Φ200600三维机械打开档板 16[28]2015太原理工大学100100100三维突出弱面 17[29]2015中煤科工集团重庆研究院1 500800800三维爆破片 18[30]2017山东科技大学3 0001 5001 500三维模拟开挖扰动 注文献[8-10]中试件均为高度可调的圆柱体，为便于后续对比分析试件体积，根据文献对试件高度进行估算。 1.1一维受力实验装置 ① 1989 年邓全封等[8]选用突出煤层的煤样，在 不加任何添加剂条件下压结成型，模拟Ⅳ、Ⅴ类煤， 开展了我国首次煤与瓦斯突出模拟实验研究，煤样容 器为内径 200 mm 的圆柱形，突出口为直径 20 mm 的 圆形。 蒋承林等[9]、牛国庆等[11]、袁瑞甫等[21]相继研发 了一维受力突出实验装置，早期的突出模拟实验装置 多为圆柱体，利用成型机提供地应力，试件高度一般 可调。蒋承林等[9]利用一维实验模拟了理想条件下石 门揭开煤层时的煤与瓦斯突出过程，在此基础上提出 并验证了“球壳失稳假说”理论。 ② 2009 年陈永超[15]设计出一套带模拟巷道的煤 与瓦斯突出实验系统，研究了突出冲击波在巷道内的 传播规律。 ③ 张春华[16]、高魁等[17]、欧建春[18]、张清涛[19]、 王刚等[20]分别研发了长方体形状的突出实验装置，文 献[19-20]中突出实验台整体安装尺寸为3 m2.6 m 1.8 m长宽高，下同，同时设计长 1.5 m 的开挖 巷道，是目前为止有效尺寸最大的突出实验装置。 1.2二维受力实验装置 ① 1996 年孟祥跃等[10]设计了既可改变地应力又 可改变瓦斯压力的二维模拟实验装置，煤样容器为内 径 380 mm 的圆柱形，突出口直径有 10 mm、20 mm、 30 mm 三种规格。实验中发现煤样的破坏和一维情况 相同，也存在“开裂”和“突出”两类典型现象。 ② 2008 年许江等[13-14]研制了“大型煤与瓦斯突出 模拟实验台” ， 有效尺寸为570 mm320 mm385 mm。 其中突出煤样的纵向荷载由计算机软件控制多组液压 千斤顶施加均布和阶梯形荷载，可模拟井下采煤工作 面前方造成突出局部应力集中现象。 1.3三维受力实验装置 ① 2004年蔡成功[12]研发了我国第一台三维煤与瓦 斯突出模拟实验装置，模型尺寸为 225 mm225 mm 187.5 mm，可进行不同煤型强度、不同三向应力、不 同瓦斯压力等条件下的突出模拟实验。 ② 之后国内以真三维加载为特点，相继研发了 多套突出实验装置2013 年许江等[13]在第一代突出实 ChaoXing 30煤田地质与勘探第 46 卷 验装置的基础上升级改进，研制了多场耦合煤矿动力 灾害大型模拟实验系统[22-23]，试样尺寸为 1 050 mm 410 mm410 mm； 2014 年郭品坤[26]设计了三轴煤与瓦 斯突出实验系统，装置净尺寸为 250 mm250 mm 310 mm；2015 年张淑同[29]构建了一套煤与瓦斯突出 相似模拟实验系统，有效尺寸为 1.5 m0.8 m0.8 m， 同时研制了断面边长 0.3 ｍ的正方形模拟巷道，具有 传感器安装、清灰、观测视窗的功能；2017 年张庆贺 等[30]基于煤与瓦斯突出实验仪器研发原理和相似准 则， 采用模块化设计思路研发一套煤与瓦斯突出装置， 其有效尺寸为 3.0 m1.5 m1.5 m，是目前报道中尺寸 最大的三维加载突出实验装置。 ③ 另一方面，唐巨鹏等[24-25]、王汉鹏等[27]、王 雪龙[28]分别研发了伪三轴加载突出实验装置，实验过 程中轴压模拟垂直地应力，围压模拟水平地应力，孔 隙压模拟瓦斯压力，具有功能实用、操作便捷、实验 周期短的优势。同时文献[24]首次提出突出弱面的概 念并应用于实验中，实现了突出口由被动式打开转向 主动式打开，避免了人工干预。 2现阶段煤与瓦斯突出物理模拟实验特点 2.1多维多场多尺度 为便于对比分析，将表 1 中 18 套实验装置的尺 寸、形状和受力维数随研发时间的散点图绘制在图 1 中。由于试件有效体积跨度较大，将纵坐标调整为两 段，分别为 00.1 和 0.115。分析可得以下规律。 a. 由小尺度向大尺度发展 由图 1 可知，试件有效体积最小为 0.001 m3[8]， 最大达到 14.04 m3[30]， 相差 1 万倍以上； 在 2010 年之 前，试件有效体积均小于 0.1 m3，之后相继研发了多 套大于 0.1 m3的大尺度实验装置[16-17,19-20,22-23,29-30]；可 见试件大小逐渐呈现出多尺度的发展趋势。 b. 由一维受力向三维受力发展 2004 年以前[8-11]，试件形状均为圆柱体，受力维 数多为一维，而自 2004 年蔡成功[12]研发了我国第一 台三维煤与瓦斯突出模拟实验装置以来，试件形状更 多地设计为长方体， 同时受力维数由一维、 二维向三 维发展； 三维应力加载方式能更真实地模拟煤层所受 到的三向应力状态，其中部分装置可实现集中应力、 阶梯荷载等[13-14, 22-23]更加复杂的地应力加载方式， 这 为模拟煤与瓦斯突出现象提供了更加科学和丰富的 手段。 c. 多场耦合条件 实验早期，受实验装置尺寸及数据采集技术所 限，控制及采集参数较为单一，以渗流场或应力场为 主；随着试件尺寸的增加及数据采集技术的发展，逐 渐发展为多场耦合条件下的瓦斯突出模拟实验，可深 入研究渗流场、应力场、温度场、电磁场等多场耦合 特性。 图 1突出实验装置有效体积 Fig.1The effective volume of coal and gas outburst devices 2.2诱导突出方式多样化 表 1 所列 18 套实验装置中， 诱导突出方式呈现 多样化，可细分为手动打开突出口挡板诱导突出、 机械打开突出口挡板诱导突出、突出口爆破片诱导 突出、模拟开挖诱导突出和突出弱面诱导突出等 5 种诱导方式。 早期以手动打开突出口挡板诱导突出为主，能较 为真实还原现场石门揭煤诱发突出现象，且具有装置 结构简单、操作方便的特点，但是在安全性和灵敏性 方面存在较大不足。在以后的装置中，发展为机械打 开突出口挡板诱导突出，能确保操作人员的安全性以 及实现突出口打开的精确控制。爆破片诱导突出和机 械打开突出口挡板诱导突出的思路相近，在一些特殊 条件下能发挥重要作用，如突出口和突出巷道相连， 没有足够空间设置突出口挡板，同时爆破片爆破后对 煤瓦斯两相流在巷道中的传播影响较小。 以上 3 种诱导突出方式均为被动式诱导[24]，即在 特定条件和时刻突然打开突出口导致煤体突然暴露在 大气中，从而打破突出口两侧气压平衡而实现突出， 虽然能模拟石门揭煤诱发突出，但是淡化了地应力的 影响，忽略了突出实际上是开采扰动下含瓦斯煤在临 界状态下自行突出的过程。为了解决这个问题，后续 实验装置相继设计了模拟开挖诱导突出和突出弱面诱 导突出两种诱导方式，均为主动式诱导，即通过改变 煤体内地应力、瓦斯压力等达到临界突出条件时，会 自发突出，从而避免了人为干扰和控制。 2.3数据采集系统更加完善 经历了几十年的发展，煤与瓦斯突出模拟实验 ChaoXing 第 4 期张超林等 煤与瓦斯突出物理模拟实验研究进展及展望31 装置的数据采集系统更加完善，数据采集种类和采 集通道都有了明显的提升。早期的实验装置只能采 集少数的气压、温度等参数，现在的数据采集系统 不仅能采集煤体内部气压、煤体温度、地应力、煤 体变形等储层参数，以及突出后冲击波超压、煤粉 打击力等外部参数，还能借助更加专业的仪器声发 射仪等对煤体内部的电磁辐射、声发射、电位信号 等进行采集，同时配备高速摄像机监控突出过程中 煤体裂纹演化过程及突出煤粉运移过程，实现数据 和图像的可视化分析。同时数据信号由低频静态信 号向高频动态信号发展，如文献[15]中采用多通道动态 信号记录分析仪，实现了突出数据高速8 通道并行采 集时的实时分析，采样率范围为 10 B500 M/s，能够 满足微秒级的要求，从而能有效分析突出过程中产 生的冲击波演化规律。而文献[22]最高可实现 64 路 传感器同时监测煤岩体内不同空间位置的气压、温 度、应力和变形等参数，为研究煤与瓦斯突出过程 中各参数的时空演化规律提供了有利的手段。 2.4实验煤样以型煤为主 从早期的一维突出模拟实验到现在的三维突出 模拟实验，很少见到使用原煤进行实验的相关报道， 随着试件尺寸的增加，进一步提高了使用原煤进行实 验的难度。使用型煤实验的一般做法如下首先将现 场取回的煤样进行破碎、筛分、干燥等一系列处理， 然后选取特定粒径煤样加入添加剂，按照与原煤物理 力学性质相似的配比进行压制成型。如果试件尺寸较 大，可能需要多层分批次成型，同时在煤体内部植入 不同传感器。使用型煤进行实验，不仅方便布置传感 器， 还能很好地适应不同尺寸、 不同形状的煤样腔体， 但是破坏了煤样原生裂隙和原始地应力状态，并且分 层成型会导致煤样受力不平衡、 受力时间不均等问题， 因此相似程度较低，对突出实验可能会产生不可预见 的影响。 2.5以综合作用假说为指导 根据综合作用假说的观点， 煤与瓦斯突出受地应 力、瓦斯和煤体性质 3 方面因素的控制， 这种观点为 广大学者所接受， 目前对煤与瓦斯突出发生机理的研 究也主要集中于这 3 个方面。 其中， 地应力方面主要 改变应力水平、应力加载速率、应力加载方式均匀 荷载、阶梯荷载、应力“三带”荷载等；瓦斯方面 主要改变气压大小、气体种类CO2、CH4、N2、He 等；煤体性质方面主要改变煤样变质程度、煤体强 度、煤体吸附性、煤粉粒径配比等。实验方案通过设 置不同的变量，即可研究突出“三要素”对突出的影 响机理。 3煤与瓦斯突出物理模拟实验研究展望 我国科研学者从 20 世纪 80 年代开始致力于突出 物理模拟实验的研究，在近三十年的时间内研发了多 套实验装置， 开展了一系列实验， 取得了丰富的成果， 为我国乃至世界的煤矿安全生产做出了重大贡献。但 不可否认，到目前为止还未完全掌握煤与瓦斯突出机 理，难以从根本上杜绝煤与瓦斯突出的发生，煤矿安 全生产现状仍不容乐观。同时，随着近年来煤矿开采 深度的不断增加，地应力和瓦斯压力不断加大，煤层 瓦斯赋存条件更加复杂，这对煤与瓦斯突出实验研究 提出了更高的要求。鉴于此，笔者结合目前突出实验 研究现状，提出如下展望。 3.1实验模型应遵循相似理论 煤与瓦斯突出物理模拟实验之所以受到青睐，除 了考虑到安全因素外，还有一个重要原因就是模型实 验能够最大限度地反映其物理本质，而相似模拟实验 的成功必须做到以相似理论为依据[23]。几何相似系数 作为决定实验装置尺寸的关键参数之一，必须进行合 理选取，较大尺寸能较好地消除尺寸效应、边界效应 对突出的影响，相似程度较高，但是对系统的加载能 力和密封能力要求较高，且准备煤样花费太多人力物 力； 而尺寸较小则会导致受尺寸、 边界效应影响较大， 且相似系数不能变化， 灵活性小， 但是具有操作简便、 容易实现及成本小的优点；文献[26]认为突出模拟实 验需要满足几何相似、 运动相似和动力相似； 文献[29] 基于量纲分析法认为相似模拟需满足模型和原型的孔 隙率、瓦斯含量、解吸速率相等；文献[30]则对煤与 瓦斯突出气体及气压相似性进行了探索。目前，关于 煤与瓦斯突出相似性认识还未达成共识，急需建立一 套针对煤与瓦斯突出的相似理论体系，以有效指导煤 与瓦斯突出实验装置的研发及实验的开展。 3.2含瓦斯煤相似材料的研制 基于目前实验装置尺寸较大，难以使用原煤进行 实验，因此含瓦斯煤相似材料的研制就至关重要，并 直接影响实验的效果。其中文献[8]选用突出煤层的煤 样，在不加任何添加剂条件下加压成型模拟IV、V 类 煤；文献[18]使用煤粉和煤焦油制成型煤，通过控制 煤粉和煤焦油的配比将煤样预制成具有不同物理力学 性质的型煤；文献[23]将原煤筛分成不同粒径，并按 照级配理论进行配比，同时添加适量的乳白胶，进行 型煤的制作；文献[29]以水泥为胶结剂，以砂子、水、 活性炭、 煤粉为原料进行配比进行型煤压制； 文献[31] 选取一定粒径分布的煤粉为骨料，以腐植酸钠水溶液 为胶结剂，混合压制成型后干燥。可见，关于含瓦斯 煤相似材料的研制尚无统一规范，研制方法繁多且效 ChaoXing 32煤田地质与勘探第 46 卷 果各异，不便于统一对比分析，因此有必要研制一种 新型的含瓦斯煤相似材料，使其吸附解吸、渗透力学 等物理化学性质和原煤接近。 3.3微观、细观、宏观研究相结合 从本质上讲，煤与瓦斯突出主要涉及两种物质， 即煤与瓦斯，因此无论是借助显微镜或扫描电镜等对 煤样进行观察[32]还是从地球化学层次研究元素的迁 移、散失与聚集[33-34]，微观尺度的研究不仅可以提供 一种全新的视角还能为煤与瓦斯突出的预测提供新手 段；细观尺度介于微观尺度和宏观尺度之间，因此试 件尺寸一般较小，则可使用原煤进行实验。原煤能保 留煤体内部原始孔隙、裂隙结构，最大程度地保证实 验结果的真实性和可靠性，可重点研究突出过程中气 体的吸附、 解吸特性以及煤体裂纹的开裂、 扩展规律； 而宏观尺度研究则依托大型三维模拟实验装置，还原 现场复杂的地球物理场，开展应力场、电磁场、温度 场、渗流场等多物理场耦合作用下的煤岩动力现象研 究。 因此， 在开展煤与瓦斯突出物理模拟实验研究时， 应将微观、细观和宏观相结合，从而对突出全过程进 行精细化、定量化研究，以完整、系统地认识与描述 突出全过程及突出本质。 3.4煤瓦斯两相流运移及致灾机理研究 世界各国之所以投入巨大的精力研究煤与瓦斯 突出，最直接的目的是为了降低其对煤矿安全生产 带来的威胁。鉴于现在仍未完全掌握煤与瓦斯突出 机理，不能从根本上避免突出的发生，因此有必要 研究煤与瓦斯突出的传播及致灾机理，保证即使发 生突出时，能有效控制突出事故，避免灾害进一步 扩大。现有的突出实验装置主要侧重在对试件箱体 的研发与设计，重点研究煤体内部各储层参数的时 空演化规律、突出孔洞形态、突出强度变化规律、 突出煤粉分布特征以及突出能量释放机理等，突出 口一般设计为开放体系，无对应的巷道系统，缺少 对突出后煤瓦斯两相流在巷道内的传播规律及突 出致灾机理的研究。 河南理工大学早在 2009 年设计出一套带模拟巷 道的煤与瓦斯突出实验系统[15]，研究了突出冲击波在 巷道内的传播规律，但是存在无法加载地应力及传感 器较少等不足；近年来中煤科工集团重庆研究院[29,35] 和重庆大学分别研发了三维加载条件下动力致灾可视 化突出实验装置，且配备可自由组装的巷道系统，但 由于实验周期较长，系统的成果还较少。因此，在未 来的突出模拟实验中，应加强对突出后煤瓦斯两相 流运移规律及致灾机理的研究，以更好地指导现场防 灾减灾工作。 3.5煤与瓦斯突出机理深入研究 物理模拟是研究煤与瓦斯突出机理的有效方 法[36]。 我国学者针对实际工程地质情况开展了大量 煤与瓦斯突出物理模拟实验， 并将实际较为复杂的 问题相对简化， 同时对突出的发生和发展过程进行 深入分析，最终提出了一些具有代表性的突出假 说，如流变假说[37]、固流耦合失稳理论[38]、球壳失 稳假说[39]等，这些突出假说完善并发展了煤与瓦斯突 出机理，为突出防治措施的选择及效果检验提供了参 考依据。 进入 21 世纪，随着科技水平的发展及煤与瓦斯 突出实验装置性能的提升，研究瓦斯突出的手段越来 越丰富，然而突出机理研究仍然停留在定性解释和近 似定量计算的综合作用假说阶段，无法定量评价地应 力、 瓦斯及煤的物理力学特性各自在突出中所起作用。 因此需要通过煤与瓦斯突出物理模拟实验对突出机 理开展进一步研究， 尤其是对突出的发动机理及终止 条件进行深入研究， 分析实验结果的内在原因， 探究 突出的物理本质，厘清“突出三要素”的关系，从而 形成突出危险性定量评价体系和突出理论判据， 为现 场煤与瓦斯突出的预测与防治提供切实有效的理论 基础。 同时，由于煤与瓦斯突出是世界性难题，因此及 时关注国际最新动态十分必要，如 A. D. Alev 等[3] 利用自主研发的真三轴实验装置开展了煤与瓦斯突出 物理模拟实验，发现增加煤体含水率能降低突出发生 强度；J. Sobczyk[40-41]开展了不同吸附气体CO2、 CH4、N2条件下突出物理模拟实验，分析了突出过 程中压力时空分布规律； N. Skoczylas[42]开展了不同 储层气压条件下突出物理模拟实验并进一步对突出 危险区域进行预测。 4结 论 a. 物理模拟实验是研究煤与瓦斯突出的重要手 段，早期研发的实验装置受限于当时技术水平，具有 以下特点试件多为圆柱体，且尺寸较小；受力维数 多为一维或二维；采集数据单一，且采集通道较少； 自动化程度低。 b. 现阶段突出模拟实验具有以下几个特点 多维 多场多尺度；诱导突出方式多样化；数据采集系统更 加完善；实验煤样以型煤为主；以综合假说为指导。 c. 后续煤与瓦斯突出实验可考虑以下方面 实验 模型的相似理论；含瓦斯煤相似材料的研制；微观、 细观、宏观研究相结合；煤与瓦斯突出传播及致灾机 理研究；煤与瓦斯突出机理的深入研究。 ChaoXing 第 4 期张超林等 煤与瓦斯突出物理模拟实验研究进展及展望33 参考文献 [1] 张超林，彭守建，许江，等. 煤与瓦斯突出过程中气压时空演 化规律[J]. 岩土力学，2017，38181–90. ZHANG Chaolin ， PENG Shoujian ， XU Jiang ， et al. Temporospatial evolution of gas pressure during coal and gas outburst[J]. Rock and Soil Mechanics. 2017，38181–90. [2] 李希建， 林柏泉. 煤与瓦斯突出机理研究现状及分析[J]. 煤田 地质与勘探，2010，3817–13. LI Xijian，LIN Baiquan. Status of research and analysis on coal and gas outburst mechanism[J]. Coal Geology Exploration， 2010，3817–13. [3] ALEV A D，REVVA V N，ALYSHEV N A，et al. 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