煤与瓦斯突出灾害模拟和预警模型研究——国家重点基础研究发展计划（973计划）课题成果
煤与瓦斯突出是在煤炭采掘过程中，在很短的时间内突然从煤（岩）壁内部向采掘空间喷出煤（岩）和瓦斯的现象。煤与瓦斯突出的危害巨大，一旦发生，所产生的高速瓦斯流（含煤粉或岩粉）能够摧毁巷道设施，破坏设备和通风系统，甚至造成风流逆转；喷出的瓦斯可能有几百到几万立方米，能使井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸；喷出的煤、岩可能有几千吨到万吨以上，能够造成煤流埋人甚至伤亡；猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。我国煤和瓦斯突出十分严重，2000～2009年之间共发生重、特大型突出事故10次以上，致亡人数超过400人。随着我国煤矿开采向深部延深，煤矿煤与瓦斯突出灾害逐步升级，原来没有威胁的煤层现在已经转变成为突出危险煤层，当前煤与瓦斯突出灾害已经成为我国深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题。
“煤与瓦斯突出灾害模拟和预警模型研究”是国家重点基础研究发展计划（973计划）“矿产资源综合利用与安全监测科学问题”项目的第六课题，课题承担单位深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室在总结前期研发成果的基础上，通过技术攻关，研发出一台功能先进、可综合考虑多种因素的煤与瓦斯突出物理模拟实验系统，利用该装置揭示了多场耦合条件下开挖诱导煤与瓦斯突出过程的能量转化机制，建立了煤与瓦斯突出发生条件与判据，丰富、完善了开挖诱导低透气性煤层煤与瓦斯突出机理理论。
一、课题总体目标和研究内容
1．总体目标
通过低透气性高瓦斯煤层物理力学特性研究，得出高瓦斯煤层相似材料制作方法，研制出突出物理模拟实验系统，通过突出物理模拟得出突出发生条件与判据，完善煤与瓦斯突出的力学作用机理理论。建立突出灾害的监测预警模型，对主要的突出灾害信息进行综合分析，并对突出防治技术措施和管理措施的有效性进行综合评价，实现对短期内突出灾害发生的可能性进行预测以及对长期内突出灾害发生可能性的趋势进行预警。
2．研究内容
研究淮南矿区典型低透气性高瓦斯煤层的相关物理力学特性，揭示不同气体压力、浓度和不同煤体渗透率、温度等影响因素下，瓦斯吸附和解析的规律，建立深部煤岩体界面与高压和高浓度瓦斯气体组分的吸附解吸作用机制。研究煤与瓦斯突出过程运动和动力相似理论，确定高瓦斯煤体相似材料的物理力学参数指标并研制煤层相似材料。结合淮南矿区典型低透气性高瓦斯煤系地层情况，提出突出模拟实验系统设计方案，建立先进的低透气性煤层煤与瓦斯突出模拟实验系统，为系统研究煤与瓦斯突出机理提供先进的实验设备。
研究突出过程瓦斯流场与压力变化及煤岩体应力与温度变化情况，揭示多场耦合条件下开挖诱导突出过程的能量转化机制；建立突出发生条件与判据，完善“煤与瓦斯突出的力学作用机理”理论。基于煤与瓦斯突出的力学作用机理理论，构建能全面表征突出危险性的基本指标体系；基于突出物理模拟实验系统，研制突出灾害信息的监测设备，在突出模拟实验和井下开采时实施突出灾害信息监测，得出突出发生条件的基本量化指标值以及用声发射、微震和瓦斯涌出动态等信息来反映这些指标的方法。研究突出防治技术措施和管理措施的缺陷模型，构建突出的综合预警模型；编制软件模块，将预警模型整合进已有的突出灾害预警系统中，在现场进行突出灾害的预警试验。
二、课题解决的关键技术问题及取得的成果
1．含瓦斯煤相似材料的配比和制作工艺关键技术
课题组主要从相似材料的物理力学性质和吸附解吸性能两个方面的相似性，考察和选择含瓦斯煤相似材料。通过反复对比含瓦斯煤相似材料的性能特点，课题组将一定粒度的煤粉作为骨料，选取水溶腐植酸钠作为胶结剂，得出了高瓦斯煤层相似材料基本材料配比，并经过反复试验测试其物理力学基本参数，考察了其与突出煤层的相似性，最终得出了含瓦斯煤相似材料的配方和制备工艺。
课题组通过配比试验得出以腐植酸纳溶液作为新型型煤胶结剂具有型煤抗压强度高不影响材料吸附性质等多种优点。新材料的抗压强度为0.5～3.0MPa，并且强度调节方便，可以覆盖不同强度的煤体。材料吸附性不受胶结剂的影响，与原煤吸附性基本一致。
2．煤与瓦斯突出物理模拟实验系统设计和制作关键技术
课题组结合淮南矿区典型低透气性高瓦斯煤系地层情况，考虑突出的主要影响因素，研制了低透气性煤层突出机理模拟实验系统。该系统主要由实验台架装置、液压加载控制系统、瓦斯充填系统和快速释放系统等组成，能够快速、高效地进行不同地应力、不同瓦斯压力和不同物理力学性质煤体的煤与瓦斯突出模拟实验研究，并且精度较高，结构紧凑，操作简单。
3．突出物理模拟实验
煤与瓦斯突出是在煤体物理力学性质、地应力和瓦斯压力的综合作用下发生的动力现象，课题组利用煤与瓦斯突出模拟试验系统，通过改变煤体物理力学性质、地应力和瓦斯压力条件进行了22组正交实验，得出了不同瓦斯压力、煤体强度和地应力条件下的突出现象和特征，详细对比分析了不同突出条件下的腔体形态、突出腔体内的气体压力变化趋势，得出了煤与瓦斯突出发生的敏感指标；课题组通过研究突出不同阶段的特征，分析得出了整个突出的动态演化过程，完善了煤与瓦斯突出的作用机理。
三、主要创新点
1．得出了含瓦斯煤相似材料的配比和制备工艺，完成了物理力学参数的测试检验
试验以腐植酸纳溶液作为新型型煤胶结剂，新型材料具备很多优点：各物理力学参数调节方便，如简单地改变腐植酸纳浓度可调节试件的抗压强度；可依据所需尺寸，设计合理磨具，制作大小不同的型煤；材料制作、养护简单，干燥快捷，性质稳定，可重复性好，可缩短试验周期；无毒副作用，对人体无任何伤害；材料各组分价格经济，适合大尺度物理模型实验应用，为其他同类试验提供良好的材料保证。
2．设计和制作了突出物理模拟实验系统
该系统采用先进的密封技术和瓦斯充填技术，能够模拟高压瓦斯和高地应力下不同强度煤体的破坏过程，与传统突出模拟实验装置对比，具有显著的优点：模拟实验装置可一次性完整采集煤与瓦斯突出试验过程中的压力、位移等参数的全程或瞬态变化规律，实现定量分析；配置瓦斯流量计，对充填的瓦斯流量定量测量，实现了煤与瓦斯吸附特性测试；自主研发了瓦斯面式充填加载盘，该加载盘不仅能够对型煤施加压力，同时实现对相似材料的面式瓦斯充填，提升了充填的精确性；研制了煤与瓦斯突出快速释放机构，该机构结构简单，操作方便，可实现煤与瓦斯突出试验过程中瞬间揭煤；研制了煤与瓦斯突出气压采集装置，并开发了相应软件，实现了最高200次／秒的测试速度，清晰记录突出瞬间瓦斯压力的剧烈变化；高压密封墙体的内部模型为圆柱体，加载时型煤受力更加均匀；在突出口附近安设动态三维分析显微系统，对煤与瓦斯突出瞬间进行全过程摄录，可记录到煤与瓦斯突出瞬间的现象。
3．完善了“煤与瓦斯突出的力学作用机理”理论
通过22组煤与瓦斯突出物理模拟实验，研究了突出过程瓦斯流场与压力变化及煤岩体应力变化情况，分析了不同突出条件的突出现象和突出过程的特点，得出了突出发生的条件和突出形式，完善了突出发生的机理。基于力学过程分析，将煤与瓦斯突出划分为两个过程即静态过程和动态过程，四个阶段即准备、发动、发展、结束。认识到地应力、瓦斯压力和煤强度在突出过程中各个阶段所起的作用可以是不同的；提出了将煤体强度和地应力两个影响因素统一考虑，采用“煤体破坏程度”作为影响突出的新指标；完善了综合作用理论三个主要因素的作用机理，即在准备阶段，不同性质的煤岩在地应力和瓦斯压力综合作用下发生破坏，其中地应力起主要作用。当煤体破坏到一定程度后，瓦斯压力足够将煤体抛出时，突出发生。瓦斯压力是煤与瓦斯突出的重要阈值。
目前，国内外研究煤与瓦斯突出主要采用现场监测、理论分析、数值模拟、模型试验等手段，但由于煤与瓦斯突出条件复杂，突出过程高度非线性，仅采用现场监测、理论分析和数值模拟三种手段研究煤与瓦斯突出问题存在诸多困难，因此，采用地质力学模型试验的方法进行突出机理研究是迫切和有效的。课题完成的煤与瓦斯突出模拟试验系统可灵活用于煤与瓦斯突出模拟试验研究。试验装置能够基于含瓦斯煤相似材料的配比方法，真实模拟不同煤体的物理力学性能，根据煤与瓦斯突出过程物理力学及运动、动力相似理论，通过模拟不同地应力、不同煤岩体参数、不同构造下地应力和不同瓦斯赋存压力的组合情况，真实模拟石门揭煤或煤巷掘进过程，观察分析煤与瓦斯突出过程，监测煤岩体破坏过程以及煤体内瓦斯气体的压力和流动变化情况，分析研究煤与瓦斯突出时煤体的破坏形态以及瓦斯场的变化，研究煤与瓦斯突出的机理，最终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。
