基于固氣耦合的煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料及其力學(xué)特性

　　摘　要:含瓦斯煤是具有多孔特性和固氣耦合特性的二相介質(zhì)復(fù)合材料，為了精準(zhǔn)模擬含瓦斯煤的物理力學(xué)屬性，基于相似準(zhǔn)則和主控參數(shù)相似比尺，進(jìn)行了80余組材料配比試驗(yàn)和力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，研制了煤巖−瓦斯二相介質(zhì)相似材料。對(duì)比了相似材料和原煤的相似性，并基于新材料進(jìn)行了3維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)。主要試驗(yàn)結(jié)果如下：1)以煤粉和腐殖酸鈉水溶液為骨料和膠結(jié)劑配制的煤巖相似材料的彈塑性參數(shù)與原煤相似，通過調(diào)節(jié)材料配比，可以配制不同彈塑性參數(shù)的相似材料。相似材料的吸附性與原煤也具有一致性;2)CO2和N2二元混合氣體的膨脹能介于CO2和N2之間，氣體膨脹能比例系數(shù)與CO2體積分?jǐn)?shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，CO2體積分?jǐn)?shù)為45%的混合氣體的膨脹能與CH4的膨脹能一致;CO2和N2二元混合氣體可作為CH4相似氣體，且比CH4安全性高;3)研制的煤巖−瓦斯二相介質(zhì)相似材料與含瓦斯原煤的物理力學(xué)參數(shù)均具有高度相似性，實(shí)現(xiàn)了固氣耦合特性模擬;4)3維物理模擬試驗(yàn)再現(xiàn)了石門揭煤引發(fā)煤與瓦斯突出現(xiàn)象，得到與現(xiàn)場(chǎng)接近的突出孔洞形態(tài)和突出粉煤質(zhì)量，驗(yàn)證了相似材料的合理性，也為進(jìn)一步研究煤與瓦斯突出規(guī)律，監(jiān)測(cè)突出前兆信息提供了科學(xué)手段。

　　本文源自張慶賀; 方致遠(yuǎn); 馬衍坤; 章政， 工程科學(xué)與技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-07-09

　　關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出;相似材料;固氣耦合;3維相似模擬;配比試驗(yàn)

　　煤巖是典型的多孔介質(zhì)，研究表明，煤巖中存在 10–8～10–2 cm的孔隙，這些納米至毫米級(jí)的微孔大大增加了煤巖吸附瓦斯的能力[1] ，因此，自然界廣泛存在煤巖與瓦斯共伴生的含瓦斯煤層[2] 。從材料屬性看，含瓦斯煤是煤巖–瓦斯二相介質(zhì)復(fù)合材料。在外荷載作用下，含瓦斯煤中的氣相介質(zhì)和固相介質(zhì)互相影響、耦合作用，導(dǎo)致含瓦斯煤的吸附、解吸、滲流、力學(xué)強(qiáng)度等特性十分復(fù)雜[3] 。工程中，開采高壓含瓦斯煤層易引發(fā)煤與瓦斯突出甚至爆炸[4] 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國全國高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量約占生產(chǎn)礦井總量的20%左右，隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的逐年增大，煤與瓦斯突出已成為制約煤炭安全開采的主要災(zāi)害[5] 。

　　目前，煤與瓦斯突出防控主要采用工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析方法，而煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理和機(jī)制仍處于研究階段[6–8] 。近年來，隨著信息傳感和采集技術(shù)的發(fā)展，模型試驗(yàn)法成為煤與瓦斯突出機(jī)理研究的重要方法，得到了普遍重視和快速發(fā)展[9–11] 。巖石類相似材料的配制和選取是深部地下工程模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提，合理的相似材料物理力學(xué)屬性是模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的根本保證[12] 。

　　針對(duì)巖石類相似材料的研制，以往學(xué)者進(jìn)行了大量研究。例如，張強(qiáng)勇[13] 、寧奕冰[14]等研發(fā)了以鐵粉、重晶石粉、石英砂為骨料，以松香、酒精為膠結(jié)劑的“鐵精砂膠”巖石相似材料，實(shí)現(xiàn)了彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)定量調(diào)控。“鐵精砂膠” 巖石相似材料基本覆蓋了低強(qiáng)度和中等強(qiáng)度的巖體[15] 。在此基礎(chǔ)上，多種特殊性質(zhì)的相似材料逐步研發(fā)成功，如流固耦合相似材料[16] 、具有流變特性的軟巖相似材料[17] 、隔水層相似材料[18]等。這些相似材料在隧道工程、礦山工程、水利工程相似模擬試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。

　　相似材料研發(fā)的理論基礎(chǔ)是相似理論和與之匹配的相似準(zhǔn)則，具有多孔特性和固氣耦合特性的含瓦斯煤相似材料與常規(guī)巖石類相似材料具有顯著差異。王漢鵬[19] 、程衛(wèi)民[20] 、李樹剛[21]等相繼研發(fā)了用于模擬煤巖的相似材料，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖多孔特性的模擬，但相似材料的主要力學(xué)參數(shù)如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等仍需進(jìn)一步定量化研究。并且，含瓦斯煤是固相、氣相耦合共存的二相介質(zhì)材料，以往研究主要針對(duì)煤巖(固相)的相似性而往往忽視瓦斯(氣相)的相似性，也未考慮兩者的耦合作用。因此，作者在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，基于固氣耦合相似準(zhǔn)則，通過配比試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，研發(fā)了固氣耦合的煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料，分析了其物理力學(xué)特性，并基于新材料進(jìn)行了3維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)，得到了典型的煤與瓦斯突出試驗(yàn)現(xiàn)象。

　　1 相似材料的研制

　　1.1 相似模型及相似準(zhǔn)則

　　目前，已有眾多學(xué)者提出多種煤與瓦斯突出機(jī)理假說，但大多數(shù)模型未給出具體的物理方程或者參數(shù)意義不全面，不利于相似材料與真實(shí)含瓦斯煤之間的相似準(zhǔn)則推導(dǎo)。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)提出了煤與瓦斯突出能量的定量計(jì)算模型，見式(1)～(5) [22] 。該模型能夠定量描述地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下含瓦斯煤孕育、突出機(jī)制，模型參數(shù)意義明確，被工程廣泛應(yīng)用。

　　式中：E為煤體的彈性模量，MPa;µ為泊松比;c為內(nèi)聚力，MPa; 為內(nèi)摩擦角，°; 為地應(yīng)力，MPa;n為孔隙率;ρ為密度，t/m3 ;v為煤粉涌出速度，m/s; 為大氣壓力，MPa; 為瓦斯壓力，MPa;η為比例系數(shù)，表征吸附態(tài)瓦斯對(duì)煤的破壞作用;ξ為煤體破碎功比例系數(shù); 為能量釋放區(qū)半徑，m; 為計(jì)算過程中產(chǎn)生的變量，m; 為巷道斷面半徑，m; 為能量釋放區(qū)體積，m 3 ;k為計(jì)算參量。

　　根據(jù)相似原理量綱分析法，基于式(1)～(5)可推導(dǎo)相似材料物理參數(shù)的相似關(guān)系，見式(6) [23] 。式中，C為相似比尺， 為應(yīng)力比尺， 為幾何比尺，為容重比尺，為瓦斯壓力比尺， 為孔隙率比尺， 為吸附態(tài)瓦斯作用的比尺， 為彈性模量比尺， 為內(nèi)聚力比尺， 為泊松比比尺， 為內(nèi)摩擦角比尺。

　　由式(6)可以看出，煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則不僅規(guī)定了與煤巖(固相)參數(shù)有關(guān)的相似比尺，也同時(shí)規(guī)定了與瓦斯(氣相)參數(shù)有關(guān)的相似比尺，符合煤與瓦斯突出固氣耦合特征，基于此，進(jìn)行煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料配比試驗(yàn)。

　　相似準(zhǔn)則中，與煤巖有關(guān)的參數(shù)是容重γ、孔隙率n、彈性模量E、泊松比µ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角 ;與瓦斯有關(guān)的參數(shù)是瓦斯壓力p、表征吸附態(tài)瓦斯作用的 η;這些參數(shù)意義明確，有利于控制相似材料與真實(shí)含瓦斯煤之間的相似關(guān)系。下面分別對(duì)固相和氣相介質(zhì)進(jìn)行相似參數(shù)配比試驗(yàn)。

　　1.2 煤巖相似材料與試樣制備

　　煤巖相似材料一般由骨料和膠結(jié)劑組成。原材料選擇以滿足相似準(zhǔn)則要求(式(6))為前提，主要依據(jù)以下4點(diǎn)：1)原材料應(yīng)具有孔隙結(jié)構(gòu)，包括納米級(jí)的小孔、中孔，孔隙率要與原煤一致;2)原材料應(yīng)具有良好的吸附特性，對(duì)瓦斯的吸附能力與原煤一致; 3)原材料容重與原煤接近;4)原材料取材方便，無毒副作用。鑒于以上4點(diǎn)，本文選擇煤粉作為骨料，骨料的粒徑(Φ)分布為 [19] ，其中，表示煤粉粒徑為1～3 mm(包含1 mm)，表示煤粉粒徑為0～1 mm(不包含1 mm)。

　　膠結(jié)劑不僅直接影響相似材料強(qiáng)度，而且顯著影響煤的吸附性，是煤巖相似材料配比的關(guān)鍵。針對(duì)這一特點(diǎn)，依據(jù)《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法(GB/T 19560—2014)》進(jìn)行了不同膠結(jié)劑成份(普通硅酸鹽水泥、松香、硅酸鈉、腐殖酸鈉)的吸附性試驗(yàn)，得到膠結(jié)劑對(duì)型煤吸附性的影響，如圖1所示。由圖1可知，水泥、松香、硅酸鈉等都嚴(yán)重降低了相似材料的吸附性，僅腐植酸鈉水溶液作為膠結(jié)劑的相似材料具有很好的吸附性。因此，選用腐植酸鈉水溶液作為膠結(jié)劑。

　　根據(jù)相似準(zhǔn)則(式(6))，煤巖相似材料要測(cè)定的參數(shù)有容重γ、孔隙率n、彈性模量E、泊松比µ、內(nèi)聚力 c、內(nèi)摩擦角 ，共6個(gè)參數(shù)，制備的試樣要保證這6個(gè)參數(shù)均能測(cè)定。因此，制備了尺寸(直徑×高度)為 50 mm×100 mm的圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)試件和61.8 mm×20 mm 的圓餅狀試件，前者用于單軸壓縮試驗(yàn)，后者用于直剪試驗(yàn)。相似材料試件如圖2所示。

　　1.3 瓦斯相似材料與試樣制備

　　CH4是一種易燃易爆氣體，由于大尺度煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)中CH4用量大，若試驗(yàn)操作不當(dāng)或瓦斯泄漏將造成嚴(yán)重后果。因此，研究人員一直采用 CO2或者N2代替CH4。研究表明，煤對(duì)CO2的吸附能力是CH4的2倍以上;相反，煤對(duì)N2的吸附能力則遠(yuǎn)低于 CH4 [24] 。因此，單一的CO2和N2并非CH4的相似氣體。研制符合相似準(zhǔn)則的瓦斯相似氣體十分必要。根據(jù)式(2)，相似準(zhǔn)則中與瓦斯有關(guān)的參數(shù)有瓦斯壓力p、表征吸附態(tài)瓦斯作用的系數(shù)η，相似氣體應(yīng)確保這2 項(xiàng)參數(shù)相似。

　　吸附態(tài)瓦斯在煤與瓦斯突出過程中具有重要作用，吸附態(tài)瓦斯的解吸可促使煤與瓦斯突出的進(jìn)一步發(fā)展。為表征這一重要作用，蔣承林等提出了瓦斯膨脹能理論[25] ，作者將瓦斯膨脹能 作為表征吸附態(tài)瓦斯作用的控制性參數(shù)。

　　在文獻(xiàn)[24]基礎(chǔ)上，選用CO2和N2的二元混合氣體作為相似氣體，重點(diǎn)研究兩者的配比關(guān)系。選用 CO2體積分?jǐn)?shù)分別為20%、40%、60%、80%的4種梯度氣體作為試驗(yàn)樣品(以下簡稱氣體1、2、3、4)。

　　1.4 試驗(yàn)方案與測(cè)試

　　文獻(xiàn)[19]指出，試樣成型壓力對(duì)相似材料容重起主控作用，15 MPa時(shí)相似材料容重和孔隙率與原煤接近，因此，將試樣的成型壓力設(shè)定為15 MPa。膠結(jié)劑濃度對(duì)相似材料力學(xué)性質(zhì)起主控作用，將膠結(jié)劑濃度設(shè)置為6個(gè)梯度進(jìn)行配比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1、 2所示。

　　力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)前，采用稱量法測(cè)量試樣的容重γ、孔隙率n;力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，使用Φ50 mm×100 mm的圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得彈性模量E、泊松比µ，如圖3(a)所示;使用Φ61.8 mm×20 mm的圓餅狀試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)得內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角，如圖3(b)所示。力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)后，將試樣回收，對(duì)殘存煤樣破碎，進(jìn)行瓦斯膨脹能試驗(yàn)，測(cè)得瓦斯膨脹能，如圖3(c)所示。

　　2.1 固相參數(shù)測(cè)試結(jié)果與分析

　　由力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)可以得到煤巖相似材料在各配比下的力學(xué)參數(shù)，如表3所示。由表3可以看出，該相似材料單軸抗壓強(qiáng)度分布范圍是0.55～2.70 MPa，彈性模量在19～298 MPa之間，泊松比在0.31左右，內(nèi)聚力分布于0.05～0.18 MPa之間，內(nèi)摩擦角在27°～32° 之間。可見，膠結(jié)劑濃度對(duì)煤巖相似材料力學(xué)性質(zhì)起到了動(dòng)態(tài)調(diào)控作用。

　　總體而言，力學(xué)參數(shù)中，單軸抗壓強(qiáng)度 、彈性模量E、內(nèi)聚力c受膠結(jié)劑濃度影響敏感性較強(qiáng)，三者均隨膠結(jié)劑濃度增大而增強(qiáng)，如圖4所示;泊松比µ、內(nèi)摩擦角受膠結(jié)劑濃度影響敏感性弱，如圖5所示。

　　2.2 氣相參數(shù)測(cè)試結(jié)果與分析

　　基于文獻(xiàn)[23]的理論和方法，采用初始瓦斯膨脹能測(cè)定儀測(cè)定了甲烷及氣體1～4的膨脹能，得出的膨脹能曲線如圖6所示。可見，瓦斯膨脹能介于氣體 1～4之間，表明采用CO2和N2混合的二元混合氣體作為甲烷相似氣體是可行的。

　　圖6表明，氣體膨脹能和氣體平衡壓力成正比，當(dāng)平衡壓力一定時(shí)，氣體膨脹能由比例系數(shù)k唯一確定，如式(7)所示：

　　式中： Wp為初始?xì)怏w膨脹能，mJ/g;k為比例系數(shù)， mJ/g·MPa;p平為氣體平衡壓力，MPa。

　　氣體膨脹能比例系數(shù)k和CO2體積分?jǐn)?shù)x呈二次函數(shù)關(guān)系，k=280x 2 –52.2x+90.25，如圖7所示，擬合優(yōu)度99%。據(jù)此，可以計(jì)算得出與甲烷膨脹能接近的混合氣體配比是二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為45%的混合氣體。

　　2.3 相似材料與原煤對(duì)比

　　為便于對(duì)比煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料與原煤的相似性，將某礦含瓦斯原煤的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇幾何比尺為1/30和1/20，并按照式(6)進(jìn)行換算，詳細(xì)的力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。原煤和相似材料的單軸壓縮曲線如圖8(a)、(b)所示。

　　由表4和圖8可知，計(jì)算出的相似材參數(shù)值基本包含在本文研究的相似材料范圍內(nèi)，說明相似材料具有良好的代表性和通用性。

　　3 3維煤與瓦斯突出模型試驗(yàn)

　　淮南礦區(qū)某礦在石門掘進(jìn)作業(yè)時(shí)曾發(fā)生典型的煤與瓦斯突出事件，突出煤巖量約650 T，瓦斯量約 12 000 m3 。以該事件為原型進(jìn)行3維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?.7 m×0.7 m×1.3 m，幾何比尺 CL=1/30，應(yīng)力比尺、氣體壓力比尺等按照式(6)計(jì)算。模型中，煤層厚度0.13 m，傾角30°。模型前側(cè)、底側(cè)、左側(cè)為固定邊界，后側(cè)、頂側(cè)、右側(cè)為應(yīng)力邊界，試驗(yàn)裝置如圖9(a)所示，煤層賦存情況如圖9(b)所示。采用液壓油缸施加應(yīng)力，應(yīng)力值分別為0.39、0.39、0.26 MPa。氣體壓力1.1 MPa。

　　試驗(yàn)材料采用本文研發(fā)的煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料。煤層頂板和底板巖體的相似材料采用“鐵精砂膠”巖石相似材料，其力學(xué)參數(shù)如表5所示。

　　試驗(yàn)時(shí)，首先開啟試驗(yàn)裝置頂蓋結(jié)構(gòu);接著，根據(jù)材料配比和制作方案澆制試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ蜐仓茣r(shí)同步埋設(shè)傳感器;試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱魍瓿桑涑浞指稍锖蠹由w裝置的頂蓋結(jié)構(gòu)并進(jìn)行密封;然后，對(duì)模型抽真空6 h，氣壓穩(wěn)定后，緩慢充入1.1 MPa相似氣體，氣體充填時(shí)間持續(xù)24 h;隨后，采用液壓油缸在模型的邊界施加三向應(yīng)力;最后，利用小型巷道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道，巷道斷面尺寸為13.3 cm，巷道掘進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、壓力等參量，直至發(fā)生煤與瓦斯突出。

　　當(dāng)巷道掘進(jìn)至49.1 cm時(shí)，即掘進(jìn)工作面至煤層水平距離約3.0 cm，大量粉煤和氣體突然噴出工作面，并伴有聲響，如圖10所示。視頻顯示煤與瓦斯突出過程持續(xù)約4.36 s。噴出的碎塊中有小塊圍巖和大量粉煤，最大噴射距離約16 m，具有一定的分選性[26] 。

　　突出孔洞具有“口小腔大”的特點(diǎn)。突出煤巖體總質(zhì)量24.5 kg，根據(jù)相似準(zhǔn)則折合現(xiàn)場(chǎng)煤體質(zhì)量約 661 T。原型試件中實(shí)際突出煤巖體質(zhì)量650 T，孔洞形態(tài)和突出煤粉質(zhì)量均與事故原型特征相吻合。驗(yàn)證了相似材料的合理性。

　　4 結(jié)　論

　　1)相似準(zhǔn)則是相似材料研發(fā)的理論基礎(chǔ)，基于煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則，考慮含瓦斯煤多孔特性和固氣耦合特性，研發(fā)了煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料。

　　2)膠結(jié)劑是含瓦斯煤相似材料物理力學(xué)特性的主控因素，腐殖酸鈉水溶液濃度大小能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控煤巖相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力等參數(shù)，可通過調(diào)節(jié)膠結(jié)劑濃度研制不同力學(xué)屬性的煤巖，且不影響其吸附性。

　　3)一定比例的CO2和N2混合氣體可以作為CH4 的相似氣體，且相似氣體安全穩(wěn)定，避免了CH4易燃易爆的威脅，能夠充分保證試驗(yàn)安全。

　　4)借助煤巖–瓦斯二相介質(zhì)相似材料，進(jìn)行了煤與瓦斯突出3維物理模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)了石門揭煤引發(fā)煤與瓦斯突出現(xiàn)象，驗(yàn)證了相似材料的合理性。

　　5)進(jìn)行的煤與瓦斯突出3維物理模擬試驗(yàn)可重點(diǎn)監(jiān)測(cè)突出前兆信息和敏感指標(biāo)，為下一步研究煤與瓦斯突出預(yù)警防控提供科學(xué)手段。