[发明专利]一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验系统及方法

权利要求书

1.一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验方法，其特征在于：包括如下五个步骤：

S1复合煤层的制备与瓦斯的吸附平衡：为模拟井下软硬复合煤层实际赋存情况，煤样由上、下硬煤，中间夹杂为软煤压制而成，将压制成型的复合煤样放入实验装置内，在确保良好密封条件下，充入高压甲烷气体，并使煤样达到吸附平衡状态；

S2液压控制系统的调控与突出的诱发：通过控制线路对液压组件进行调控，增加煤样围压与轴压，改变煤样上方应力的分布状态，模拟地层在掘进过程发生的应力集中现象，进而诱发煤与瓦斯突出的产生；

S3声发射与应力-应变的实时监测：利用声发射和应力-应变传感器对受轴压、围压作用下复合煤层的孔隙裂隙产生、扩展以及应力-应变情况进行实时监测，并通过数据采集系统将其记录和保存；

S4煤与瓦斯突出后的监测监控：随着上覆煤层所受应力的变化，煤层左侧的爆破片发生破坏，大量游离瓦斯和破碎煤粉涌出实验装置，导致煤与瓦斯突出的发生，利用瓦斯传感器、粉尘传感器以及高速摄像机对突出管路中的瓦斯/煤尘浓度、流量以及突出影像进行全程监测监控；

S5突出孔洞形态的观察与分析：待突出发生结束后，观察突出孔洞形态、孔洞体积以及突出煤体的分选情况，并与井下实际发生突出后的事故报告进行对比与分析；

所述的一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验方法所使用的实验系统，包括复合煤层、液压组件、补气容器、瓦斯流量控制器、补气分支管路、控制线路、透气板、爆破片、突出管路、数据采集系统、压力传感器和粉尘传感器，由硬煤-软煤-硬煤组成的复合煤层安放在整个实验系统的中心位置，复合煤层由内至外分别布置有为突出发生后进行补气的透气板、补气分支管路和补气容器，其中在补气分支管路和补气容器之间安装有用于提供轴压和围压的液压组件，通过声发射和应力-应变监测系统对复合煤层在突出孕育、发生和发展过程中的孔隙裂隙产生、扩展以及应力-应变情况进行实时监测，利用瓦斯传感器、粉尘传感器以及高速摄像机对突出发生后突出管路中的瓦斯/煤尘浓度、流量以及突出影像进行全程监测监控，并在突出结束后，观察突出孔洞形态、孔洞体积以及突出煤体的分选情况。

2.根据权利要求1所述的一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验方法，其特征在于，在步骤S2中的液压控制系统的调控与突出的诱发包括如下步骤：

S21利用控制线路调控液压组件的伸缩状态，增加煤样所受的围压和轴压；

S22为模拟掘进过程中应力集中诱发煤与瓦斯突出，在保持轴压不变的情况下，调整煤样上方液压组件的伸缩状态，使煤样上方受到以中间应力集中、前后保持原始应力的“凸”字形应力分布；

S23在应力集中条件下，煤样中产生新的孔隙-裂隙，大量吸附态瓦斯发生解吸，转变为游离瓦斯，增加了受限空间内瓦斯压力，为诱发复合煤层中软分层发生突出提供动力条件。

3.根据权利要求1所述的一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验方法，其特征在于，在步骤S4中的煤与瓦斯突出后的监测监控包括如下步骤：

S41随着上覆煤层所受应力的变化，当应力集中现象逐渐向软分层厚度突然增加的区域推进时，由于软分层厚度增加，使得所处区域煤体抗压强度降低，在应力集中的作用下，煤体内部结构发生破坏，进而为诱发煤与瓦斯突出的产生提供强度条件；

S42在大量瓦斯解吸提供动力条件和软分层厚度突然增加提供强度条件的基础上，爆破片破碎、煤与瓦斯突出产生，大量游离瓦斯和破碎煤体从突出管路中喷出；

S43为了模拟周围煤岩体为突出的发生提供高压瓦斯，以保证突出能够持续发生和发展，通过控制线路控制瓦斯流量控制器，将补气容器中的高压瓦斯经补气分支管路和透气板均匀、持续地输送至复合煤层。