[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

说明书

本发明公开了一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验系统及方法，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，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，补气分支管路与补气容器之间安装有模拟应力不均匀分布而产生应力集中的液压组件；在补气装置提供动力条件和软分层提供强度条件的作用下诱发煤与瓦斯突出的孕育、发生和发展。该方法更加真实地反演了井下在应力集中与邻近煤层提供瓦斯来源的基础上诱发煤与瓦斯突出的全过程，为进一步开展复合煤层的煤与瓦斯突出研究提供一定的数据支撑和理论依据。

技术领域

本发明属于煤矿自然灾害中的煤与瓦斯突出领域，具体涉及一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验系统及方法。

背景技术

随着浅部煤炭资源日趋开采殆尽，煤炭资源逐步进入深部开采阶段，伴随着更加复杂的地质条件，导致潜在危险性逐步增加，矿井灾害发生的频次和伤亡事故起数亦趋于增多。其中煤与瓦斯突出事故最为常见，且极易因大量高浓度瓦斯和煤尘的产生引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸等二次事故的发生，严重影响着矿井正常的安全生产，威胁着井下作业人员的生命健康。

煤与瓦斯突出的发生并不是平白无故产生、无规律可寻的，一般容易发生在软硬复合煤层中软分层厚度突增的区域。受地质构造作用的影响，煤层中部的煤体在地壳运动、挤压滑移过程中变为构造煤，最终在煤层自上而下形成硬煤-软煤-硬煤的垂向分布特征。在煤层采掘过程中，由于软分层突然增加，且软分层的抗压、抗拉以及抗剪切能力均较小，使得煤层整体抗破坏强度下降。应力集中现象主要发生在掘进工作面前方，随着井下掘进作业的进行，其上方应力集中现象也随之向掘进工作面前方推进，当应力集中推移至软分层突增区域，由于煤体结构强度的降低，导致煤体发生破坏、大量吸附态瓦斯被解吸出来，形成高压瓦斯区；随着掘进工作的持续推进，当掘进至软分层突增区域时，煤体结构发生失稳破坏，诱发煤与瓦斯突出的发生，大量游离瓦斯和破碎煤块/粉涌向掘进工作面。因此，开展对软硬复合煤层的煤与瓦斯的研究、探索其发生-发展的客观规律具有一定的必要性和紧迫性。通过在实验室开展相关试验是一种快捷且重要的研究手段，然而目前开展的试验中仍存在一些不足，部分影响因素并未被充分考虑。例如由于受采动影响，在工作面前方发生应力集中现象对诱发软分层突出的影响；在突出发生后，煤体四周煤岩体和后方煤层发生瓦斯解吸为突出的发生提供动力，以及突出后对周围煤岩体发生膨胀变形的影响。因此，亟待开展考虑相关因素对复合煤层煤与瓦斯突出的实验研究，为进一步为系统地开展理论分析提供有力的支撑。

发明内容

针对上述现有问题，本发明提出了一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验系统及方法，更加真实地反映井下煤与瓦斯突出的发生过程，掌握其发生、发展的客观规律，为预防事故的发生提供有力的理论依据。

为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：

本方案提供的一种软硬复合煤层的煤与瓦斯突出实验方法，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；