基于固—氣耦合物理相似模擬的實驗裝置研究*

肖 鵬，李樹剛，林海飛，趙鵬翔

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054;2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054)

0 引言

相似模擬實驗技術適用于難以用理論分析方法獲取結果的研究領域，同時也可以對理論研究的結果進行分析和比較［1－2］。通過采用物理相似模擬實驗研究煤巖體破壞、移動規律、變性特征及裂隙演化過程，能夠反映現場實際問題特征［3－6］。

目前，用于相似模擬研究采場上覆巖體破斷、移動規律及裂隙發育規律常采用前后不受力的平面單相應力模型［7－11］，模擬的巖層在實驗中存在一定的變形量，但不能對巖體裂隙動態變化做到精確定位。國內學者林柏泉［12］、趙陽升［13］等人對煤巖塊的滲透率進行了實驗室測定研究，張天軍［14］、王芝銀等人利用實驗分析了煤巖類型及全應力應變過程中煤樣的滲透率規律及其影響。但由于煤層采動卸壓后，煤巖體發生變形、移動、卸壓，產生大量再生裂隙，改變了煤巖體原始的孔隙度和滲透率，造成煤巖體的滲透率發生動態變化。因此，對煤巖塊滲透性的測定不能完全反映煤巖整體滲透率的變化規律。

為了研究采動影響下上覆巖體產生裂隙后滲透率的變化規律及分布特征，自主研制了采動裂隙與卸壓瓦斯固氣耦合物理相似模擬實驗臺，解決了實驗裝置中開采系統和測試系統的關鍵技術，同時實現完全封閉狀態下煤層的開采和滲透率的測定，為研究煤巖體滲透率變化規律及分布特征提供實驗依據。

1 固氣耦合物理相似模擬實驗臺構成

固氣耦合物理相似模擬實驗臺由4部分構成，煤層開采系統、充氣系統、滲透率測試系統及實驗模型箱體。實驗箱體框架由10 mm厚的鋼材焊制而成，尺寸為1 600 mm×1 250 mm×200 mm，前表面為30 mm厚的有機玻璃板，用于觀察模型的鋪設和實驗過程中采動裂隙發育、發展情況，后表面由3塊鋼板組合而成，頂蓋可以拆卸。經密封充氣測試，實驗箱體密閉較好，可承受2 MPa壓力。

實驗箱體共布置64個孔，前、后表面各32個，分4行，每行8個，采用對孔布置。前表面的孔口為進氣孔，后表面的孔口為測試孔。實驗臺的設備儀器包括空氣壓縮機、分路器、儲氣罐、壓力表、皂泡流量計及管路，可以在煤層開采時實現一路或多路管路進氣。通過測量不同推進距條件下各測試孔的滲流速度，研究采動影響下覆巖滲透率的變化規律及分布特征。固氣耦合相似模擬實驗系統如圖1所示。

2 固氣耦合相似模擬實驗臺關鍵技術

2.1 開采系統

密閉箱體內的煤層開采技術是實現固氣耦合模擬實驗的關鍵技術之一，既能模擬煤層開采，還要使所充入的氣體不發生大量泄露。在設計煤層開采系統時，選取大量的方法進行實驗，如利用氣囊、石蠟、沙漏等，實驗結果都不是很理想。最終確定的實驗臺煤層模擬開采裝置如圖2所示。

圖1 固氣耦合相似模擬實驗系統Fig.1 System of gas-solid coupling similar simulation experiment

圖2 煤層模擬開采裝置Fig.2 Simulation device of coal mining

煤層開采系統由鐵盒、枕木、螺桿3部分組成。在實驗箱體鋪設模型前，先用螺桿將鐵盒升至模擬煤層的高度。在實驗過程中，通過螺桿旋轉引導鐵盒下降模擬煤層的開采。枕木在整個開采系統中用來穩定鐵盒，防止在鋪設模型及開采過程中鐵盒晃動。煤層開采系統設計的推進距離每次5 cm，采高可以根據模擬實驗的需要進行調節，最大可達5 cm.

2.2 充氣系統

充氣系統采用空氣壓縮機作為動力氣源，將具有恒定壓力的壓縮空氣充入儲氣罐內，通過調節空氣壓縮機的平衡閥使儲氣罐內的壓力恒定后再輸入相似模型，從而模擬高壓瓦斯氣體滲流的過程。充氣管路采用高壓橡膠管與儲氣罐連接，用截止閥控制進氣孔口的數量，可以實現1～4條管路同時充氣。高壓橡膠管與進氣孔采用直通管連接，如圖3所示，有機玻璃板上的進氣孔為內螺紋孔，可以通過纏繞生膠帶保證充入氣體不會從進氣孔接口處泄露。

為了在實驗過程中能夠觀察各測試孔滲流速度的變化情況，需對原始狀態下的模型進行氣體流速標定，將結果作為實驗初始數據。模型標定完成后，再開始進行固氣耦合模擬實驗，隨著工作面不斷推進，對模型各進氣孔充氣，記錄各測試孔滲流速度。

圖3 充氣管道與箱體進氣孔連接方式Fig.3 Attended mode of pneumatic tube and box

2.3 滲透率測定系統

固氣耦合物理相似模擬實驗的滲透率測定系統結構如圖4所示。固氣耦合物理相似模擬實驗的滲透率測試系統主要測定各進氣孔充入氣體的壓力和各測試孔氣體的流速。后表面測試孔直接與皂泡流量計相連，其余測試孔采用橡膠塞封閉。為了減少誤差，每個測試孔測量的時間記錄5組數據，取其平均值。每次對模型充氣前，都要預先打開儲氣罐，連接相應截止閥，待儲氣罐內的氣體壓力恒定后，開始對模型充氣。

2.4 實驗方法

每開采一定的距離后，開始對進氣孔充氣，測量各測試孔的滲流速度。當開采影響范圍內有2個的進氣孔時，在同一推進距離下，分別對2個進氣孔充氣，測量各測試孔的滲流速度。通過測定氣體通過模擬巖層后流過規定量程的時間，計算滲流速度。實驗結束后將通過實驗得到的壓力、流速等各項參數代入公式計算該孔所在巖層的滲透率。

圖4 相似模擬實驗滲透率測定系統Fig.4 System of permeability measured in similar simulation experiment

在煤層開采過程中，煤巖體的滲透率是一個動態變化過程。煤層每開采一段距離后，對采動影響范圍內的測試孔進行測量，觀察不同開采距離時滲流速度的變化情況，從而得到采動影響下上覆煤巖體滲透率的變化規律。當模擬實驗結束后，待上覆煤巖體移動變形穩定，對模型所有測試孔進行測試，可得到采動卸壓后的滲透率分布特征。

3 固氣耦合物理相似實驗模型

實驗以山西某礦綜放面為原型。工作面煤厚4.05 ～4.86 m，平均為 4.5 m，傾角 3°～15°，平均為7°，設計走向長度1 435 m，傾斜長180 m.基本頂為中砂巖，厚度4.9 ～15.82 m，平均 9.20 m.直接頂為泥巖，厚度2.38 ～3.2 m，平均2.79 m，煤巖層物理力學性質見表1.

表1 原型煤巖層的物理力學性質Tab.1 Physical and mechanical properties of coal and rock

實驗沿煤層走向鋪設模型。根據實驗臺尺寸與實際煤巖厚度相比較，按實驗要求選擇確定模型幾何相似常數、時間相似常數和容重相似常數，應力相似常數、強度相似常數及滲透系數相似常數則根據相似定理進行計算確定，最終得到模型的相似常數及巖層物理力學性質見表2.

表2 綜放面模型相似常數Tab.2 Similar constants of fully-mechanized top-coal caving face model

4 固氣耦合物理相似模擬實驗臺可行性驗證

4.1 模擬實驗現象

工作面推進20 m時，頂板巖層出現離層，且縱向出現細微的破斷裂縫，離層裂隙寬度0.2 m，離層最大高度距煤層頂板1 m，如圖5所示。工作面推進25 m時，直接頂開始分層垮落，垮落高度0.7 m，頂板巖層破斷位于巖層中部，此時頂板離層發展，最大離層裂隙高度距煤層頂板3 m.隨著直接頂的初次垮落，大量的破斷裂隙在工作面兩端出現，與離層裂隙相互溝通。工作面推進30 m時，頂板離層裂隙繼續發展，最大離層裂隙高度距煤層頂板4.5 m，未垮落巖層中部產生破斷裂隙。工作面推進到33 m時，直接頂第二巖層垮落，第四巖層離層裂隙高度增加，且破斷裂隙明顯。工作面推進到37 m時，頂板第四巖層垮落，離層裂隙向上發育。當工作面推進42 m時，基本頂垮落，出現初次來壓，垮落高度距煤層頂板10.5 m，巖梁長為25 m，空洞高度距煤層頂板13 m，最高離層距煤層頂板17 m處，離層寬度1.2 m.工作面向前推進到46 m時，上覆巖層彎曲下沉，空洞間距變小，離層裂隙高度增加，有向上發展趨勢，工作面繼續向前推進，頂板裂隙繼續發展。當工作面推進到50 m時，發生第1次周期來壓，來壓步距8 m，此時覆巖垮落高度距煤層頂板14 m，裂隙最高發展到距煤層頂板24.5 m，如圖6所示。

圖5 直接頂離層裂隙Fig.5 Bed-separated fissures of immediate roof

隨著工作面的推進，離層裂隙不斷向上部發展，頂板出現周期性垮落，周期破斷步距平均約為11 m，工作面后方的裂隙不斷的經歷著不發育、發育豐富、裂隙壓實3個階段。

圖6 第一次周期來壓Fig.6 The first periodic pressure

表3 相似模擬實驗過程數據Tab.3 Data of similar simulation experiment

從實驗過程可以看出，利用固—氣耦合物理相似模擬實驗臺進行模擬實驗，可以觀察到煤巖體變形、移動及離層裂隙和破斷裂隙的發育過程，得到上覆巖層采動裂隙發育規律，同時在開采過程中測量箱體內氣壓較原始壓力下降0.3% ～0.7%，變化及其微小，可以說明該實驗臺能夠實現密封條件下的煤層開采。

4.2 滲透率測試實驗理論驗證

為了驗證實驗箱體內的氣體在通過巖層時的流動規律是否符合達西定律，只要通過測量出口氣體流量和氣體壓力，作出回歸擬合曲線，反映出流量與壓力平方差線性相關，則可認為氣體在巖層中的流動規律符合達西定律。通過對實驗測試數據結果進行一元線性回歸分析，以測點的出口流量為縱坐標，氣體入口壓力平方和出口壓力平方差，即p－p為橫坐標，繪制各測點出口氣體流量與壓力平方差的回歸擬合曲線。

首先測量模型在原始狀態下的各項參數。為了保證測試結果的可靠性，實驗選擇6個測點進行測試，如圖7所示。

圖7 原始狀態下氣體流量與壓力平方差回歸擬合曲線Fig.7 Regression curve of gas flow and pressure squares in virgin state

從圖7可以看出:①實測通過巖層的氣體流量與進出口壓力平方差線性相關，其各回歸擬合曲線的相關系數分別為0.965 2，0.993 2，0.947 2，0.995 9，0.999，0.980 6，均接近 1，相關性較好;②測得通過模型的氣體在6個測點的出口流量與壓力平方差存在線性關系，說明在煤層開采前，該實驗箱體內充入的氣體通過巖層的流動規律符合達西定律。

當模型中的煤層開采結束后，待巖層穩定，再一次對6個測點的相關參數進行測量，繪制的一元回歸擬合曲線如圖8所示。各擬合曲線的相關系數分別為 0.957 7，0.953 4，0.982 2，0.953 3，0.991 4，0.998 6，也均接近 1，相關性較好。

從圖8中可以看出，在煤層開采結束，待上覆巖層移動穩定后，通過模型的氣體在該6個測點的出口流量與壓力平方差存在線性關系，證明了在實驗箱體中，通過覆巖的氣體流動規律符合達西定律，可用達西定律作為計算依據。

圖8 煤層開采后氣體流量與壓力平方差回歸擬合曲線Fig.8 Regression curve of gas flow and pressure squares after mining

實驗表明，實驗箱體內充入的氣體無論是煤層未開采前的原始狀態下，還是在煤層完全開采結束后覆巖體卸壓狀態下，通過模型的氣體流量和氣體壓力平方差線性相關，均服從達西定律。因此，實驗可以利用達西定律來測定巖層的滲透率，從而研究覆巖體滲透率的變化規律和分布特征。

5 結論

1 )通過研制固氣耦合物理相似模擬實驗裝置，解決了耦合實驗中密閉條件下煤層開采系統和測試系統關鍵技術;

2 )通過進行物理相似模擬實驗，驗證了實驗裝置的可行性，為研究采動影響下煤巖體滲透率變化規律及分布特征提供實驗基礎，進而對研究采動裂隙場時空演化與卸壓瓦斯滲流耦合規律，確定科學、合理的抽采方法、有效防治瓦斯災害具有重要的指導意義。

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