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全球首次大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗成功新聞發布會召開

發表時間:2019-05-17   信息來源:淮南宣傳網   閱讀人次: 【字號:  

5月16日,中國工程院袁亮院士研究團隊發布消息,由該研究團隊開展的大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗在安徽淮南取得成功,這是全球首次在加載充氣保壓條件下進行的一次巷道掘進揭煤誘發煤與瓦斯突出模擬試驗,該實驗將為推動煤與瓦斯突出發生機理與規律研究、提升煤礦瓦斯災害防控水平起到巨大的推動作用。

  煤與瓦斯突出機理研究是災害防控的前提和關鍵,鑒于突出事故的巨大破壞性,長期以來,對煤與瓦斯突出機理研究僅停留于對事故資料的收集整理上,已經成為世界采礦界亟待突破的重大科學問題和工程技術難題。

  針對這些難題,袁亮院士研究團隊創新性提出采用全過程相似的物理模擬試驗,對煤與瓦斯突出機理進行研究,并提出研發科學有效的突出模擬試驗儀器,用以解決突出物理模擬的技術與儀器瓶頸,為揭示突出災害發生機理及規律提供公共試驗平臺。該研究得到了國家自然基金委資助,并于2014年8月獲批國家重大科研儀器研制項目。該項目由中國礦業大學、山東大學、淮南礦業集團共同承擔。

  項目研究以綜合假說和基礎理論為科學指導,綜合考慮地應力、瓦斯壓力、煤巖體特性和開挖施工過程等關鍵因素,形成了與煤礦現場高度相似的“六套基礎試驗儀器+多尺度模擬試驗系統”系統性科學試驗平臺。基于該平臺,研究團隊以煤礦典型突出事故為原型,開展了相似比尺為1:30的模擬試驗。歷時四年研究,2019年1月30日22時左右,在安徽淮南試驗成功。

  項目研究推導建立了煤與瓦斯突出相似模擬準則,突破了突出定量模擬難題;研發了煤巖瓦斯相似材料,提出了煤層高壓氣體“三層密封”方法,實現了煤層瓦斯賦存的真實模擬;提出了模塊化設計思想和獨創性儀器功能指標,研發了模型掘進及信息獲取一體化測控系統,形成了功能新穎、測控精準的系統性科學試驗平臺;創建模式化試驗模型制作方法與工藝,實現了試驗模型的高效、精準制作。

  該研究成果填補了吸附瓦斯煤巖特性試驗與突出全過程真實模擬的技術空白,為深入研究煤與瓦斯突出發生條件、掌握突出前兆信息規律、建立基于敏感指標的突出預測預警系統奠定了堅實基礎,對于推動煤炭安全開采具有深遠的意義。根據計劃,項目將于今年年底結題,研究團隊將繼續開展一系列后續試驗,進一步完善儀器系統功能參數,最終建成研究煤與瓦斯突出機理與規律的公共試驗平臺。

  附:新聞發布稿

全球首次大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗成功

新聞發布稿

  1、項目簡介

  本成果依托國家自然科學基金委員會資助的國家重大科研儀器研制項目,“用于揭示煤與瓦斯突出機理與規律的模擬試驗儀器”,研究期限從2015年1月至2019年12月。項目首席科學家為袁亮院士,參與單位有中國礦業大學、山東大學、淮南礦業集團。

  2、項目背景與立項依據

  能源是國家發展的命脈,而煤炭是我國的主體能源,目前煤礦普遍進入深部且高瓦斯礦井多,“煤礦重特大災害智能報警方法與技術”入選中國科協發布的60個重大科學問題和工程技術難題,煤與瓦斯突出預警防治更是亟待解決的世界性難題。

  煤與瓦斯突出是極其復雜的動力現象,其發生突然、伴隨大量煤粉和瓦斯氣體噴出,造成設備損毀、人員傷亡甚至引發瓦斯煤塵爆炸,危害巨大!要想杜絕突出事故,需要深入研究煤與瓦斯突出機理與規律,然而現場監測危險單一、理論模型難以建立、數值模擬困難重重,開展煤與瓦斯突出模擬試驗成為科學使用方法。

  本項目目標為研發世界上第一臺大型真三軸煤與瓦斯突出定量模擬科學儀器,為揭示突出災害發生機理及規律提供公共試驗平臺。

  3、項目成果與科學意義

  經過4年的深入研究,項目取得如下成果:

  1)構建了煤與瓦斯突出模擬相似準則、研發了煤巖體相似材料和瓦斯相似氣體,發展完善了煤與瓦斯突出相似體系,攻克了突出定量模擬難題;

  2)設計并研發了用于含瓦斯煤物理力學特性研究的基礎試驗儀器(可視化恒容固氣耦合試驗儀、環向位移測試系統、煤粒瓦斯放散測定儀、瓦斯膨脹能測定儀、相似材料滲透率測定儀、巖石三軸力學滲透測試儀),研發了與現場高度相似的多尺度煤與瓦斯突出定量模擬試驗系統(小尺度突出模擬試驗系統、中尺度突出模擬試驗系統、大尺度突出模擬試驗系統),研發了智能化“五大關鍵單元”(反力密封單元、應力加載單元、氣體充填單元、巷道開挖單元、信息獲取單元),構建了用于研究煤與瓦斯突出的系統性科學試驗平臺,填補了吸附瓦斯煤巖特性研究與突出全過程真實模擬的技術空白。

  3)提出了煤層高壓氣體“三層密封”方法、精細模型制作與精準試驗方法及技術工藝,世界上首次成功實現了巷道掘進揭煤誘發煤與瓦斯突出試驗模擬。

  試驗以淮南望峰崗礦“6.12”突出事故為原型,幾何相似比尺1:30,世界上首次成功實現了加氣保壓條件下巷道掘進揭煤誘發煤與瓦斯突出。突出現象震撼,在掌子面拱頂交界處產生了口小腔大的突出孔洞,與原型高度相似,并獲得了地應力、氣壓、溫度、聲發射等多物理量信息,試驗結果揭示了突出孕育過程圍巖瓦斯場分布規律,獲取了掌子面前方應力分布特征,揭示了突出發展階段煤巖破壞機制,為構建基于敏感指標的突出預警系統奠定了基礎。

  4)發表相關論文41篇,申請國家發明專利43項,其中發明專利31項,已授權26項,計算機軟件著作權1項。

  4、項目關鍵創新:

  項目在突出模擬涉及的理論、材料、儀器、技術、方法、工藝等多個方面取得突破,在相似理論、相似材料、儀器設計、功能技術、方法工藝等方面形成系統性創新。

  (1)相似理論創新

  基于煤與瓦斯突出能量模型、經典煤與瓦斯突出氣固耦合模型,推導建立了煤與瓦斯突出相似準則,為當前突出模型試驗的普遍做法(瓦斯壓力不折減、地應力折減)提供理論支撐;保證模型與原型能量條件相似,突破了定性模擬,實現定量模擬。

  (2)相似材料創新

  選用選用0-3mm粒度級配的煤粉為骨料,腐殖酸鈉水溶液為膠結劑,研發了高吸附含瓦斯煤相似材料。該材料具有如下特點:高吸附性,與構造煤物理力學性質相似,參數調節方便,可重復性利用,強度0.5-3MPa。該材料的研發解決了構造原煤獲取困難、參數不可調的問題;與構造原煤性質高度相似,實現了構造煤的真實模擬。

  選用鐵粉、重晶石粉、石英砂為骨料,特種水泥為膠結劑,水泥密封劑為添加劑,研發了特低滲巖石相似材料。該材料具有以下特點:與突出現場巖石的物理力學性質相似,參數調節方便,滲透率極低,可達0.001mD。該材料的研發突破了現有巖石相似材料滲透率偏高的問題,實現了對特低滲巖石的真實模擬。

  選用45%CO2和55%N2混合氣體作為甲烷的相似氣體,研發了本質安全型瓦斯相似氣體。該材料具有以下特點:與瓦斯高度相似,本質安全,穩定防爆,獲取方便。該材料的研發解決了試驗中瓦斯氣體易燃易爆帶來的安全問題,實現了對高危瓦斯氣體的安全模擬。

  (3)儀器功能創新

  考慮地應力、瓦斯壓力、煤巖體特性和動力擾動等突出影響因素,設計并研發了用于含瓦斯煤物理力學特性研究的基礎試驗儀器,儀器功能新穎、測控精準、操作便捷,克服了傳統儀器功能與數據獲取的局限,實現了特定條件下煤巖瓦斯特性的精準測控。

  以綜合假說和基礎理論為指導,研發了與現場高度相似的多尺度煤與瓦斯突出定量模擬試驗系統。其中,小尺度突出模擬試驗系統具有如下特點:模型尺寸Φ0.2×0.6m,可開展瞬間揭露致突試驗,試驗周期短,三要素可調;中尺度突出模擬試驗系統具有如下特點:模型尺寸0.75×0.75×1.3m,可開展石門掘進致突試驗,裝置傾角可調,具有配套自動化掘進系統;大尺度突出模擬試驗系統具有如下特點:模型尺寸1.5×1.5×3.0m,可開展石門掘進致突試驗,突出過程高度相似,數據采集全面。該試驗系統實現了多尺度煤與瓦斯突出定量模擬,滿足了不同尺度的試驗需求,克服了快速揭露“爆米花”式試驗方法的局限,實現了巷道開挖揭煤突出模擬。

  (4)功能技術創新

  基于模塊化設計思想,研發了功能新穎、技術指標明確的“五大關鍵單元”。反力密封單元實現了模型固氣(5MPa地應力+3MPa氣壓)耦合加載和引線密封;(太空艙0.1MPa漲壓,蛟龍號70MPa內壓);應力加載單元實現了多油路等比例同步伺服穩壓加載和卸載(真實模擬模型表面地應力加載);氣體充填單元實現了高壓瓦斯相似氣體自動保壓充填和大流量及時補充(模擬煤層瓦斯場);巷道開挖單元實現了模型巷道可視化智能掘進和自動排渣(模擬巷道開挖揭煤);信息獲取單元實現了突出瞬態過程中應力、氣壓、溫度、聲發射等多物理量信息的獲取融合(高速光纖光柵解調儀、微型高頻傳感器)。實現了模型試驗系統的“模塊化、智能化、便利化、定量化”。

  (5)方法工藝創新

  創新性提出通過“低強高粘氣體密封膠+低滲巖層材料+反力裝置”對高壓瓦斯煤層進行密封。攻克了高壓CO2腐蝕密封難題,成功將高壓氣體封在煤層內;實現了煤層瓦斯賦存的真實模擬。

  創新性提出采用“煤層預制+巖層現澆”的方法制作試驗模型,并完善了傳感器布設精細化試驗工藝。極大縮短試驗周期,單次試驗周期僅為7天(傳統工藝20~30天);實現了試驗模型的高效、精準制作。

  形成了模型巷道掘進控制和信息獲取融合的一體化測控系統,實現了透明掘進和數據可視化,為預警系統的建立奠定了基礎。

  5、展望與計劃

  (1)開展多尺度煤與瓦斯突出模型試驗,揭示煤與瓦斯突出發生條件、掌握突出前兆信息規律、建立基于敏感指標的突出預測預警系統。

  (2)研發“深部多場多相煤巖復合動力災害與防控試驗系統”,可施加靜態、振動、沖擊及爆炸復合疊加荷載,模擬煤與瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓等,研究煤巖動力災害預警防治方法。

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