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全球首次大尺度真三维煤与瓦斯突出物理模拟试验成功新闻发布会召开

发表时间:2019-05-17   极速3d来源:淮南宣传网   阅读人次: 【字号:  

5月16日,中国工程院袁亮院士研究团队发布消息,由该研究团队开展的大尺度真三维煤与瓦斯突出物理模拟试验在安徽淮南取得成功,这是全球首次在加载充气保压条件下进行的一次巷道掘进揭煤诱发煤与瓦斯突出模拟试验,该实验将为推动煤与瓦斯突出发生机理与规律研究、提升煤矿瓦斯灾害防控水平起到巨大的推动作用。

  煤与瓦斯突出机理研究是灾害防控的前提和关键,鉴于突出事故的巨大破坏性,长期以来,对煤与瓦斯突出机理研究仅停留于对事故资料的收集整理上,已经成为世界采矿界亟待突破的重大科学问题和工程技术难题。

  针对这些难题,袁亮院士研究团队创新性提出采用全过程相似的物理模拟试验,对煤与瓦斯突出机理进行研究,并提出研发科学有效的突出模拟试验仪器,用以解决突出物理模拟的技术与仪器瓶颈,为揭示突出灾害发生机理及规律提供公共试验平台。该研究得到了国家自然基金委资助,并于2014年8月获批国家重大科研仪器研制项目。该项目由中国矿业大学、山东大学、淮南矿业集团共同承担。

  项目研究以综合假说和基础理论为科学指导,综合考虑地应力、瓦斯压力、煤岩体特性和开挖施工过程等关键因素,形成了与煤矿现场高度相似的“六套基础试验仪器+多尺度模拟试验系统”系统性科学试验平台。基于该平台,研究团队以煤矿典型突出事故为原型,开展了相似比尺为1:30的模拟试验。历时四年研究,2019年1月30日22时左右,在安徽淮南试验成功。

  项目研究推导建立了煤与瓦斯突出相似模拟准则,突破了突出定量模拟难题;研发了煤岩瓦斯相似材料,提出了煤层高压气体“三层密封”方法,实现了煤层瓦斯赋存的真实模拟;提出了模块化设计思想和独创性仪器功能指标,研发了模型掘进及极速3d获取一体化测控系统,形成了功能新颖、测控精准的系统性科学试验平台;创建模式化试验模型制作方法与工艺,实现了试验模型的高效、精准制作。

  该研究成果填补了吸附瓦斯煤岩特性试验与突出全过程真实模拟的技术空白,为深入研究煤与瓦斯突出发生条件、掌握突出前兆极速3d规律、建立基于敏感指标的突出预测预警系统奠定了坚实基础,对于推动煤炭安全开采具有深远的意义。根据计划,项目将于今年年底结题,研究团队将继续开展一系列后续试验,进一步完善仪器系统功能参数,最终建成研究煤与瓦斯突出机理与规律的公共试验平台。

  附:新闻发布稿

全球首次大尺度真三维煤与瓦斯突出物理模拟试验成功

新闻发布稿

  1、项目简介

  本成果依托国家自然科学基金委员会资助的国家重大科研仪器研制项目,“用于揭示煤与瓦斯突出机理与规律的模拟试验仪器”,研究期限从2015年1月至2019年12月。项目首席科学家为袁亮院士,参与单位有中国矿业大学、山东大学、淮南矿业集团。

  2、项目背景与立项依据

  能源是国家发展的命脉,而煤炭是我国的主体能源,目前煤矿普遍进入深部且高瓦斯矿井多,“煤矿重特大灾害智能报警方法与技术”入选中国科协发布的60个重大科学问题和工程技术难题,煤与瓦斯突出预警防治更是亟待解决的世界性难题。

  煤与瓦斯突出是极其复杂的动力现象,其发生突然、伴随大量煤粉和瓦斯气体喷出,造成设备损毁、人员伤亡甚至引发瓦斯煤尘爆炸,危害巨大!要想杜绝突出事故,需要深入研究煤与瓦斯突出机理与规律,然而现场监测危险单一、理论模型难以建立、数值模拟困难重重,开展煤与瓦斯突出模拟试验成为科学使用方法。

  本项目目标为研发世界上第一台大型真三轴煤与瓦斯突出定量模拟科学仪器,为揭示突出灾害发生机理及规律提供公共试验平台。

  3、项目成果与科学意义

  经过4年的深入研究,项目取得如下成果:

  1)构建了煤与瓦斯突出模拟相似准则、研发了煤岩体相似材料和瓦斯相似气体,发展完善了煤与瓦斯突出相似体系,攻克了突出定量模拟难题;

  2)设计并研发了用于含瓦斯煤物理力学特性研究的基础试验仪器(可视化恒容固气耦合试验仪、环向位移测试系统、煤粒瓦斯放散测定仪、瓦斯膨胀能测定仪、相似材料渗透率测定仪、岩石三轴力学渗透测试仪),研发了与现场高度相似的多尺度煤与瓦斯突出定量模拟试验系统(小尺度突出模拟试验系统、中尺度突出模拟试验系统、大尺度突出模拟试验系统),研发了智能化“五大关键单元”(反力密封单元、应力加载单元、气体充填单元、巷道开挖单元、极速3d获取单元),构建了用于研究煤与瓦斯突出的系统性科学试验平台,填补了吸附瓦斯煤岩特性研究与突出全过程真实模拟的技术空白。

  3)提出了煤层高压气体“三层密封”方法、精细模型制作与精准试验方法及技术工艺,世界上首次成功实现了巷道掘进揭煤诱发煤与瓦斯突出试验模拟。

  试验以淮南望峰岗矿“6.12”突出事故为原型,几何相似比尺1:30,世界上首次成功实现了加气保压条件下巷道掘进揭煤诱发煤与瓦斯突出。突出现象震撼,在掌子面拱顶交界处产生了口小腔大的突出孔洞,与原型高度相似,并获得了地应力、气压、温度、声发射等多物理量极速3d,试验结果揭示了突出孕育过程围岩瓦斯场分布规律,获取了掌子面前方应力分布特征,揭示了突出发展阶段煤岩破坏机制,为构建基于敏感指标的突出预警系统奠定了基础。

  4)发表相关论文41篇,申请国家发明专利43项,其中发明专利31项,已授权26项,计算机软件著作权1项。

  4、项目关键创新:

  项目在突出模拟涉及的理论、材料、仪器、技术、方法、工艺等多个方面取得突破,在相似理论、相似材料、仪器设计、功能技术、方法工艺等方面形成系统性创新。

  (1)相似理论创新

  基于煤与瓦斯突出能量模型、经典煤与瓦斯突出气固耦合模型,推导建立了煤与瓦斯突出相似准则,为当前突出模型试验的普遍做法(瓦斯压力不折减、地应力折减)提供理论支撑;保证模型与原型能量条件相似,突破了定性模拟,实现定量模拟。

  (2)相似材料创新

  选用选用0-3mm粒度级配的煤粉为骨料,腐殖酸钠水溶液为胶结剂,研发了高吸附含瓦斯煤相似材料。该材料具有如下特点:高吸附性,与构造煤物理力学性质相似,参数调节方便,可重复性利用,强度0.5-3MPa。该材料的研发解决了构造原煤获取困难、参数不可调的问题;与构造原煤性质高度相似,实现了构造煤的真实模拟。

  选用铁粉、重晶石粉、石英砂为骨料,特种水泥为胶结剂,水泥密封剂为添加剂,研发了特低渗岩石相似材料。该材料具有以下特点:与突出现场岩石的物理力学性质相似,参数调节方便,渗透率极低,可达0.001mD。该材料的研发突破了现有岩石相似材料渗透率偏高的问题,实现了对特低渗岩石的真实模拟。

  选用45%CO2和55%N2混合气体作为甲烷的相似气体,研发了本质安全型瓦斯相似气体。该材料具有以下特点:与瓦斯高度相似,本质安全,稳定防爆,获取方便。该材料的研发解决了试验中瓦斯气体易燃易爆带来的安全问题,实现了对高危瓦斯气体的安全模拟。

  (3)仪器功能创新

  考虑地应力、瓦斯压力、煤岩体特性和动力扰动等突出影响因素,设计并研发了用于含瓦斯煤物理力学特性研究的基础试验仪器,仪器功能新颖、测控精准、操作便捷,克服了传统仪器功能与数据获取的局限,实现了特定条件下煤岩瓦斯特性的精准测控。

  以综合假说和基础理论为指导,研发了与现场高度相似的多尺度煤与瓦斯突出定量模拟试验系统。其中,小尺度突出模拟试验系统具有如下特点:模型尺寸Φ0.2×0.6m,可开展瞬间揭露致突试验,试验周期短,三要素可调;中尺度突出模拟试验系统具有如下特点:模型尺寸0.75×0.75×1.3m,可开展石门掘进致突试验,装置倾角可调,具有配套自动化掘进系统;大尺度突出模拟试验系统具有如下特点:模型尺寸1.5×1.5×3.0m,可开展石门掘进致突试验,突出过程高度相似,数据采集全面。该试验系统实现了多尺度煤与瓦斯突出定量模拟,满足了不同尺度的试验需求,克服了快速揭露“爆米花”式试验方法的局限,实现了巷道开挖揭煤突出模拟。

  (4)功能技术创新

  基于模块化设计思想,研发了功能新颖、技术指标明确的“五大关键单元”。反力密封单元实现了模型固气(5MPa地应力+3MPa气压)耦合加载和引线密封;(太空舱0.1MPa涨压,蛟龙号70MPa内压);应力加载单元实现了多油路等比例同步伺服稳压加载和卸载(真实模拟模型表面地应力加载);气体充填单元实现了高压瓦斯相似气体自动保压充填和大流量及时补充(模拟煤层瓦斯场);巷道开挖单元实现了模型巷道可视化智能掘进和自动排渣(模拟巷道开挖揭煤);极速3d获取单元实现了突出瞬态过程中应力、气压、温度、声发射等多物理量极速3d的获取融合(高速光纤光栅解调仪、微型高频传感器)。实现了模型试验系统的“模块化、智能化、便利化、定量化”。

  (5)方法工艺创新

  创新性提出通过“低强高粘气体密封胶+低渗岩层材料+反力装置”对高压瓦斯煤层进行密封。攻克了高压CO2腐蚀密封难题,成功将高压气体封在煤层内;实现了煤层瓦斯赋存的真实模拟。

  创新性提出采用“煤层预制+岩层现浇”的方法制作试验模型,并完善了传感器布设精细化试验工艺。极大缩短试验周期,单次试验周期仅为7天(传统工艺20~30天);实现了试验模型的高效、精准制作。

  形成了模型巷道掘进控制和极速3d获取融合的一体化测控系统,实现了透明掘进和数据可视化,为预警系统的建立奠定了基础。

  5、展望与计划

  (1)开展多尺度煤与瓦斯突出模型试验,揭示煤与瓦斯突出发生条件、掌握突出前兆极速3d规律、建立基于敏感指标的突出预测预警系统。

  (2)研发“深部多场多相煤岩复合动力灾害与防控试验系统”,可施加静态、振动、冲击及爆炸复合叠加荷载,模拟煤与瓦斯突出、岩爆、冲击地压等,研究煤岩动力灾害预警防治方法。