盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究
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图2.2 钻孔周围应力分布状态
（a）原始煤体 （b）加卸荷煤体
图2.3 煤岩体破坏示意图
一、加卸载实验方案
为研究含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性及渗透特性，研制了含瓦斯煤岩的加载装置。在实验过程中，将瓦斯渗流装置、材料实验机和其他仪器一起组合成整个实验系统。整个实验系统由加载系统、监测系统和瓦斯供给系统组成，如图 2.4 所示。
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1-动态应变仪；2-位移传感器；3-体积流量计；4-活塞杆；5-活塞；6-液压回路；
7-加载活塞8-油压控制系统；9-油压控制开关
图2.4 含瓦斯煤岩体加载系统
加载系统由材料实验机和三轴瓦斯渗流装置构成，测量系统由位移传感器、动态应变仪和体积流量计组成。
该系统主要能完成以下几大实验功能： 1）围压加卸载实验； 2）围压加卸载渗流实验； 3）围压控制蠕变实验。
实验中所用的试样，利用煤粉制作而成的，其具体做法如下：将所取原始煤块用粉碎机粉碎，取 40～80 目之间的煤粉颗粒，然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在 200t 刚性实验机上以 100MPa 的压力压制成 Φ50×100mm 的煤样。最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内以备实验时用。采用此法制作而成的煤样的强度很接近突出煤层的强度，因此适合代替原始煤样来研究含瓦斯煤岩的强度特征与蠕变特性。制作好的煤样如图2.5 所示。
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图2.5 煤的试样
将制备好的试样在三轴压力室安装好，并安装到伺服材料实验机上。连接好动态应变仪，接好瓦斯通道和流量计，加好围压后打开减压阀，往煤样中通入预定压力的瓦斯气体，待到瓦斯吸附平衡后，便可开始实验。
1）保持轴压恒定的卸围压实验
根据盘江矿区的实际地应力情况，初始围压设定为：0.0~10.0MPa。实验操作步骤如下：
（1）首先按静水压力逐步施加 ?1??2??3至预设初始围压值；
（2）稳定围压，逐步施加轴向压力至某一应力状态(此时?1小于常规三轴峰值但远远大于单轴抗压强度)；
（3）将轴压降低到某值，并保持恒定； （4）逐渐卸除围压，直至试件破坏。 2）保持轴向应变恒定的卸围压实验
根据盘江矿区的实际地应力情况，初始围压设定为：0.0~10.0MPa。实验操作步骤如下：
（1）首先按静水压力逐步施加 ?1??2??3至预设初始围压值；
（2）稳定围压，逐步施加轴向压力至某一应力状态(此时?1小于常规三轴峰值，但远远大于单轴抗压强度)，轴向加载速率控制在0.25mm/min；
（3）保持轴向位移恒定，逐渐卸围压直至试样破坏，卸围压速率控制在4MPa/min。
3）升轴压降围压的卸围压实验
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在钻孔施工中，钻进时的力学条件是：轴向加载，侧向卸载，因此为了模拟钻孔钻进时的真实状态，进行升轴压降围压的卸荷实验。具体步骤为：
（1）首先按静水压力逐步施加?1??2??3至预设初始围压值，预定值分别为0.0~10.0MPa；
（2）保持围压?3不变，逐步增加?1至岩样峰值的某一应力状态(峰值强度的80%左右)；
（3）按一定的速率增加?1 的同时，逐渐卸除围压?3（?1的升高速率大于?3 的卸荷速率)，此阶段用来揭示岩石的卸荷特性，还要顺利越过峰值进入软化阶段；
（4）试件一旦破坏后即停止卸围压?3并保持不变，同时继续施加轴向应变，直至应力差?1??3 不随轴向应变的增加而降低时结束实验。
4）煤体蠕变实验
在钻孔过程中，常发现工作面瓦斯抽采孔孔洞缩小及闭合的现象，这是由于含瓦斯软弱煤体是一种很强的流变介质，成孔后孔壁煤体在较高的集中应力和孔隙瓦斯压力作用下，集中应力区域含瓦斯煤体会很快由稳定蠕变阶段进入加速蠕变阶段。如果这时集中应力区域煤体中的瓦斯压力仍保持较高值，煤体的变形会推垮具有残余强度的松散区域的破碎煤体而发生瓦斯抽采空的跨塌闭合。受蠕变加载方式和加载水平的影响，低渗软煤的蠕变特性曲线呈现出了多样性、多变性和不稳定性的复杂特点，为此，开展煤体的蠕变研究有着十分重要的意义。
（1）试件制备及实验设备
实验的煤样试件取自盘江矿区松软煤层，煤样在实验室内经粉碎、分筛得到颗粒直径为 0.1mm 的粉煤，经加压成型制备实验所用试件。
成型压力根据煤层所受垂直地应力大小，并综合考虑构造应力影响确定。试件尺寸根据国际岩石力学学会标准确定为Φ=50mm，h=100mm。试件制得经烘干48h后并在周边均匀涂抹硅胶层，待硅胶凝固后进行实验，目的是保证瓦斯作用于煤样内部。该条件制得的煤样试件可以模拟原煤的力学性质实验。
（2）蠕变载荷的确定
根据现场资料，并综合考虑水平地应力和瓦斯压力作用，故实验研究的围压
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确定为0~10.0MPa。根据矿井实际情况，确定本次含瓦斯煤样蠕变实验的瓦斯压力为0~6.0 MPa，实验前煤样持续通瓦斯 24 h，目的是使试件内整体瓦斯压力达到设计值。
根据煤样蠕变理论，当煤样试件在不同的载荷工况下，其蠕变特性将有所不同，一般可分为衰减蠕变和非衰减蠕变，当蠕变载荷小于煤样长时强度时，试件表现出衰减蠕变的特点，当蠕变载荷大于煤样长时强度时，试件则表现出非衰减蠕变特点。
由于实验目的是研究两向载荷作用下含瓦斯煤样的蠕变特性，因而蠕变载荷可由含瓦斯煤样常规三轴强度实验确定。经实验室实验，得到含瓦斯成型煤样强度值。根据此值分别选择强度的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 进行不同应力水平下含瓦斯煤样三轴蠕变实验。
二、相似模拟实验方案
本研究采用相似材料模型实验的研究方法，对钻孔的定向规律及钻具与钻孔的相互作用机理以及钻孔的垮塌机制进行较深入的研究。推导应遵循的相似规律，研制出合适的相似材料模型，获得相似材料模型物理力学性质的确定和调控方法。研究得出钻进地层条件、钻具结构、钻进参数、开孔条件等对钻具与钻孔相互作用机理及对钻孔方向的影响规律。提出了利用钻具与钻孔相互作用机理提高钻孔定向性的措施，为松软煤层钻进的理论研究和实际应用提供参考价值。
1）根据模型和原型的力学相似条件、应力相似条件、变形相似条件及破坏相似件的要求，推导相似条件；
2）依据推算出的力学指标，研制以石膏、水泥为胶结材料，以砂为充填材料的石膏、水泥、砂相似材料配比。
3）制作相似材料试件，为了配制相似材料和研究相似材料的物理力学参数，测定相似材料的抗拉强度，而相似材料的其它物理力学性质指标均用高度为100 mm的试件测得。
4）在制作相似材料模型时，首先要确定相似材料模型的几何尺寸。由于在研究机械破煤时可不考虑煤体体积力的影响，故应力相似常数和几何相似常数可相互独立地选取。也就是说，相似材料模型尺寸的选择主要是考虑相似材料模型制作的方便和实验过程的要求。
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