0 引 言
由于煤与瓦斯突出的发生发展极为复杂，对其机制尚未获得统一的科学解释，煤与瓦斯突出仍然是困扰煤矿安全生产最为严重的灾害之一。通过在实验室开展模拟试验研究煤与瓦斯突出发生、发展规律是认识突出机制最为有效的方法，而突出煤相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟试验的重要内容，相似材料与原煤的相似性决定了突出模拟试验的相似性。
相似材料一般由骨料、辅料、黏结剂和水等原料在一定成型压力下压制而成。在突出模拟试验中，相似材料的物理力学性质、吸附解吸性质和孔隙特性对试验结果有重要影响。文献[1-3]采用致密充填理论和最大密度曲线等理论，研究了煤粉粒径与相似材料强度的关系，最优的粒度组成为小粒径煤粉能完全充填大粒径煤粉之间的空隙；文献[4-5]选择腐植酸为黏结剂制成的相似材料在吸附性方面与原煤一致，但强度较低；许江等[6]以水泥为黏结剂，研究了不同黏结剂比例情况下相似材料的力学及渗透性特征；刘冀洲等[7]研究了成型工艺对相似材料强度的关系；文献[8]在相似材料的吸附解吸性能等方面进行了探讨；文献[9-10]运用正交试验探讨了相似材料原材料对其抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质的影响。文献[11-12]选用砂子为骨料，石蜡和油为胶结剂，研制出一种适用于开展“固-气”耦合模拟试验的材料。
目前，前人对相似材料的研究多针对其强度的分析，而对影响突出发生的含瓦斯煤的解吸特性的研究较少。或者针对某一特性的煤得到单一的配比方案，如HU等[13]通过试验获得单轴抗压强度为1 MPa的相似材料配比方案。笔者在前人基础上，选用煤粉、水泥、沙子与水作为原材料，通过正交试验测试相似材料单轴抗压强度、弹性模量、放散初速度、孔隙率等参数，分析原材料比例及成型压力对各性质的影响程度，构建突出煤相似材料配比模型并进行验证，为煤与瓦斯突出、水力压裂、瓦斯抽采等模拟试验的开展提供基础。
1 突出煤相似材料配比试验
基于相似理论分析，煤与瓦斯突出相似模拟试验过程中，试验用相似材料的物理力学性质需要与原型保持一定的相似关系[14]。因此通过正交试验测试了不同原材料配比及不同成型压力条件下相似材料单轴抗压强度、弹性模量、吸附CO2和CH4时的放散初速度以及孔隙率等参数。
1.1 原料的选取
相似材料原料包括骨料、黏结剂、辅料。选用煤粉作为骨料，取自渝阳煤矿M8煤层，将其筛分成粒径为0.180～0.425 mm和大于0.180 mm的1∶1混合。通过前期发现，突出煤相似材料3种骨料(水泥、石膏、腐植酸)的分析)在低强度相似材料制作中，以水泥作为黏结剂时，能以较小的添加比例获得较大的材料强度，使相似材料能够保持了更大比例的原煤组分，且对瓦斯放散初速度方面的影响较小[15-16]，因此选用普通52.5硅酸盐水泥作为黏结剂。辅料选用和煤粉同样粒径的沙子以及水。
1.2 正交试验方案
本次正交试验的影响因素为水泥比例、沙子比例和成型压力为3个，各因素的取值范围为：水泥比例2%～10%，沙子比例10%～50%，成型压力5～25 MPa。根据正交试验设计的因素和水平，选取3因素5水平的正交试验表，见表1。
按照表1中的配比数据准确称量原料并加水混合，混合均匀后将物料倒入成型模具，设置好相应的成型压力进行压制，压制完成后对相似材料进行脱模和养护，养护时间为7 d。养护完成后对相似材料进行力学、吸附解吸和孔隙率的测定。单轴抗压强度和弹性模量采用TAW-2000岩石压力机进行测试，图1为部分相似材料试件的全应力应变曲线。放散初速度不仅能反映材料的解吸性能，也能从侧面反映出材料吸附试验气体含量的大小，因此在力学参数测试完成后将试件破碎并筛分为0.20～0.25 mm粒径的煤粉，用WFC-2型瓦斯放散初速度指标自动测定仪，测试相似材料分别吸附CH4和CO2时的放散初速度。
孔隙率是指煤的孔隙体积与其总体积之比，本次孔隙率通过测定相似材料的真相对密度与视相对密度(在20 ℃时煤的质量与同体积水的质量之比)，然后依据GB/T 23561.4—2009《煤和岩石孔隙率计算方法》来对孔隙率进行计算，得出相似材料的孔隙率。本次孔隙率试验采用单因素试验方法。
图1 典型试件应力应变曲线
Fig.1 Typical specimen stress and strain curves
1.3 试验结果
表1为相似材料的单轴抗压强度、弹性模量、吸附CH4和CO2的放散初速度试验结果。由表1可知，在该配比条件下相似材料能实现的各测试指标范围为：单轴抗压强度0.73～4.14 MPa，吸附CH4的放散初速度13～30，吸附CO2的放散初速度15～39。
通过对相似材料孔隙率进行测定，得出不同水泥比例、沙子比例和成型压力条件下相似材料的孔隙率(表2)。由表2可知，成型压力对相似材料的孔隙率有显著影响，随着成型压力的增大，相似材料的孔隙率逐渐减小。
表2 相似材料孔隙率试验
Table 2 Porosity experiment of similar materials
编号煤样真相对密度视相对密度孔隙率/%12%水泥1.671.613.5924%水泥1.671.613.5936%水泥1.671.613.5948%水泥1.671.613.59510%水泥1.681.623.57610%沙子1.681.623.57720%沙子1.741.683.45830%沙子1.811.753.31940%沙子1.901.833.681050%沙子1.981.913.54115 MPa成型压力1.661.537.831210 MPa成型压力1.661.566.021315 MPa成型压力1.671.594.791420 MPa成型压力1.671.604.191525 MPa成型压力1.681.623.57
2 突出煤相似材料配比模型构建
2.1 各因素敏感度分析
根据正交试验结果，分析各因素对相似材料性能的影响敏感性。敏感性分析结果如图2所示。由图2a、图2b可以看出，黏结剂比例对材料单轴抗压强度和弹性模量的影响较大，随着黏结剂比例的增加，相似材料的单轴抗压强度与弹性模量不断增大，二者呈近似线性关系，而成型压力在小于10 MPa阶段时，相似材料单轴抗压强度显著增加，然后逐渐变缓。由图2c、图2d可以看出，黏结剂比例和沙子比例对相似材料放散初速度的影响较大。由于沙子和水泥不具有吸附性，气体放散初速度都随着黏结剂和沙子比例的增加而减小。
图2 各因素对试验结果的影响趋势
Fig.2 Influence of various factors on experimental results
2.2 各因素方差分析
对相似材料单轴抗压强度、弹性模量、CH4放散初速度和CO2放散初速度试验数据进行方差分析，方差分析结果见表3。由方差分析结果可知，水泥比例和成型压力对相似材料单轴抗压强度和弹性模量有显著影响，水泥比例和沙子比例对相似材料CH4放散初速度和CO2放散初速度有显著影响。
2.3 回归分析及配比模型构建
将正交试验数据进行方差分析及多元线性回归分析，找出了相似材料的3个影响因素与试验指标之间的量化关系，为相似材料配比模型的建立提供了基础。根据单轴抗压强度、放散初速度和孔隙率试验结果，确定了显著影响因素与试验指标间的关系，见表4。
在煤与瓦斯突出模拟试验中，通常是已知原煤的单轴抗压强度、瓦斯放散初速度、孔隙率等参数，然后需要配制与原煤性能一致的相似材料，那么相似材料的配比是关键问题，相似材料配比的可靠性和准确性决定了突出模拟试验的相似度。根据前文的分析总结出用于煤与瓦斯突出的相似材料配比模型及其使用步骤，见表5。
注：水泥比例、沙子比例、成型压力、空列1、空列2、空列3的自由度为4；F0.05临值界为3.26；随机误差、总和的自由度为12.24。当F比大于F0.05临界值时则说明该因素对结果产生显著影响的概率大于95%，显著性用*表示；当F比大于F0.01临界值时则说明该因素对结果产生显著影响的概率大于99%，显著性用**表示。
表4 相似材料回归分析汇总
Table 4 Summary of similar material analysis
试验指标显著影响因素回归方程R2单轴抗压强度水泥、成型压力Y1=0.370X1+0.048X3-0.4520.934弹性模量水泥、成型压力Y2=32.523X1+2.534X3-53.3840.888CH4放散初速度水泥、沙子Y3=-0.380X1-0.3336X2+32.4400.954CO2放散初速度水泥、沙子Y4=-0.410X1-0.476X2 +42.2200.974孔隙率成型压力Y5=-0.207X3+8.3850.939
注：X1为水泥比例，1%～10%；Y1为单轴抗压强度，MPa；X2为沙子比例，10%～50%；Y2为弹性模量，MPa；X3为成型压力，5～25 MPa；Y3为CH4放散初速度；Y4为CO2放散初速度；Y5为孔隙率，%。
表5 相似材料配比模型及步骤
Table 5 Similar material ratio model and step
步骤说明配比计算1根据孔隙率确定成型压力X3X3=40.507-4.831Y52根据单轴抗压强度确定水泥比例X1或者根据弹性模量确定水泥比例X1X1=1.22+2.755Y1-0.129X3X1=1.641+0.03Y2-0.078X33根据CH4放散初速度确定沙子比例X2或根据CO2放散初速度确定沙子比例X2X2=94.675-0.739X1-2.959Y3X2=88.697-0.861X1-2.1Y4
3 配比模型验证及应用
为检验相似材料配比模型的可靠性，设计5组煤样参数，根据煤样参数通过配比模型计算出所需的原料比例及成型压力大小，然后制作相似材料试件并进行试验参数的测试，将相似材料的实测参数与模型回归值进行比较，验证配比模型的可靠性，见表6。由表6可以看出，验证试验的各试验指标与目标值之间差异较小，其中单轴抗压强度的误差均小于20%，瓦斯放散初速度和孔隙率的误差均小于10%。各测试指标实测结果与设计的目标值之间误差在可接受范围内，配比模型可靠。
采用构建的相似材料配比模型制作突出型煤，利用自主研制的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统(图3)开展煤与瓦斯突出模拟试验，模拟深部高应力条件下的煤与瓦斯突出。选择2009年淮南丁集煤矿“4·19”事故作为模拟原型。事故点埋深870 m，煤厚2.1～2.2 m，原始瓦斯压力为0.5 MPa。本区域煤层较硬，软分层坚固性系数为0.3。本次动力现象共涌出瓦斯量为235.4 m3，煤量为35 t。煤体有抛出现象，堆积煤炭距工作面的距离为4～6 m。
表6 验证试验数据及误差分析
Table 6 Verification of experimental data and error analysis
序号目标相似材料试验指标实测值及误差单轴抗压强度/MPaCH4放散初速度孔隙率/%单轴抗压强度/MPa误差/%CH4放散初速度误差/%孔隙率/%误差/%10.53060.6219.1732.006.255.911.5221.03061.1714.5332.006.255.950.8431.52551.8418.5024.004.174.686.8442.02552.198.8123.008.704.706.3852.52042.728.1619.005.264.153.6163.02043.7519.9019.005.264.102.44
图3 煤与瓦斯突出模拟试验系统
Fig.3 Coal and gas outburst simulation test system
基于相似材料配比模型，根据换算以及简化，试验用相似材料的成型压力25 MPa，煤粉、水泥、沙子、水的质量分数分别为79.0%、7.0%、5.5%、8.5%。在大型煤与瓦斯突出模拟试验系统上压制尺寸1.5 m×0.8 m×0.8 m的型煤。压制成型后测得其物理力学参数见表7。可以看出单轴抗压强度的误差相对较大，这是由于大型模拟试验尺寸较大，在压制过程中受到一定的尺寸效应影响。
表7 突出型煤的物理力学参数
Table 7 Physical and mechanical parameters ofoutburst briquette
项目单轴抗压强度/MPa坚固性系数密度/(g·cm-3)孔隙率/%CO2放散初速度设计值3.00——3.1036.7实测值2.440.3431.392.9937.0
在相似模型准备好后，对其施加16 MPa的轴压应力和0.5 MPa的气体压力开展突出模拟试验。在吸附一定时间后通过控制突出口爆破片两侧气压激发突出。试验共突出煤样15.86 kg，孔洞呈不规则半椭球形，抛出煤样不具有明显的分选性，抛出最远距离为距突出孔洞壁4.5 m，如图4所示。
图4 距突出口不同位置的煤粉分布情况
Fig.4 Distribution of pulverized coal at different positions from the protruding mouth
表现出典型应力主导型的突出特征，与原型情况具有较好的相似性。
4 结 论
1)运用正交试验方法，研究了水泥、沙子和成型压力对相似材料单轴抗压强度、弹性模量、吸附CH4和CO2时的放散初速度的影响。其中单轴抗压强度和弾性模型随水泥比例和成型压力的增大而增大，放散初速度则随水泥和沙子比例的增大而减小。还利用单因素试验方法测试了3个因素对相似材料孔隙率的影响规律，成型压力对孔隙率的影响较大，孔隙率随成型压力的增大而减小。
2)通过不同配比条件下的试验数据，建立起一套关于相似材料单轴抗压强度、放散初速度和孔隙率之间的配比模型。该模型可以通过已知的原煤参数得出制作相似材料所需的原料比例及成型压力大小。该模型能实现的各参数范围：单轴抗压强度0.73～4.81 MPa，弹性模量37.10～212.99 MPa，CH4放散初速度13～30，CO2放散初速度15～39，孔隙率3.31%～7.83%。
3)通过试验验证了试验指标与目标值之间差异较小，并采用构建的相似材料配比模型制作突出型煤，利用自主研制的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统成功开展了高应力作用下的煤与瓦斯突出模拟试验，进一步证实了模型的可靠性。
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