1立项意义与背景

1.1立项意义

我国煤矿煤与瓦斯突出灾难事故频发，煤与瓦斯突出的机理和预警防治成为高瓦斯突出矿井安全生产亟待突破的关键科学问题，由于煤与瓦斯突出的复杂性，国内外尚没有用于有效研究煤与瓦斯突出的试验仪器，导致突出机理难以突破。本项目提出适用于典型地质条件、不同地应力、不同煤岩体强度、不同瓦斯压力等复杂条件的煤与瓦斯物理模拟试验仪器，突破煤与瓦斯吸附解吸“气-固”耦合理论与相似材料研制、突出真实定量模拟、多物理场信息联合分析预警等关键问题，研制揭示煤与瓦斯突出机理和规律的模拟试验仪器，核心装置包括突出模拟试验仪器主机、开挖与记录系统、多信息测试采集系统、多物理场信息动态分析与预警虚拟系统等，实现国际领先的仪器性能指标，突破定量研究煤与瓦斯突出机理和突出规律的世界难题，形成具有我国自主知识产权的研究煤与瓦斯突出机理和规律的重大科学仪器和公共研究平台，为深部高瓦斯矿井煤与瓦斯突出的预测预警和防治提供重要支撑。

1.2立项背景

1.2.1煤与瓦斯突出机理是亟待突破的科学问题

我国的能源结构在相当长的时间内仍以煤炭为主，煤炭的消耗量占一次性能源构成的70%以上，而我国煤矿开采松软低透气性高瓦斯煤层约占60％，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危及我国大部分矿区。煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井动力现象，它是在煤炭采掘过程中，在很短的时间内突然从煤（岩）壁内部向采掘空间喷出煤（岩）和瓦斯的现象。煤与瓦斯突出喷出的瓦斯由几百到几万m3，喷出的煤、岩由几千吨到万吨以上，事故常常造成大量的人员伤亡、恶劣的社会影响和重大的经济损失，已成为制约我国煤炭工业健康发展的关键因素。自从1834年法国发生世界上第一次煤和瓦斯突出以来，至今已有170多年了。目前发生煤和瓦斯突出的国家已增加到近20个，我国是世界上发生煤与瓦斯突出最严重的国家之一，累计突出次数约占世界40％以上。我国2000年~2009年之间共发生重、特大型突出事故10次以上，突出强度最大的地点发生在揭煤地点和掘进施工巷道，见表1。

表1 2000年以来发生的特大型突出事故汇总表

随着我国煤矿开采深度的不断加大，开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的危险性随之增加，部分原无突出危险的煤矿也开始出现动力现象。我国煤与瓦斯突出危险矿井数目和突出强度、频度将随着开采深度的延深、开采强度的增大而逐渐增多。目前世界许多产煤国家的多对矿井已经进入了深部开采，我国已有一批矿山进入了深部开采，如北京、沈阳、北票、淮南、长广、新汶、徐州等煤矿。深部煤炭资源具有高地应力、高孔隙压力、高温和煤岩抗扰动力学性能降低等特点，煤与瓦斯突出以及冲击地压等灾害已经成为了深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题。“十一五”期间我国煤矿瓦斯防治取得明显成效，全国煤矿瓦斯事故发生起数和死亡人数分别下降了65%和71.3%。但是，煤与瓦斯突出事故没有得到有效遏制，事故起数和死亡人数没有明显下降，占瓦斯事故比例迅速增加。

图1 我国煤矿突出事故死亡人数及比率

煤与瓦斯突出是一个高度非线性的气固耦合的动力破坏问题，其发生机理十分复杂。研究得出煤岩瓦斯动力灾害的量化分析模型，真正掌握了煤与瓦斯突出的孕育、发展、演化及致灾机理是对突出进行准确预测、预警的基础，揭示瓦斯灾害预测与控制的原理才能有效预防突出事故发生。因此，煤与瓦斯突出机理的深入研究是防治瓦斯灾害的基础，必须加大力度深入研究。

综上所述，煤与瓦斯突出机理成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待突破的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向。高瓦斯突出矿井面临的防灾减灾和安全生产问题受到国家的高度重视，成为我国煤炭工业可持续发展和中国能源安全的重大理论障碍和技术瓶颈，业已成为煤炭开采、矿业工程领域的重大技术挑战和前沿热点问题之一。

1.2.2煤与瓦斯突出机理试验仪器系统研究是机理研究突破的迫切需求

煤与瓦斯突出是十分复杂的动力现象，突出机理是制定防突技术措施的前提和关键。煤与瓦斯突出机理已成为国内外专家学者争相研究的热点和难点，目前还没有统一的见解。关键的原因是煤与瓦斯突出高度非线性。

国内外已有研究方法包括现场监测、理论分析、数值模拟、模型试验等手段。现场监测只能针对特定条件的岩石力学问题进行研究，研究方法单一、耗费大量人力物力，且现场试验风险巨大，可重复性差，难以开展系统研究。由于煤与瓦斯突出的复杂因素和高度非线性，目前在理论分析上还存在很大的困难；由于机理不清带来的本构关系和计算模型建立困难，因此，数值模拟不能进行正确模拟；只有采用相似物理模拟试验的方法可以真实模拟煤与瓦斯突出过程，可开展不同条件下的煤与瓦斯突出机理研究，是目前唯一可行最重要的研究手段。因为地质力学模型实验根据相似原理，不仅可以在实验室真实模拟现场，并且能够模拟不同的物理量组合情况，适用于突出机理的研究。

鉴于煤与瓦斯突出的高度非线性和复杂性，采用相似模型试验进行研究是目前非常重要的研究方法。因此，通过本课题的研究研制大型煤与瓦斯突出机理模拟试验仪器系统是十分必要的。

因此，迫切需要深入研究低透气性煤层物理力学特性及高压瓦斯吸附、解吸规律及其相似材料，研制一台严格基于相似原理，功能先进、可综合考虑不同地应力、不同地质构造、不同煤岩体强度、不同瓦斯含量等多种因素条件下型煤的煤与瓦斯突出物理模拟试验系统，该装置可重复使用并完成不同参数条件下的煤与瓦斯突出试验，做到试验过程可控、参数可调。并通过该装置可模拟多场耦合条件下开挖诱导煤与瓦斯突出的动力学现象，揭示煤与瓦斯突出发生、发展、演化和突出机理，以及突出过程瓦斯解吸流场的动态变化以及能量转化机制；建立煤与瓦斯突出发生条件与判据，丰富、完善开挖诱导低透气性煤层煤与瓦斯突出机理的理论，为破解瓦斯突出防治技术提供支撑。

2 研制仪器设备拟解决的重要科学和技术问题

2.1煤与瓦斯突出机理与规律研究试验仪器研发的共性问题

纵观国内外煤与瓦斯突出研究的相关领域，至今尚未研发出科学、有效、实用的煤与瓦斯突出机理与规律定量研究专用模拟试验仪器。综合国内外相关研究现状，在煤与瓦斯突出试验方面还存在以下共性关键问题：

（1）现有的试验仪器没有完全符合相似理论，特别对含瓦斯煤体物理力学特性的模拟不符合相似原理，含瓦斯煤体相似材料选取不合理、瓦斯吸附效果不明显，导致含瓦斯煤体的型煤制作和物理力学参数不能满足煤与瓦斯突出相似模拟试验的要求。

（2）现有的煤与瓦斯突出试验仪器规模都较小，采用的比例尺和试验模型的尺寸也较小，而且基本是预留突出口，依靠突出口的瞬间打开模拟煤层揭露过程，而实际的煤与瓦斯突出过程是一个缓慢的施工过程。突出条件考虑不充分。国内外已有的模型试验装置采用的边界条件没有综合考虑地质构造、地应力、煤体强度、瓦斯含量及施工过程等影响因素，无法完成煤与瓦斯突出现象的定量模拟。系统没有真实模拟煤与瓦斯突出的条件。

（3）现有试验仪器设备的力学加载、瓦斯充填系统和测试系统精度有待进一步提高，主要是液压加载系统和瓦斯充填系统的精确控制不能满足长时间稳定需要，现有的实验仪器设备采用的测试传感器和测试系统相对单一并且精度不高，尤其不能满足煤与瓦斯突出的瞬态动力测试需要；试验仪器的实验操作与便利性不足，试验的可重复性也有待提高。

（4）现有煤与瓦斯突出模拟试验仪器的数据分析系统还不完善，目前采集的数据还主要以人工分析为主，没有采用三维可视化虚拟平台动态实时显示多物理场信息变化，没有建立数据信息同步反馈与分析系统，不能精准及时掌握试验进程，很难做到人机间的友好交流。

综上所述，现有的试验仪器无法有效模拟煤与瓦斯突出现象，不能准确开展煤与瓦斯突出科学试验和研究。因此，急需研制能够揭示煤与瓦斯突出机理与规律的科学试验装置。

2.2 拟解决的重要科学和技术问题

在煤与瓦斯突出机理与规律研究试验仪器研制中，需要解决一系列理论、方法和技术难题，本项目提出了 “基础理论突破驱动科学仪器研制，科学仪器研制支撑新现象新规律发现”的总体研发设计思想。通过国内外研究现状调研和分析，提出本项目的科学和技术问题，突破仪器研制的基础理论和关键技术难题，研发试验仪器系统、数据分析系统等关键设备，形成具有我国自主知识产权的研究煤与瓦突出机理和规律的重大科学仪器和公共研究平台，为深部高瓦斯矿井煤与瓦斯突出的预测预报和防治提供关键支撑。

（1）煤与瓦斯突出机理模拟试验仪器基础理论研究

攻克煤与瓦斯突出机理与规律研究试验仪器基础理论难题，突破含瓦斯吸附的煤体相似理论及“气-固”耦合相似材料的配比难题，满足模拟试验系统的功能要求。

（2）用于揭示煤与瓦斯突出机理与规律的模拟试验仪器研制

根据“模块化、智能化、便利化、定量化”的研发思想，突破煤与瓦斯突出试验仪器的关键系统及其组成单元的关键科学技术难题，研发试验仪器模型反力与空间密封系统、高地应力梯度加载高精度智能控制模拟系统、大流量高压类瓦斯气体充填加载系统、试验模型巷道微型掘进机与高速记录系统、模型信息数据测试采集系统等关键子系统，研制成世界领先的能够定量化模拟煤与瓦斯突出的科学试验仪器，揭示煤与瓦斯突出机理与规律， 填补国内外煤与瓦斯突出试验仪器的空白。

（3）基于3D可视化平台的多物理场信息动态分析与预警虚拟系统

根据“综合定量多物理场信息发现煤与瓦斯突出规律”研发思想，研究开发煤与瓦斯突出多物理场信息分析系统，主要研究多物理场信息集成3D可视化平台和动态信息虚拟预警系统；开发形成“可视化、交互化、定量化、快速化、智能化”的煤与瓦斯突出试验虚拟预警平台，构建具有我国自主知识产权的煤与瓦斯突出的定量分析科学仪器平台。