基于固气耦合的煤岩-瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

张庆贺，方致远，马衍坤，章 政

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室），安徽 合肥 230031；3.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

煤岩是典型的多孔介质，研究表明，煤岩中存在10-8～10-2cm的孔隙，这些纳米至毫米级的微孔大大增加了煤岩吸附瓦斯的能力[1]，因此，自然界广泛存在煤岩与瓦斯共伴生的含瓦斯煤层[2]。从材料属性看，含瓦斯煤是煤岩-瓦斯二相介质复合材料。在外荷载作用下，含瓦斯煤中的气相介质和固相介质互相影响、耦合作用，导致含瓦斯煤的吸附、解吸、渗流、力学强度等特性十分复杂[3]。工程中，开采高压含瓦斯煤层易引发煤与瓦斯突出甚至爆炸[4]。据统计，中国高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井数量约占生产矿井总量的20%左右，随着煤炭开采深度和强度的逐年增大，煤与瓦斯突出已成为制约煤炭安全开采的主要灾害[5]。

目前，煤与瓦斯突出防控主要采用工程经验和现场监测分析方法，而煤与瓦斯突出发生机理和机制仍处于研究阶段[6-8]。近年来，随着信息传感和采集技术的发展，模型试验法成为煤与瓦斯突出机理研究的重要方法，得到了普遍重视和快速发展[9-11]。岩石类相似材料的配制和选取是深部地下工程模型试验的基础和前提，合理的相似材料物理力学属性是模型试验结果准确性的根本保证[12]。

针对岩石类相似材料的研制，以往学者进行了大量研究。……