煤与瓦斯突出多因素影响规律与能量判据实验研究

为分析煤与瓦斯突出多因素耦合影响规律,开展了多组不同条件下含瓦斯煤快速揭露致突模拟试验.将模拟试验结果与突出能量模型相结合,计算突出潜能与突出耗能的定量关系,分析得出突出临界瓦斯压力与煤体强度呈正相关,与轴向应力呈负相关,验证了能量判据对突出激发的必要性.选取煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体强度及密度等参数建立了两个综合考虑多影响因素的无量纲参数,进而拟合得出发生剧烈突出的能量判据公式.结果表明:瓦斯压力及轴向应力越大,煤体强度越小,突出危险性越高;各因素对煤与瓦斯突出危险性的影响重要程度排序为:瓦斯压力＞煤体强度＞轴向应力.     

煤和瓦斯突出过程中地应力作用机理

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法,利用RFPA2D-GasFlow数值模拟系统,结合煤体中应力分布情况和瓦斯突出破坏过程及结果,分析了煤与瓦斯突出三要素(地应力、瓦斯和煤体物理力学性质)中的地应力在瓦斯突出过程中的作用.研究结果表明,在地应力小于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有阻碍作用;当地应力大于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有双重作用:一方面其产生的水平压应力增强了煤体抵抗破坏的能力;另一方面其产生的剪切应力促进煤体发生破坏.同时应用研究结果对浅埋煤层瓦斯突出问题进行了分析,认为浅埋煤层承受的地应力较小,煤层中存在着水平拉应力和垂直拉应力且是大范围存在的,故导致浅埋煤层发生瓦斯突出且...     

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

压降及储层压力与煤变形的相关性研究

为了进一步完善解吸瓦斯煤体变形机理,探讨压降和储层压力对煤解吸瓦斯的影响,采用原煤试件,进行了不同储层压力和压降的煤解吸瓦斯变形实验。实验结果表明,解吸达到平衡所需时间与储层压力及压降呈正相关关系;降压0.3 MPa时,收缩应变随储层压力的增加而减小;降压至大气压时,收缩应变随储层压力的增大而增大,储层压力0.9 MPa的大于储层压力0.6 MPa的大于储层压力0.3 MPa的;当储层压力相同时,收缩应变随压降的增大而增加;当储层压力较小时,大压降储层瓦斯解吸量大于小压降储层瓦斯解吸量。     

低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径,利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置,开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验,研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明:不同围压下,低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型,其峰值强度随围压增加而增加;通过摩尔库伦强度准则,计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值,可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。     

地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用

本文研究了地质构造与煤与瓦斯突出的关系。地应力、瓦斯、煤体结构性能这三者与地质构造有直接的联系，断裂等地质构造的形成又和构造应力不可分割，活动断裂构造又制约着构造应力场的分布，因此，矿区应力的分布情况对瓦斯含量、瓦斯压力、煤体的破坏等都有一定控制作用。     

穿层钻孔水力压裂增透技术试验研究

张集煤矿13-1煤为深埋高地应力松软低透煤层,瓦斯预抽时间长且残余瓦斯含量超标,为提高煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,采用理论分析、现场试验的方法对低透气性煤层水力压裂增透理论及技术进行了研究。研究结果表明:试验区域经水力压裂后,煤体瓦斯压力由原始煤体瓦斯压力1.05MPa降低至0.5MPa,煤层透气性系数提高了6.17倍,水力压裂影响半径沿倾向35m、沿走向50m,且目标区域煤层瓦斯预抽达标时间相比未压裂时缩短了35.8%,穿层钻孔水力压裂起到很好的增透增流效应。     

煤体有效应力与膨胀应力之间关系的分析

有效应力公式是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一,为了更加真实的描述煤体的受力状态,采用理论分析和试验分析的方法,分析了这种由于煤吸附瓦斯发生膨胀在约束条件下所产生的膨胀应力与有效应力的关系,并得出了膨胀应力与有效应力之间的关系式。分析可知,煤吸附瓦斯将发生膨胀变形,吸附量越大,膨胀变形越大,当这种变形受阻时将会产生膨胀应力膨胀应力的存在,将使煤体应力增加,煤体强度降低,煤体更易破碎,将增加煤与瓦斯突出的危险性。     

深部开采条件下煤和瓦斯突出机理的研究

分析了温度对煤体强度、煤吸附和解吸瓦斯能力的影响及煤层渗透性随应力变化的规律.在此基础上提出深部开采条件下煤和瓦斯突出发生的机理,建立温度、应力、渗流三场耦合的数学模型,并对温度、应力、孔隙瓦斯压力对突出的影响进行分析.     

煤与瓦斯突出过程的能量分析

基于煤与瓦斯突出综合作用假说,通过理论分析与实验研究了煤与瓦斯突出过程中煤体弹性能和瓦斯膨胀能做功。利用MTS815岩石力学试验系统,实验研究了不同围压下煤样的三轴压缩试验,得出煤体的单位体积弹性能与体应力之间呈幂函数关系;用自制的瓦斯膨胀能装置,测试了不同含水量、气体压力、密实度条件下煤体中的气体膨胀能,得出气体膨胀能与气体压力呈线性关系,且气体在膨胀过程中对外做功时,系统温度变化在1℃左右,研究表明,煤与瓦斯突出过程可以近似看作等温过程。研究结果深化了对煤与瓦斯突出机理的认识,为能量判据奠定了基础。     

采场应力和煤结构对煤与瓦斯突出的影响

本文通过具体实例,分析讨论了采场应力对矿井煤与瓦斯突出的控制作用;煤的物理性质对矿井煤与瓦斯突出的影响。研究表明:煤的灰分、挥发分含量直接影响着煤体瓦斯压力、含量及煤与瓦斯的突出。     

煤体水力割缝中瓦斯突出现象实验与机理研究

通过室内1：1大煤样水力割缝抽放瓦斯的实验研究,揭示了水力割缝过程中煤与瓦斯突出现象,依据煤体特性、应力状态、应力水平、水射流压力、瓦斯压力等实验结果,并结合数值模拟计算,分析了水力割缝中煤与瓦斯的突出机理。     

基于颗粒流理论的煤与瓦斯突出数值模拟研究

针对煤与瓦斯突出机理的复杂性,基于颗粒流离散元理论,利用PFC3D(particle flow code)软件对煤体进行340组单轴压缩及巴西劈裂试验,建立了煤体宏观参数与颗粒流数值模拟所需细观参数之间的关系。基于寺河矿煤样单轴压缩和抗拉物理实验的实测宏观参数,推算出模拟煤与瓦斯突出所需的细观参数。在PFC3D流固耦合理论的基础上,利用PFC模拟软件进行了煤与瓦斯突出的数值模拟,再现了煤体的堆积过程。研究表明:在突出准备阶段,煤壁深部瓦斯压力较高,突出孔洞附近瓦斯压力梯度较高;发动及发展阶段,平衡状态被破坏,形成口小腔大的突出孔洞,破坏范围由巷道高度的中间位置向顶底板处扩展;在突出过程中,工作面前方煤体靠近煤壁的暴露面处的最大主应力向量逐渐偏离垂直方向,且应力向量连线形成一个凸向煤壁深部的圆弧。     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

通过模拟实验方法测定在煤与瓦斯突出过程中的温度变化,用测定结果来证实突出强度不同,煤体温度变化也不相同,瓦斯压力越大,煤体下降的温度越大;在煤与瓦斯突出过程中,瓦斯的膨胀做功过程并非绝热过程,而是一个接近于等温的多变过程,为从热力学角度研究煤与瓦斯突出机理提供了帮助.图2,表3,参5.     

煤岩与瓦斯微元体破坏突出机理

煤岩与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤体结构破坏、孔洞内煤屑与瓦斯压力及时间效应等共同作用的结果。文中从煤与瓦斯突出发生的整个过程出发,结合现有的煤岩与瓦斯突出机理的研究成果,通过建立煤岩微元体破坏模型,计算煤岩微元体区域破坏概率、煤与瓦斯突出所必须的能量条件,分析煤与瓦斯突出区域的形成与发生,最后,提出了煤岩与瓦斯的突出是从煤岩体微元的破坏开始的,其发展、发育过程是众多煤岩体微元连续破坏的结果,得到了突出区域煤岩体破坏概率的平均强度以及发生突出的必须能量条件关系式,为煤与瓦斯突出的研究提出了一个新的模式与思路,对于防治煤岩与瓦斯突出事故、灾害的发生具有一定的实践与理论指导意义。     

结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

煤力学特征的对比试验分析及其在煤与瓦斯突出研究中的应用

运用一种新的构造煤采样与加工方法,通过大量的试验测定,对比分析了原生结构煤和构造煤的力学特征;定量讨论了主要力学参数间的相关关系,给出了描述煤体破坏状态的分布函数式,并且模拟构成煤与瓦斯突出4个主要能量体之间的相互作用,建立了简化力学模型;从理论上证明了构造煤厚度是煤与瓦斯突出的一个启动因素,讨论了计算其临界值的可能性.     

高应力条件下南京砂破碎特性的试验

对南京砂进行了不同终止压力下的侧限压缩试验,研究其高应力下的破碎特性.对试验前后的试样进行颗粒分析,并运用修正后的Hardin模型对其破碎进行了度量,分析了试样的粒径及级配与破碎率之间的关系.结果表明:当应力从20MPa增加到120MPa时,不同粒径土样发生了不同程度的破碎;粒径为0.5～1mm的颗粒在相同的应力下相对破碎Br明显小于粒径为2～5mm的颗粒;2种不同级配的颗粒,级配良好的试样在应力为120MPa时Br为16%,而级配不良的试样在相同应力下Br为26%.因此,颗粒破碎程度随所受压力和颗粒粒径增加而增大,且颗粒级配越差颗粒破碎率越高.     

吴寨矿庚组煤层煤与瓦斯突出危险性预测

随着采深的延伸和采掘强度的增大,非突出煤层或矿井的突出危险性预测与评价为保证煤层的安全开采提供了重要保障。平煤股份二矿庚20煤层曾发生煤与瓦斯突出现象,作为相邻矿井的吴寨矿在开采庚20煤层前需要确定其煤与瓦斯突出危险性。应用单项指标法对吴寨矿西翼采区标高-400 m以浅庚20煤层进行了煤与瓦斯突出危险性预测。结果表明,在该区域内庚20煤层的煤体破坏类型、坚固性系数均达到了突出煤层的临界指标值,但是煤层瓦斯压力和瓦斯放散初速度未达到临界指标值,因此,在该区域范围内庚20煤层不具有煤与瓦斯突出危险性,该结论指导了矿井安全生产和高产高效。     

围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

力学性质是基于水合原理预防煤与瓦斯突出的核心问题之一。以具有突出倾向煤体制备的型煤为研究对象,利用自主研发的瓦斯水合物生成与三轴压缩一体化装置,开展了围压影响下含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。结果表明:三种围压下,应力-应变曲线均为软化型;不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,而内摩擦角的变化较小;含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量随着围压的增加呈线性关系增加,围压对含瓦斯水合物煤体的力学性质有所强化。