煤与瓦斯突出固气耦合方法研究

为了解决煤与瓦斯固气耦合的预测问题.煤与瓦斯突出、瓦斯抽放等从力学的角度看其基础都是一致的,都涉及到耦合作用下气体的流动和煤岩体的变形与破裂问题.耦合作用下瓦斯气体的流动和煤岩体的变形与破裂规律的研究,是研究煤与瓦斯突出机理、煤层瓦斯抽放的理论基础.阐述了煤与瓦斯突出的固气耦合机理,重点介绍了国内外煤与瓦斯突出研究方法.,     

煤与瓦斯突出损伤动力演化机理

煤与瓦斯突出中力学性质表现得相当复杂.目前研究很少考虑瓦斯压力梯度对煤的流变破坏作用.本文中基于对煤岩力学性质新的认识,从煤岩损伤破坏的角度出发,综合考虑煤岩的物理力学性质,包括流变性质、地应力和瓦斯压力等因素.根据煤的力学试验结果所表现的非线性弹性性质,在分析瓦斯压力、地应力分别在突出过程中所起的作用基础上,将煤与瓦斯突出具有强烈时间效应的动态力学过程分为准备、发动、发展和终止4个阶段.对瓦斯压力、地应力和重力作用下煤的加速损伤演化所引起的煤与瓦斯突出进行了发生机理的阐述,从而得出煤壁内部瓦斯压力梯度是突出的主要动力源,地应力只是对突出起到辅助作用.对煤岩灾变的延期性、孔洞形状、声发射特征、相对瓦斯涌出量大大超过煤层瓦斯含量、突出煤的分选性、突出的终止过程等现象作新的解释和定性分析.     

石门揭煤过程中煤与瓦斯延期突出模拟实验

利用自行研发的"大型煤与瓦斯突出模拟实验台",用粉和石膏混合材料模拟硬煤岩封闭突出口,进行在恒定垂直应力和水平应力情况下的石门揭煤过程中煤与瓦斯延期突出模拟实验.结果表明:在恒定垂直应力作用下发生延期突出时临界瓦斯压力与水平应力呈乘幂关系,瓦斯压力与水平应力呈反方向变化;在恒定水平压力作用下发生延期突出时临界瓦斯压力与垂直应力呈二次多项式关系,瓦斯压力与垂直应力呈反方向变化;突出强度反映发生延期突出时破坏程度,与发生延期突出时临界瓦斯压力正相关,与地应力负相关.     

一维煤与瓦斯突出波模型

郑哲敏等人1993年发表了考虑渗流破坏、两相流动和空气压缩波的一维瓦斯突出恒稳推进模型,俞善炳等人1997年发表了考虑气固混相流动的强间断模型.本文在这两个模型的基础上,综合考虑渗流破坏、混相流动强间断和空气压缩波,提出了一个关于一维煤与瓦斯突出恒稳推进的模型.根据模型进行数值计算,与实验结果大致相符,利于看清煤与瓦斯突出的基本机理.     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

介绍了通过实验方法测定在煤与瓦斯突出过程中的温度变化，测定结果证实了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过程的多变过程。     

煤与瓦斯突出的机理研究

煤与瓦斯的突出包括:煤与甲烷突出、岩石与甲烷突出、煤与CO2突出、岩石与CO2突出等。该文结合国内外对煤与瓦斯突出的研究的现状,对煤与瓦斯突出的机理、预测与一般规律进行了研究分析。     

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。     

论地质构造对煤和瓦斯突出的控制作用

煤和瓦斯突出是煤矿采掘过程中一种极为复杂的动力现象。一旦发生煤与瓦斯突出，常常在2～3分钟内就会向采掘空间抛出大量的煤和瓦斯，摧毁巷道、掀翻矿车、破坏设备，造成人员伤亡。煤和瓦斯突出对煤矿安全生产构成了严重威胁，探索消除和控制这种威胁的方法和途径十分紧迫和必要。[第一段]     

电磁辐射作用下煤中自由基影响瓦斯突出的研究

目前煤与瓦斯突出灾害仍时有发生,非常严重。本文着重从突出煤的微观分子结构方面寻找瓦斯的来源。理论分析化学变化和粒子相互作用在煤与瓦斯突出过程中的影响,并建立一套电磁辐射实验方案力求通过实验研究含瓦斯煤岩在电磁辐射作用下其物质粒子移动或相互作用,研究煤的大分子结构中部分烷基(CH3-、CH2=CH-)和氢(H-)发生断裂和结合生成新的甲烷或瓦斯的可能性,创新煤层瓦斯灾害防治基础理论。     

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明：随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。     

煤层钻孔卸压效果影响因素分析

钻孔卸压抽采瓦斯是解决瓦斯灾害的有效方法之一。为了研究地应力等因素对煤层钻孔卸压效果的影响,首先从理论上分析了钻孔周围的应力和卸压区范围,利用弹塑性力学理论得到了轴对称情况下卸压区半径的解析解,然后讨论了影响卸压区范围的地应力等各种因素并利用RFPA^2D分别进行了数值分析。结果表明：（1）非轴对称地应力条件下,卸压区半径随着埋深的增大而增大;（2）卸压区半径随着煤层强度的增大而减小;（3）卸压区半径随着煤层周围地应力以及钻孔孔径的增大而增大。     

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.     

不同覆岩结构短壁开采上覆岩层运动的数值分析

不同覆岩性质及其组合对上覆岩层的破坏和运动有着关键性的影响,而回采工作面上覆岩层破坏和运动规律的研究是矿压控制的基础.运用RFPA2D对神东矿区不同覆岩结构的短壁式开采进行模拟,分析比较不同覆岩性质及其组合对上覆岩层运动和破坏的影响,再现受采动影响岩体的破坏和移动规律.     

深孔控制卸压爆破及其防突作用机理的实验研究

本文应用相似理论．爆破力学．岩体力学等知识．探讨了深孔控制卸压爆破及其防突作用机理，并进行了实验室的模拟试验：得出了爆破后煤体周围应力分布状态及其孔洞分布形式，研究工作表明：深孔控制卸任爆破能够防止煤和瓦斯突出的主要原因在于采取措施后能够形成较大范围的卸压区，卸压区的形成是防灾措施有效性的必要条件。     

跳变值的研究

着重研究了当系统在奇异函数激励下,如何根据微分方程式去确定跳变值,从而进一步求出系统的响应     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...     

地堑和地垒构造对采煤沉陷影响的对比数值试验

为研究地堑和地垒构造对采煤沉陷的影响,建立了仅地质构造形式不同即地堑和地垒,而含煤岩系地层结构及其力学性质完全相同的两个采煤沉陷模型,然后采用东北大学岩石破裂与失稳分析系统RFPA对这两个模型分别进行开采条件相同的数值模拟试验.试验结果表明:在相同的开采强度下,地堑构造形式下的地表下沉幅度小,形成连续的弯曲下沉,但下沉盆地范围较大,采煤沉陷相对较弱,因此,地堑构造具有较强的抗扰动能力;地垒构造形式下的地表下沉幅度较大,易于形成不连续变形如槽型塌陷等,而下沉盆地范围较小,开采时较容易引起地表环境的损害,因此,地垒构造抗扰动能力较弱.图4,表3,参11.     

地震作用下地裂缝的形成机理研究

根据对南部县龙背石山地质构造环境和地震波作用原理的分析,通过龙背石山地震裂缝形成的内部条件和外部因素,进一步分析了山体变形破坏特征和发展趋势,为地震裂缝的认识和灾害防治提供了理论分析依据。     

基础承载力分析中土体流动机制的细观分析

介绍了颗粒体非连续变形分析方法的基本原理.采用自行研制的颗粒体非连续变形分析程序对基础(浅基础与深基础)极限承载力分析中的土体流动机制进行了细观上的数值模拟.并与模型试验以及经典滑移线法的结果进行了比较,数值模拟的结果再现了模型试验中的土体极限状态下的流动机制,为研究土体极限状态下的细观分析提供了一条途径.     

神东矿区短壁单翼旺采矿压规律的研究

针对神东矿区各煤矿不同地质条件、上覆岩层组成情况及煤层赋存情况,运用RFPA2D数值模拟软件,分析了不同上覆岩层结构(松散层厚度、基岩厚度、直接顶厚度)对短壁单翼旺采工作面岩层运动和矿山压力的影响规律,为神东单翼旺采工作面安全高效开采提供了理论依据。