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。     

突出煤体空间分布及粒径分布特性试验分析

为进一步研究煤与瓦斯突出过程中突出煤体的空间分布与粒径分布特征,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,在相同成型压力3 000 k N基础上,开展瓦斯压力为0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.5 MPa下的煤与瓦斯突出试验。通过水平加载泵站控制,将垂直应力、构造应力、侧向应力均设置为5.5 MPa.结果证明了煤与瓦斯突出的发生存在一个瓦斯临界值,大于这个临界值,突出发生,本试验中突出临界值位于0.25~0.3 MPa之间。随着瓦斯压力的增加,煤样的突出量逐渐增大,相对突出强度也增大,说明在现场中,瓦斯压力是煤与瓦斯突出强度的重要决定因素。突出煤体呈梭形分布,中间有多条带式间隔,吹扫作用明显。突出煤体主要聚集在远处区域,主要为小粒径煤粉,其中直径小于0.25 mm的煤粉占比均大于20%,而小于0.5 mm的均超过45%,个别甚至高达66.7%.大粒径煤颗粒两头多,中间少。突出试验结果与现场实际突出情况有所不同,尤其是在大粒径煤体分布方面,但是综合试验空间、突出发展时间、煤的自然安息角等多方面因素考虑,可以得到合理的解释。     

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。     

振动诱发煤与瓦斯突出的机理

振动是诱发煤与瓦斯突出的重要因素,为此实验研究了振动对瓦斯吸附的作用并从理论上分析了振动对煤体结构的影响,探讨了振动诱发煤与瓦斯突出的机理.结果表明:在振动作用下,煤对瓦斯的吸附量有一定程度的减少,吸附能力降低;振动延长了煤样达到吸附平衡的时间,使吸附平衡压力与未加振动时有所升高,煤样中游离瓦斯增多;振动使煤体内的裂隙增加并扩展,当振动强度达到一定值时煤体内形成较大范围的连通裂隙网;在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下,煤与瓦斯突出的危险性大大增加.     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑动静载加载的含瓦斯煤突出试验系统与应用

为研究深部开采条件下的复杂应力环境中煤层受动态载荷扰动发生煤岩动力灾害的过程和机理,在同类模拟突出设备基础上研制了动静载条件下的煤与瓦斯突出模拟实验设备。该实验装置包括煤样室、突出口装置、加载系统和计量系统。该实验设备能较好地模拟静态载荷和动态载荷共同作用下的突出现象,还可进行瓦斯吸附条件下的动静载突出实验,深入研究瓦斯吸附量对突出的影响。研究结果表明,在相同的动态载荷作用下,无瓦斯解吸过程比有瓦斯解吸过程更容易发生突出;无煤柱影响比有煤柱影响更容易发生突出,并且无煤柱影响的突出强度比有煤柱影响的要大。     

煤与瓦斯突出过程中煤体破坏的有限元模拟

研究了目前有限元软件难以计算的煤与瓦斯突出过程中煤体破坏问题。采用Python语言对ABAQUS前处理模块进行了二次开发,通过Python脚本程序将煤体网格重新划分,并且插入零厚度黏结单元。利用有效应力原理,与ABAQUS基于摩尔库伦准则的摩擦接触结合,实现了瓦斯压力对煤体影响的仿真。利用黏结单元模拟了煤体裂缝的产生与扩展,以及煤体的突出过程。实际仿真计算结果符合实验规律,证明了有限元二次开发技术可以很好地计算煤与瓦斯突出过程中煤体破坏问题,也为Python的二次开发在其他领域的应用提供了参考和借鉴。     

不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出模拟实验

为探讨瓦斯压力在煤与瓦斯突出过程中的作用机制,利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟试验台和同一种煤样,在煤样成型压力、煤样含水率、受力状况等参数均恒定的情况下,分别进行了5种不同瓦斯压力水平下的煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明,煤与瓦斯突出可形成口小腹大的呈梨形或椭圆形的突出孔洞,且突出孔洞容积仅为突出煤体积的1/2～2/3;在瓦斯压力方面存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阀值,高于此阀值时,瓦斯压力愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎和抛出作用;煤样温度呈先升高后降低并连续变化的趋势,利用温度变化梯度可进行煤与瓦斯突出预测预报。     

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.     

不同性质外液对煤与瓦斯突出防治效果影响

针对煤层注水防止工作面煤与瓦斯突出问题,以七台河新兴煤矿92#煤层工作面生产条件为背景,采用数值模拟研究和现场工业试验相结合的方法,研究了注入介质为纯水和表面活性剂溶液时,其对工作面钻孔围岩塑性浸润区和工作面垂直应力分布规律的影响。结果表明:具有煤与瓦斯突出危险的回采工作面预采煤体注液后,能够降低应力峰值、增加峰值距、扩大应力增高区的覆盖范围,从而使防突效果提高;防突效果的提高程度与所注入的外液性质有关,表现为表面活性剂溶液强于纯水;钻孔注液后,孔间塑性浸润区的发展状态与注液压力及所注入的流体介质性质有关。相同流体介质条件下,注液压力越大,塑性浸润区的发育范围也越大;在纯水中加入表面活性剂之后,其孔间塑性浸润区的发育不仅范围更大,速度更快,且在各方向上更为均匀。该研究对注水防止煤与瓦斯突出具有很好的实际指导意义。     

基于电磁辐射原理的煤与瓦斯突出危险性预测

为实现煤与瓦斯突出危险性的动态、连续预测,根据煤岩强度统计损伤理论,分析煤岩电磁辐射强度与应力关系,建立不同泊松比煤岩动力灾害与电磁辐射响应模型。利用基于该模型研制的KBD7在线式电磁辐射监测仪,对沈阳煤业集团红菱煤矿1200工作面集中运输巷和1204工作面回风顺槽进行连续监测,预测两工作面的煤与瓦斯突出危险性。结果表明:电磁辐射强度与常规预测指标、煤与瓦斯突出危险性有很好的相关性;1200掘进工作面电磁辐射临界值为49 mV,煤与瓦斯无突出危险预测准确率为100%,有突出危险预测准确率在70%以上;1204工作面未预测出瓦斯突出危险情况。该方法可实现煤与瓦斯突出危险性的非接触、动态、连续、定向及区域性监测,为煤矿安全生产提供了技术支持。     

煤与瓦斯突出的时间效应与管理体系研究

随着煤矿开采深度和机械化程度的加大,煤与瓦斯突出的威胁日益突出,为了更加清楚的研究煤与瓦斯突出的机理和过程,对煤与瓦斯突出过程中的主要影响因素进行了分析,认为瓦斯内能是突出的主要能量来源,而瓦斯内能是由瓦斯含量决定的。通过对煤与瓦斯突出过程的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段的分析,建立了煤与瓦斯突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急响应时间矢,并进行了煤与瓦斯突出的时间效应的分析,建立了基于时间效应分析的煤与瓦斯突出管理体系,以提高矿井的抗灾减灾能力。     

煤与瓦斯突出后对防突风门破坏的数值模拟

采用数值模拟的方法对煤与瓦斯突出后对防突风门的破坏特性进行研究,阐明突出时作用在门上的反射超压,给出其计算式;并以相似模拟实验所获得的风门压力数据为基础,运用ANSYS软件对防突风门的破坏特性进行了模拟,模拟结果表明:门垛最薄弱的地方就是风筒所在位置;同时表明,最先到达防突风门的冲击波压力并不呈现最大值,由于反射超压作用的,几百毫秒后防突风门所受压力会突然上升达到最大值,这与实验结果相近.     

煤与瓦斯延期突出模拟试验及机理

利用自行研发的"大型煤与瓦斯突出模拟试验台",进行了非均衡荷载的无扰动和钢球捶击扰动情况下的煤与瓦斯延期突出试验.结果表明:延期突出过程可划分为准备、发生、发展和结束4个阶段,突出煤粒表现出很好的分选性,突出后的煤岩体可分为突出孔洞、松动区和未动区3个部分;在外力诱导作用下,延期突出门槛值降低,发生突出的可能性增大;发生延期突出的临界瓦斯压力和水平应力呈线性关系,临界瓦斯压力和突出强度呈非线性关系.重新定义了煤与瓦斯延期突出概念:在主要破煤岩作业结束形成新的采掘空间一段时间后或人员在从事辅助作业时,发生的煤与瓦斯突出;并根据试验结果初步分析了延期突出机理.