煤体剪切破坏过程电磁辐射与声发射研究

用剪切实验台和电磁辐射、声发射接收系统对煤体剪切破坏的电磁辐射、声发射特征进行了研究 .结果表明 ,煤体剪切破坏过程中电磁辐射和声发射有两种类型 :一种是在加载初期出现较高的强度 ,加载中间阶段有较为平静的区域 ,主破坏发生前又逐渐增强 ,破坏时出现较高的强度 ,破坏后逐渐减弱 ;另一种是随应力增大电磁辐射和声发射持续增强直至破坏 ,破坏后减小 .试验结果与预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害的现场测试结果吻合 .     

含瓦斯煤体渗透失稳判别式

为了研究含瓦斯煤体渗透失稳发生机理,假设煤层以分层形式发生失稳,提出"修正气压梯度"指标。应用总应力法,推导"临界修正气压梯度"的数学表达式,该式表明:"临界修正气压梯度"与煤体抗剪强度成正比、与煤层圆形(矩形)暴露面半径(短边宽度)成反比。结合该式,对煤与瓦斯突出的一些现象及渗透失稳发展过程影响因素进行了分析,得出失稳分层厚度随气压梯度降低而增加,以及失稳推进速度不是常量等结论。     

煤与瓦斯突出的土力学分析

为了探索煤与瓦斯突出机理,根据岩体结构分类方法,把破坏类型为Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类的煤视为散体结构岩体.借鉴土力学流土失稳理论分析煤与瓦斯突出机制,把临界失稳梯度作为煤体的抗突强度指标.通过对煤体瓦斯压力梯度变化过程的分析,指出低透气性煤比高透气性煤更容易发生高强度突出的原因是由于低透气性煤的"失稳分层"的单位体积煤体具有更高的气体膨胀能.提出隔渗帷幕法和反滤层法2种控突思路.     

淮南矿区井田小构造对煤与瓦斯突出的控制作用

井田小构造要素是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素,它综合影响其他因素,会造成不同破坏程度的煤体结构.对淮南矿区煤与瓦斯突出点构造资料的统计表明,突出点受构造控制的占近64%,而煤、岩巷中的构造控制突出占近72%,突出点由小断层引起煤层产状及煤体结构强烈揉皱的占100%.淮南矿区煤与瓦斯突出点的构造组合形式分断层构造、断层与褶皱叠加和褶皱构造三类,其中断层组合又分地堑型、阶梯型、断层交汇型、挤压构造型和顺层断层型五种.小构造发育是造成煤与瓦斯突出平面分区性和空间分带性的主要原因,构造煤发育程度是造成煤与瓦斯突出发生的直接原因;必须进一步加强小构造对构造煤发育控制范围的研究,提高煤与瓦斯突出预测预报地质构造指标的可靠性.     

淮南矿区井田小构造对煤与瓦斯突出的控制作用

井田小构造要素是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素,它综合影响其他因素,会造成不同破坏程度的煤体结构.对淮南矿区煤与瓦斯突出点构造资料的统计表明,突出点受构造控制的占近64%,而煤、岩巷中的构造控制突出占近72%,突出点由小断层引起煤层产状及煤体结构强烈揉皱的占100%.淮南矿区煤与瓦斯突出点的构造组合形式分断层构造、断层与褶皱叠加和褶皱构造三类,其中断层组合又分地堑型、阶梯型、断层交汇型、挤压构造型和顺层断层型五种.小构造发育是造成煤与瓦斯突出平面分区性和空间分带性的主要原因,构造煤发育程度是造成煤与瓦斯突出发生的直接原因;必须进一步加强小构造对构造煤发育控制范围的研究,提高煤与瓦斯突出预测预报地质构造指标的可靠性.     

含瓦斯原煤三轴压缩变形时的能量演化分析

为了探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量演化规律,理论推导了恒定围压下含瓦斯煤样压缩变形时的能量计算公式.针对平顶山矿区八矿己15-14120工作面瓦斯突出煤体进行了4组不同瓦斯压力下的压缩破坏试验,得到了能量输入密度、弹性能密度和耗散能密度的演化规律.结果表明:1)含瓦斯煤三轴压缩变形破坏过程中,轴压方向能量吸收,围压方向能量释放,瓦斯压力做功与体应变有关.2)煤样达到峰值之前,能量输入密度、弹性能储存密度、能量耗散密度都随着轴向应力的增大而增大,吸收能密度最快,弹性能密度次之,耗散能密度增加缓慢;峰值过后,能量输入密度继续上升,弹性能密度下降,耗散能密度激增.3)基于声发射的能量释放规律与应力-应变曲线有很好的对应,瓦斯压力越大,相对于轴向应变的能量耗散来期越早,同时耗散速率也越快.4)随着瓦斯压力的提高,煤体变形声发射信号初始点、体积膨胀点、峰值应力点处的吸收能密度、弹性能密度降低,耗散能密度增大.     

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。     

三轴压缩下含瓦斯煤体电阻率响应的实验研究

目的 受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电阻率的变化规律是电阻率法预测预报煤与瓦斯突出发生的理论基础。因此,研究三轴压缩条件下含瓦斯煤体破裂过程中电阻率的变化规律十分必要。方法 自主研发一套测试低频条件下受载含瓦斯煤体变形破坏过程中电阻率的实验系统,测试三轴压缩条件下含瓦斯煤体电阻率的变化规律,对实验结果进行分析和解释。结果 结果表明：（1）受载含瓦斯煤体的电阻率变化与所受应力存在显著的对应关系,型煤的电阻率变化规律与应力的对应关系要优于原煤的,对应力降低比较敏感;（2）受载型煤的电阻率变化规律为先上升后下降型和下降型,受载原煤的电阻率变化规律仅有下降型;（3）从原煤和型煤的物理力学以及受载过程中的变形破坏类型、受载含瓦斯煤体变形破坏过程中的煤体结构变化情况、煤的孔隙结构以及导电类型3方面分析解释受载含瓦斯煤体的电阻率变化情况;（4）对受载含瓦斯型煤电阻率变化曲线出现的2种类型进行科学合理的解释。结论 研究成果可为电阻率法预测预报煤与瓦斯突出的发生提供技术支撑。     

祁东矿煤与瓦斯突出动力成因分析

针对祁东矿多发生小型突出且地点多在构造应力区的现状,采用划分地质单元方法评价其煤与瓦斯突出危险性。结果表明:4个地质单元瓦斯赋存条件和主控因素不同,25次突出集中发生的第Ⅱ单元,主控因素为地应力;测试了原岩地应力场特征,发生多次突出的中央回风下山巷道走向为近SN向,与最大主应力方向夹角大,掘进过程中煤体承受应力较大,构造煤发育;对比同一埋深其它已揭露煤层区域,在瓦斯含量相差不大的情况下,动力现象差异很大;这些都证实瓦斯不是突出的主要动力来源,突出主要动力来源为构造应力,这也决定了不会发生大型煤与瓦斯突出,对瓦斯预测和防治有重要指导意义。     

钻孔施工诱发煤与瓦斯突出的机理研究

利用自行研制的煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟煤矿井下钻孔施工,通过高速摄像系统对其过程进行实时监测,对喷孔过程中煤体的裂隙演化特征进行分析;从力学角度对钻孔施工时钻孔前方煤体的受力情况进行了分析,包括切向应力和径向应力;从煤体受到的振动作用角度,对钻孔施工时钻杆对煤体的振动效应进行了分析;同时对钻孔施工时孔内变形进行了监测.基于实验现象和理论分析,提出了基于钻孔施工诱发的煤与瓦斯突出耦合跃迁失稳机理.     

含瓦斯煤体变形规律的实验研究

瓦斯是煤和瓦斯突出的主要能源,研究瓦斯对煤体的作用具有理论和实践意义。实验表明,当煤体吸附瓦斯后发生膨胀变形,其变形规律基本上服从朗格缪尔方程。当解吸瓦斯后,煤体发生收缩变形,基本上服从指数方程。变形值的大小与煤的变质程度、强度和孔隙性质有关。变形值可以作为预测煤体突出危险性的一项指标,并可用于预测抽放瓦斯措施的效果。     

含瓦斯型煤破坏临界慢化前兆特征研究

针对煤岩破坏前兆信号的有效性,开展了等效围压下的含瓦斯型煤加载试验,采集了加载破坏过程中的声发射信号,基于临界慢化原理计算了声发射计数-时间序列的方差和自相关系数,分析了煤样破坏的前兆信号.结果表明:等效围压下,含瓦斯煤在压缩破裂过程中,声发射累计计数随时间的响应经历了初始活跃期、稳定增长期、加速增长期和峰后衰减期;不同围压-孔隙压力下煤样压缩破裂声发射特征均存在临界慢化现象,声发射计数序列的方差和自相关系数在煤样破坏前均出现了增大并持续增加的趋势,可以作为煤样破坏的前兆信号.相比声发射累计计数所表征的前兆信号,缩短了前兆信号与破坏点之间的时间差,前兆信号对应的载荷也更接近试样所能承受的最大载荷,更加表明试样确实进入危险破裂阶段.     

基于突出热动力学的瓦斯膨胀能计算方法研究

瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出的主要能量之一.采用实验室试验、数值模拟和理论分析相结合的方法研究了煤与瓦斯突出过程中煤体温度的变化规律,在此基础上提出了对突出做功的瓦斯膨胀能的计算方法.研究结果表明,煤与瓦斯突出不是大多数学者认为的绝热过程,而是一个偏向于等温过程的多变过程.多变指数可以通过实验测定的煤体温度来计算,吸附瓦斯和游离瓦斯的膨胀功可以利用多变指数计算.     

可视化恒容气固耦合试验系统的研发与应用

为定量分析地应力、瓦斯压力、动力扰动等因素对预静载环境下含瓦斯煤物理力学性质的影响规律,获取不同加载路径和不同瓦斯压力下煤岩体物理力学参数,研制了可视化恒容气固耦合试验系统,配合伺服压力机,形成了以可视化恒容试验仪为主体的试验系统.通过实现含瓦斯煤耦合加载室容积恒定消除了气压改变对加载过程的干扰和误差,利用系统自带的环向位移测试装置和可视化窗口实现了对试件体应变增量、煤体裂隙发育与劣化规律等特征参数的全程可视化实时监测.开展了预加静载条件下不同强度型煤试件峰后快速卸气压扰动试验,模拟了现场煤层揭露致使瓦斯压力下降情况.试验结果表明:气体卸压时间在0.55s内完成,随着煤体强度的提高,游离瓦斯对煤岩试件的劣化程度随之降低;当峰值强度低于1 MPa时,游离气体将煤体完全剥离,强度在1.5~2.5 MPa时,卸压扰动对试件仅造成裂隙的进一步扩展;煤体扩容增量随强度的变化符合第一象限单调递减幂函数方程.仪器的研发为深入研究气固耦合条件下含瓦斯煤精确加载与可视化监测提供了新的测试手段和技术支撑.     

两软一硬煤层突出控制因素与发生规律

针对两软一硬煤层特殊的瓦斯地质条件,以云盖山井田一矿二1煤层为例,探寻了两软一硬煤层煤与瓦斯突出的控制因素,分析了掘进工作面掘进期间突出预测指标的分布特征,总结归纳了"两软一硬"煤层煤与瓦斯突出发生规律.研究结果表明,由于地质构造变动,云盖山一矿二1煤层产状变化较大,煤层倾角发生急剧变化的地带,地应力集中;受层间滑动构造的影响,煤层厚度变化较大,具有突然增厚、变薄以至尖灭、挤灭现象;二1煤层构造软煤呈连续层状发育.因此,在煤层薄、厚交接处(煤层急剧变化带),小断层附近,应力集中,瓦斯积聚,煤体破坏严重,易发生突出.此项研究,可为地质条件类似矿井开展瓦斯地质研究和瓦斯灾害防治工作提供方法借鉴和理论指导.     

煤与瓦斯突出动力效应的模拟研究

为了揭示煤与瓦斯突出启动后巷道内突出煤-瓦斯两相流运移规律及突出冲击波传播特征,利用自行研制的"煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置",进行了低气压条件煤与瓦斯突出动力效应模拟试验.通过实现突出口的主动快速开启、多种流体运移路线、阻力特性的巷道网络布置及参数的全方位实时监测,模拟了该固气参数条件下突出煤-瓦斯两相流在巷道网络中的运移过程.研究结果表明:巷道内突出煤运移经历3个阶段历时3 053ms;突出启动后巷道内气体压力、温度发生跳跃式改变,气压变化持续时间小于1s;突出冲击波阵面平均传播速度为405.36m/s,冲击波超压峰值沿巷道呈衰减趋势,主巷内接联络巷处的冲击波平均衰减系数是其他位置的5倍左右.     

皖北前岭煤矿瓦斯动力现象的基本特征

总结分析了皖北前岭煤矿煤与瓦斯突出现象及其基本特征,确定了同一井田在煤层瓦斯含量等相近的条件下,煤体结构的破碎是影响煤与瓦斯突出的主要因素。提出了在煤层滑褶构造区,滑褶构造体的前端应是因局部残余构造应力集中和煤层增厚而成为煤与瓦斯的强突出区。     

煤岩层断裂破坏区与煤和瓦斯突出孔洞关系研究

应用Ansys有限元程序Mechanical模块模拟了重庆某矿2124机巷掘进头附近的断裂破坏区,并与实际突出孔洞进行了对比.研究表明:煤体中形成的断裂破坏区可用煤体断裂破坏强度理论通过数值计算的方法划分出来;煤和瓦斯突出孔洞由煤体中的断裂破坏区演化、发展而来.分析了重庆某矿30多年的突出台帐,得出重庆某矿远离地质构造的煤和瓦斯突出孔洞具有以下特征:孔洞多位于巷道上方,具有"口袋"形状,并向煤层的走向和倾向方向上展布;孔洞的长轴一般为5～15m,在走向的延伸小于5m;该矿产生的突出孔洞是由压性水平构造应力为主的地应力场导致的断裂破坏区演化而来.     

煤与瓦斯突出冲击波传播规律研究

应用应力波理论研究了煤与瓦斯突出过程中产生的冲击波在煤体界面上的反射、透射现象,得到了入射、反射和透射超压解析解,根据空气动力学分析了冲击波沿巷道方向传播规律.结果表明：透射超压值为入射超压的两倍,而反射超压值略小于入射超压.冲击波超压与冲击气流、突出的膨胀能量成正比,与通风巷道的截面面积呈反比;当冲击波在单个层状煤体中传播时,它会在其两端自由界面上出现反射,反射波反向卸载,自由面上物体振动速度加倍,又将其撕裂成若干个更薄的层状体;当冲击波传播到构造煤和硬煤岩体的分界面上时,产生了强烈的透射和反射现象,透射波在分界面上叠加,其应力值加倍,煤体受到强烈压缩作用,当其超过软煤强度时,软煤被压裂破坏.     

煤与瓦斯突出的地质动力系统失稳判据研究

为了进一步弄清煤与瓦斯突出发生的原因及演化规律,在分析突出现象和已有研究成果的基础上,明确了突出的地质动力系统构成,分析了地质动力系统的演化过程,并构建了地质动力系统的失稳判据.研究结果表明:含瓦斯煤体是突出的物质基础,地质动力环境为突出营造了高构造应力、低强度煤岩体、高瓦斯赋存环境,而采掘扰动为突出提供了激发动力和空间条件;突出的发生需经历地质动力系统的孕育、形成、发展和终止等演化过程;突出的发生需满足地质动力系统形成的力学判据C_1;失稳力学判据C_2和能量判据C_3;利用地质动力系统判据能够揭示典型煤与瓦斯突出事故的发生机理,为掘进工作面突出的预测和防治提供了依据.