煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置及煤与瓦斯突出模拟试验台,对煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理进行了试验分析。研究结果表明：瓦斯运移改变了煤体的力学性质,即降低了含瓦斯煤的强度,加速了其破断进程;在相同围压条件下,瓦斯压力越大,则含瓦斯煤三轴压缩破断程度越高,瓦斯运移通道越多,瓦斯渗流流量则越大;垂直地应力越大,即瓦斯运移越困难的条件下,煤与瓦斯突出强度越大,突出过程中温度下降幅度越大,表明垂直应力越大,煤体破断程度越高,其内部瓦斯解吸量越大,释放出来的能量越多。     

含水率对煤与瓦斯突出强度影响的试验研究

为了获得含水率对煤与瓦斯突出强度的影响规律,利用自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统,在恒定瓦斯压力、轴向应力及煤样成型压力等条件下,进行了不同含水率煤体的煤与瓦斯突出模拟试验;同时提出了包含突出煤量和最远突出距离二元信息的数学方程,用于表示煤与瓦斯突出的相对突出强度。试验结果表明:自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统的试验结果和现场煤与瓦斯突出实际状况相吻合;在轴压8 MPa、瓦斯压力0.8 MPa试验条件下,得出了含水率和相对突出强度呈二次曲线关系;煤体的含水率愈大,则相对突出强度愈小,发生煤与瓦斯突出的可能性也越小。     

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨

为了确定向斜构造煤与瓦斯突出机理,从应力、煤体结构特征和瓦斯压力及含量等方面对向斜构造进行了分析.利用弹性梁的应力、应变理论,分析了煤层与围岩组成的软硬互层系统的层间滑动特征和应力-应变特征、煤体宏观与微观结构特征、瓦斯压力与瓦斯含量分布特征.研究表明,向斜构造的两翼与轴部中性层以上为高压区,中性层以下为相对低压区,距离向斜轴部越近,主应力及其梯度越大.向斜构造形成过程中的层间滑动造成煤体原生结构遭到破坏,煤体强度降低,煤层增厚.向斜构造部位瓦斯生成量亦相对较高,同时中性层以上煤(岩)体中的裂隙和孔隙被压密、压实而闭合,阻止了下部瓦斯的向上逸散,中性层以下的张性作用下的断裂或折裂面、煤体中的割理、节理等降低了解吸压力,形成良好的瓦斯聚集空间,也有助于煤层中吸附瓦斯的解吸,使得向斜轴部瓦斯含量较高.向斜构造同时具备的高地应力、高瓦斯压力(含量)和构造煤发育等3个因素是其发生煤与瓦斯突出的主要原因.     

煤体有效应力规律的实验研究

通过不同围压、不同孔隙瓦斯压力下煤的三轴压缩试验结果,证明了等效孔隙压力系数（α）是体积应力与孔隙压力的双线性函数。该经验函数能较好地描述含气煤体在孔隙压力作用下的力学变形性态,使固气耦合问题的数值分析更逼近实际。     

煤与瓦斯突出粘滑机理研究

根据煤与瓦斯突出的地质力学模型,设计了煤与瓦斯突出过程摩擦滑动模拟实验系统,对地应力、瓦斯、煤体结构等因素的作用机理进行模拟研究,发现在煤与瓦斯突出过程中存在粘滑失稳现象,其特征受多种因素影响;提出了煤与瓦斯突出的粘滑失稳机理;对煤与瓦斯突出中的振动波动、延期突出及突出间歇等现象进行了新的理论解释,指出煤与瓦斯突出粘滑失稳伴生的AE等物理现象对瓦斯突出非接触式连续预报有重要理论意义。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压     

三种应力作用下含瓦斯原煤渗透性分析

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,对杉木树煤矿原煤试样进行了不同轴压、围压、瓦斯压力3种应力因素条件下的室内渗流实验,结果表明:当恒定瓦斯压力与围压不变时,煤样渗透率随轴压的增加而呈非线性降低,且围压越高煤样渗透率越小;当恒定瓦斯压力与轴压不变时,煤样渗透率随围压的增加而呈非线性降低,且轴压越大煤样渗透率越小;当恒定轴压与围压不变时,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而呈非线性增加。3种应力因素对煤样渗透率的敏感度由大至小依次为:瓦斯压力、围压、轴压。3种应力因素与煤样渗透率的单因素拟合结果显示,3种应力因素与煤样渗透率均呈指数函数关系。     

CO_2在煤层中的渗流特性试验

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,开展了不同压力条件下CO_2气体在煤层中的渗流特性试验,并探讨了煤岩渗透速率对应力变化响应的敏感性。研究结果表明,在相同轴压不同围压条件下,随着孔隙压力的增大,CO_2渗透速率增大;围压越大,CO_2渗透速率越小;在相同围压不同轴压条件下,随着轴压的增大,CO_2渗透速率随之减小。孔隙压力越大,应力敏感性系数负向增大,煤样对应力的敏感性越好。在不同轴压与围压条件下,随着应力的升高,应力敏感性系数逐渐降低,即应力越高,煤样渗透速率对应力的敏感性越差。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出,探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析,认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用,具体表现在：随着集中应力区应力值的增加,煤与瓦斯突出的强度增加,抛出的煤体被破碎的效果也更为明显,而且突出后煤体的温度降低量也越大;另外,集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则

基于煤与瓦斯延时突出机理,分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出动力源,阐述了地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质在延时突出过程中的作用及地应力、瓦斯压力时含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系、并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.分析结果表明,煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量,作用力大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等;作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力,瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量.因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.在此基础上,提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则,即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.     

不同围压条件下含瓦斯煤的三轴压缩试验研究

利用改造后的伪三轴渗流设备,以贵州玉舍煤矿K1煤层的型煤试件为研究对象,进行了恒定温度和瓦斯压力,不同围压条件下含瓦斯煤的三轴压缩试验,探究了实验条件下含瓦斯煤的变形特性及其力学参数的变化规律。结果表明:随着围压的增加,含瓦斯煤的应力-应变曲线斜率有变陡趋势,峰值应变有增加趋势,抗压强度和弹性模量逐渐增大,泊松比减小。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,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含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

考虑气体压力的三轴煤与瓦斯突出模拟实验

为了深入探索煤与瓦斯突出演化规律及其孕灾机理,利用自主研发的基于气体驱动多场煤与瓦斯突出试验系统,进行了原煤在不同气体压力和不同应力条件下的煤与瓦斯突出试验,研究了煤样在突出后的损伤破坏特征。得到如下结论:煤样的突出破坏强度随气体压力的增大而增大,特别是气体压力超过临界值2.2 MPa时,会产生喷出煤粉的强烈突出现象;原煤突出后不仅有粉化的煤粉,还有大颗粒的煤和小煤块,从而出现封堵突出口、抑制突出的现象;在煤样没有发生喷出煤粉的强烈突出时,随着轴压或围压的增大,煤样突出破坏强度有减小的趋势;通过分析突出口气体压力的演化规律,可预判煤样突出破坏的程度。     

两向加卸载含瓦斯煤变形破裂数值模拟研究

为了模拟煤矿工作面前方应力变化时含瓦斯煤体的力学特性,应用RFPA~(2D)-Flow软件模拟研究了轴向加载-横向卸载作用下含瓦斯煤的变形破裂规律,讨论了初始围压、轴压和卸载速率效应对试样变形破坏的影响。研究结果表明:在加载和卸载方向,轴向应力和横向应力初期都呈线性增加,当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降,直至煤样失去承载能力时基本保持恒定。初始围压、轴压越大,卸载速率越小,煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大;峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性,而与卸载速率表现出阶梯状,随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。     

含瓦斯煤卸围压蠕变试验及其理论模型研究

以重庆松藻煤电公司打通一矿突出煤层取得的煤样为研究对象,运用自制的含瓦斯煤三轴蠕变加载渗流试验系统,进行了含瓦斯煤卸围压蠕变与渗流试验研究,分析了其黏塑性本构关系与考虑Klinkenberg效应的卸压瓦斯渗流规律。结果表明：通过卸围压可使含瓦斯煤加速破坏,对于脆性煤岩体则容易引起冲击地压或煤与瓦斯突出。由于煤样在加压再卸压的过程中产生大量的宏观裂隙,优化了煤体中孔隙的连通性,会引起瓦斯流动速度显著增加。改进了Chaboche黏塑性本构模型,可用以描述含瓦斯煤的卸压短期蠕变破坏。通过实验数据可以获得该本构模型中的系列参数,并使之与含瓦斯煤的卸压变形吻合。通过试验得出了考虑Klinkenberg效应的卸围压过程中瓦斯流量的变化规律、视渗透率与滑脱系数。     

煤与瓦斯突出三维模拟实验研究

从力学模型入手，按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程，得出了突出强度同瓦斯压力、煤型强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型，分析认为，应力和煤的力学性质是决定突出强度的主要因素。     

煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论

根据煤体变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理，提出了煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论，即突出是含瓦斯煤在体采掘活动影响下，局部发生迅猛，突然破坏而造成的，是应力、瓦斯及煤质３个主要因素综合作用的结果。采用Ｄｉｒｉｃｈｌｅｒ势能量小原理作为突出发生准则，建立了瓦斯对影响的本构关系及煤和瓦斯突出固流耦合的数学模，并用有限元法进行数值模拟，结果表明，采深和瓦斯压的增加都将使突出发生的危险增加。