红菱煤矿石门揭煤突出过程模拟研究

运用Ansys、Flac3D有限元分析软件,在实测地应力、煤岩体力学性质和瓦斯压力的基础上,以红菱煤矿‘6.20'特大煤与瓦斯突出事故为背景,对煤与瓦斯突出中地应力、瓦斯压力、煤岩体力学性质等综合作用下的复杂力学过程进行了数值模拟;并对揭煤前的应力集中、揭煤后应力诱发煤岩破裂和瓦斯压力驱动下的煤体抛出三个阶段进行了阐述.模拟结果,较好地再现了含瓦斯煤岩由萌生裂隙、发生破坏、大量突出直至突出孔洞达到稳定、突出停止的过程,并与事故现场调查结果进行了对比,两者具有较好的一致性.红菱煤矿石门揭煤突出过程的机理研究,对该矿后期的深部开采具有一定意义.     

煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力作用机理探讨

基于煤岩破裂损伤理论和气固耦合方法,针对不同地应力和不同瓦斯压力条件,采用RFPA2D-Flow数值计算软件对煤与瓦斯突出发生、发展过程进行数值研究,获得了煤体裂纹孕育、扩展演化规律及突出孔洞变化特征,并结合红阳二矿、西马煤矿突出实例进行验证分析。研究表明:地应力与煤与瓦斯突出发生所需的最小瓦斯压力呈线性反比关系,地应力越高突出所需的瓦斯压力越小;高地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在剪-拉应力作用下,形成以"–"型和"I"型裂纹组成的网格型裂纹,宏观破坏呈楔形分布,而较低地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在拉应力作用下,形成"I"型裂纹,宏观破坏呈环状分布;突出过程中地应力的作用使煤体破坏以楔形方式发展,瓦斯的作用使煤体破坏以弧形方式发展,突出孔洞的最终形状由地应力和瓦斯共同决定。     

煤与瓦斯突出过程中瓦斯作用的研究

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防与控制，分别从孕育和突出两个阶段阐述了瓦斯在煤与瓦斯突出中所起的作用，指出了煤层吸附瓦斯和裂隙瓦斯对煤的物理力学性质的影响；由于空隙瓦斯的存在, 加剧了煤体失稳破坏的过程；特别指出突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能；并根据这一结论提出了相应的防突措施.     

斜井揭煤预抽瓦斯注浆防突技术实践

通过对煤与瓦斯突出过程和防突机理的分析,提出降低瓦斯压力和增加煤体极限破坏强度,使煤岩体不满足破坏失稳和抛出条件的揭煤防突思路。以新疆某矿地质条件为基础,在斜井揭煤过程中,采用预抽瓦斯和煤体注浆相结合的综合防突技术,较好地解决了该矿斜井揭煤防突技术难题。     

掘进工作面煤岩失稳的动态分析及能量判据

煤岩的失稳是煤与瓦斯突出发生的先决条件。以理论分析和数值模拟为主要手段,分析了石门和煤巷掘进工作面煤岩体失稳前后应力和瓦斯的动态变化,研究了应力和瓦斯对煤岩体失稳的作用和影响,建立了煤岩体卸围压破坏过程中应力变化的动态分析模型,分析了破坏过程中升压和降压2个不同的阶段,解释了动态扰动下煤岩易于发生失稳的原因和机制,并提出了掘进工作面煤岩失稳的能量判据。以上研究对进一步揭示煤与瓦斯突出的发生机理和突出的探测预防具有一定的指导作用。     

基于量纲分析讨论煤与瓦斯突出的影响因素

煤与瓦斯突出的机理非常复杂，难以用常规的解析方法进行建模研究，量纲分析是研究此类问题的有效方法。使用量纲分析的方法，对煤与瓦斯突出问题的性质和控制参数进行分析。结果表明，煤与瓦斯突出过程中主要发生3种物理现象，分别是准静态岩体系统的失稳、孔洞壁煤体的连续破坏，以及碎煤—瓦斯两相流的运动。讨论了这3种现象的问题实质、建模方法和状态变量，在此基础上应用量纲分析方法，构建了一系列对煤与瓦斯突出起控制作用的无量纲数。通过无量纲数导出煤与瓦斯突出的主要影响因素，以及各个影响因素之间耦合作用对煤与瓦斯突出发生规律造成的影响。     

煤与瓦斯突出过程煤体破裂演化规律

研制了一套煤与瓦斯突出模拟实验装置，通过高速摄像对突出全过程进行实时观测，从而实现对突出过程中煤体破裂演化规律进行了分析。通过对12次试验结果的分析发现，煤与瓦斯突出是个力学发展过程，它经历了孕育、启动、发展和停止4个阶段，受瓦斯压力和孔洞壁的径向应力大小影响，煤与瓦斯突出多次间歇式发展；实验条件下，煤与瓦斯突出启动后，从发展到结束过程耗时不足0.1 s；位于试验装置不同部位的煤体，突出瞬间煤体运动轨迹各不相同；通过对突出后煤体的裂纹分布规律进行分析，发现裂纹几乎平行出现，且裂纹的倾斜角度处在65°~70°，裂纹近似圆弧，圆心位置在突出口；试验还发现在0.481~0.764 MPa存在一个临界瓦斯压力值，可以使突出连续发生，从而具备了发生大型突出的瓦斯压力条件。     

煤与瓦斯突出的流变机理

煤与瓦斯突出的内在因素是应力、瓦斯和煤的物理及力学性质,而外在因素是形成集中应力和造成突然卸载的条件。通过对含瓦斯煤体的流变破坏规律进行研究,得出了对煤岩与瓦斯突出现象全面定量化解释的“流变假说”。     

瓦斯突出过程中煤体温度异常变化原因分析

煤与瓦斯突出事故是煤矿最严重的灾害之一,严重威胁着煤矿的安全生产。通过分析煤与瓦斯突出过程中不同阶段(应力集中阶段、煤体破裂阶段、瓦斯撕裂煤体阶段、抛出搬运阶段及静态解吸阶段)的温度异常变化原因,探讨了煤体温度变化与突出危险的内在原因,分析了利用煤体温度变化预测预报煤与瓦斯突出的可行性,为突出预测预报提供一种新思路和新方法。     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明:突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增大,且随着应力增大,突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2~3个数量级;突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势,在孔洞壁处形成较高压力梯度,是突出持续发生的必要条件。     

我国煤矿岩石与CO_2突出机制探讨

煤矿岩石与CO_2突出危害严重,但发生频度较煤与瓦斯突出低,导致多年来对岩石与CO_2突出机制研究一直不够系统深入。为解决这一问题,在前人研究成果的基础上,分析了我国发生岩石与CO_2突出矿区含煤地层的CO_2成因,总结了岩石与CO_2突出规律和特征,建立了岩石与CO_2突出物理模型,剖析了岩石与CO_2突出过程、力学环境和能量条件。结果表明:参与突出的CO_2均为无机成因型,与岩浆岩活动和煤田自燃热解有关;岩石与CO_2突出是地应力、承压气体、突出岩体力学性质等因素综合作用的结果,由于参与突出的气体富集受气源控制,岩石与CO_2突出危险区域呈点状或条带状分布;基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论建立的岩石与CO_2突出关键结构体模型与突出现场环境吻合,突出砂岩命名为结构1,对突出砂岩起支撑包裹作用的岩体分别命名为结构2、结构3和结构4;岩石与CO_2突出过程经历了准备、启动、发展、终止4个阶段,突出准备阶段包括形成关键结构体直到突出激发完成,突出启动阶段是一个瞬态过程,突出启动与结构1的能量大小有关,只有当结构1积蓄的能量大于突出所需能量,即能量判据Ce≥1时才能成功启动;利用关键结构模型和能量判据能够揭示典型岩石与CO_2突出事故的启动机制,为岩石与CO_2突出防治提供了依据。     

煤与瓦斯突出物理模拟相似准则建立与分析

相似准则是物理模拟的理论依据,是研发相似材料确定试验条件的基本前提。煤与瓦斯突出物理模拟相似准则是制约模拟试验发展的瓶颈。针对描述煤与瓦斯突出全过程的力学模型尚未建立的现状,尝试采用描述突出孕育阶段的气固耦合模型进行相似准则推导。基于气固耦合方程,采用相似变换法推导了相似准数。该组相似准数可保证煤岩变形破坏规律相似,却难以发生突出现象。提出了采用能量模型推导煤与瓦斯突出相似准则的思路。改进了前人的能量方程,经过相似变换导出了新的相似准数。该组相似准数可保证试验模型与原型能量集聚、转移和释放规律相似。结合两组相似准数,在保证能量模型相似的基础上,考虑煤岩变形破坏规律相似,确定了煤与瓦斯突出物理模拟相似准则。与前人的物理模拟试验结果进行对照,验证了相似准则的合理性。     

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。     

孔隙压力在瓦斯突出过程中的作用机理研究

考虑了煤岩体物理力学性质的非均匀性和非连续性的特点,应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-GasFlow),对不同孔隙压力下煤体发生瓦斯突出的特征进行数值试验研究,分析了孔隙压力对瓦斯突出的影响。研究结果表明,不同孔隙压力条件下,煤体的破裂形式及瓦斯突出特征是不同的:当孔隙压力较小时,煤体产生剪切破坏,形成煤体倾出,此时,地应力在瓦斯突出中起主导作用。     

瓦斯突出过程中煤体渗透性作用机理研究

本文考虑了煤岩体物理力学性质的非均匀性和非连续性的特点,应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-GasFlow),对不同渗透性煤体在开采过程瓦斯压力的分布特征、瓦斯突出特征进行了数值试验研究,分析了渗透性对瓦斯赋存及瓦斯突出的影响.研究结果表明,不同渗透性条件下,瓦斯的分布特征、煤体的破裂形式是不同的,瓦斯和地应力在突出中所起的作用也是不同的.     

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。     

立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出RFPA仿真模拟研究

通过建立立井井筒物理力学模型,运用RFPA2D对立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出过程进行模拟,再现井筒揭煤时煤与瓦斯突出过程,分析所得图表,总结立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出的一些规律,为立井井筒揭煤制定合理有效的煤与瓦斯突出防治措施提供理论依据。     

石门揭露冻结煤层瓦斯突出过程的数值模拟

针对新提出的石门揭煤注液冻结防突方法,根据煤与瓦斯突出与煤层力学性能、煤层冻结温度之间的关系,结合人工冻结工程实践,采用岩石破裂过程分析RFPA2D系统,确定模型尺寸和边界条件,建立了石门揭露冻结煤层过程气固耦合数学模型。设定冻结温度下煤层的单轴抗压强度、弹性模量及瓦斯压力等相关参数,数值模拟了不同冻结温度下龙家山煤矿-400 m水平2#石门揭露6#煤层过程。数值模拟表明:当6#煤层温度降为-10～-20℃时,该石门揭煤工作面突出危险性将大为降低。综合冻结时间、能源消耗和防突效果,选定-10℃作为该石门揭露冻结煤层控制温度,可以提高突出矿井石门揭煤工程的经济效益。     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。