煤/瓦斯突出过程中的能量释放机理

将煤／瓦斯突出过程中能量释放的热动力学过程应用于煤层中瓦斯气迁移理论的有限元分析方法中,提出了 一种分析煤／瓦斯突出过程的能量释放机理。通过数值分析比较煤层发生突出所必须的弹性功与煤／瓦斯突出过程中 所释放的瓦斯内能,发现瓦斯解吸附所释放出的能量是引起煤／瓦斯突出的主要原因。此外,还进一步讨论了在等温 和绝热情况下煤／瓦斯突出过程中能量释放的机理。     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

从理论上分析了煤与瓦斯突出过程中温度的变化趋势,并在实验室对其进行了实验验证,认为在煤与瓦斯突出过程中,煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的,而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的。其变化是先升高后降低并连续变化的,根据煤体温度变化梯度可以进行瓦斯突出的预测预报。     

煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报的研究

利用非线性理论－－突变理论，对煤与瓦斯延期突出机理进行了研究，认为延期突出的滞后时间是由地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学特性及外力作用（爆破）等的共同作用所产生的，并依此提出延期突出的预测预报方法。     

吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响与能量分析

煤层中高压瓦斯主要以吸附态为主,为了研究吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响,利用吸附性依次增强的氦气、氮气、甲烷和二氧化碳模拟相同气压下吸附瓦斯含量的不同。将0.75 MPa的上述4种气体充入物理力学性质相同的型煤并充分吸附,模拟游离瓦斯含量相同、吸附瓦斯含量不同的煤体,考虑4种不同强度型煤开展16次瞬间揭露试验。试验发生9次持续时间1 s左右的突出现象,对于低强度型煤试验不吸附的氦气也发生突出现象;试验结果表明随吸附气体含量增加,型煤发生突出的风险增大,吸附气体含量越大其突出强度越大。提出吸附气体膨胀能的测定方法,根据突出能量公式计算发生突出的煤体弹性能、吸附及游离气体膨胀能等突出潜能和煤体破碎功、抛出功等突出耗能,突出潜能与突出耗能基本相等验证吸附气体膨胀能测定方法的合理性。能量分析表明参与突出过程的吸附气体膨胀能占总气体膨胀能的7.9%~32.3%,占突出潜能的6.5%~25.6%,且其占比随吸附气体含量增大而增大。研究成果为揭示、量化吸附瓦斯含量在突出中的作用提供参考和依据。     

煤与瓦斯突出过程的细观机制研究

 煤与瓦斯突出过程是地下煤矿开采中的一个很复杂的动力灾害问题。在综合收集整理国内外煤与瓦斯突出模拟研究基础上,以颗粒法为基础,建立数值模型和模拟过程,对煤与瓦斯突出过程中相关的微裂纹和位移演化、应力和速度场演化、瓦斯压力和颗粒分层刚度比等细观机制进行模拟和研究。研究结果表明：采用颗粒法模拟所得出的煤与瓦斯突出过程是一个相对很快的动力过程,发生的时间极短,煤岩体损伤主要以拉裂纹为主,剪切裂纹主要集中在瓦斯突出前端,而拉裂纹则深入到煤岩体中的更深部位;同时研究认为瓦斯压力对煤岩体损伤有很大影响,当瓦斯压力相对较小时,剪切裂纹主要在分布侵入体前端,而拉裂纹则沿着侵入煤岩体贯入一定的深度。当瓦斯压力相对较大时,剪切裂纹与拉裂纹贯入深度基本一致,且在煤岩体的损伤中,剪切裂纹比例随之增大;最后对模型中的分层刚度比与裂纹分布形态和应力分布进行了研究,当分层刚度比不相同时,其裂纹传播速度和形态都不相同。这些研究对于认识瓦斯突出机制和瓦斯突出防治提供了理论基础。     

煤与瓦斯突出矿井开采中相关问题探讨

我国很多煤矿经过几十年的开采,开采水平逐渐向深部延深,随着矿井开采深度的增加,煤层瓦斯压力和瓦斯含量也在逐年加大,一些矿井由低瓦斯矿井逐渐转变为高瓦斯矿井或是煤与瓦斯突出矿井,我国已成为世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家。鉴于此,本文对煤与瓦斯突出矿井开采中相关问题进行了探讨。     

基于GIS的煤与瓦斯突出预测系统研究

论述了基于GIS的煤与瓦斯突出预测系统的可行性研究,提出了基于GIS平台的煤与瓦斯突出预测的新方法,讨论了如何利用GIS技术和计算机技术实现瓦斯区域预测的科学自动化管理,提供了基于GIS的防突措施决策。     

基于改进BP神经网络的煤与瓦斯突出预测模型

煤与瓦斯突出已成为危害煤矿安全的重大灾难之一,工作人员对瓦斯突出灾难的预防工作已是现在重要的研究项目。目前的瓦斯突出预测工作中,不同程度的有着一些对预测精确度造成影响的因素,如逻辑推理组合效率低等。利用BP神经网络结合瓦斯突出样本建立了一个预测模型,对BP神经网络算法进行了改进,最后根据提供的某煤矿的数据作为样本,利用MATLAB软件对其进行仿真测试,所得到的预测值和实际值拟合程度较高,可以反映出煤与瓦斯突出的真实情况。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用

 为更深层次地探索煤与瓦斯突出机制,在同类突出装置的基础上自主研发了“大型煤与瓦斯突出模拟试验台”,其主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。分析后认为该试验台具有如下功能：(1) 利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载,模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。(2) 可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验。(3) 利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔,实现了对突出煤样的“面充气”功能。(4) 通过快速释放机构,可瞬间打开突出口使突出端突然卸压。(5) 实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。试验结果表明：有典型的梨形突出孔洞出现,突出的粉煤有明显分选性,且瓦斯压力越大其突出强度越大。所得试验结果与现场突出特征吻合,说明该试验台具有良好的煤与瓦斯突出试验模拟功能。     

煤与瓦斯突出的“霰弹”模型及其变化规律

煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯作用下,瓦斯携带煤块向自由面冲出的过程,该过程的参数变化反映了煤与瓦斯突出变化的规律。由于煤炭开采的周期来压作用和含煤地层力学性质的各向异性,含煤地层中不同区域的瓦斯集中程度不同。这些高压瓦斯加剧了煤体破裂,形成的裂隙也为瓦斯的宣泄创造了通道。一旦有距离合适的自由面,瓦斯就会冲破阻力,携带大量煤块向自由面急剧冲出,形成煤与瓦斯突出。此过程与"霰弹"发射相似,因此采用"霰弹"模型描述。结合瓦斯突出的动力学过程与数值计算结果分析发现,要避免煤与瓦斯突出,阻止"霰弹"发射,提出了防治瓦斯突出的措施:破坏"炮弹",即改变煤体块度,尽量降低煤块颗粒直径;破坏"枪筒",利用爆破制造煤与瓦斯突出区域的排出通道,降低瓦斯密集度;阻止扣动"扳机",利用爆破方法改变煤与瓦斯突出倾向区域的地应力传递。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中最严重的动力灾害,其突出机制不清制约了灾害预警的可靠性和有效性.采用声发射监测技术,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,结合DS5系列全信息声发射信号分析测试系统,开展深部矿井不同埋深下煤与瓦斯突出相似模拟试验,分析煤与瓦斯突出能量演化过程,建立声发...     

Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries

Coal and gas outbursts are a complex catastrophic unstable phenomenon that involve the ejection of large volumes of coal, and are often accompanied by gas, such as methane, carbon dioxide or a mixture of the two. Coal and gas outbursts are prevalent in deep and gassy mines where face advance rates are rapid, and where gas drainage is either poor or absent. The occurrence of progressively larger coal and gas outbursts, and the potential for the catastrophic collapse of coal pillars, is of increasing importance as mining is extended deeper in seams rich in methane and other hydrocarbons. A unique coupled gas flow and solid deformation numerical model, viz., RFPA^2D-GasFlow, has been developed and is applied to simulate the evolutionary process of such catastrophic coal failures in underground collieries. The finite element model, which incorporates the physics of gas flow in the coal seam, the physics of coal deformation and instantaneous failure, and the cross-couplings between them, is proposed. The model also incorporates small-scale variability in deformation modulus and strength of the coal and surrounding rock. The variability in modulus and strength is distributed via a fine-scale resolution model according to the Weibull distribution, where the distribution parameter determines the level of heterogeneity. This numerical model is applied to simulate the whole process of coal and gas outbursts, including stress concentration, coal fracturing, gas pressure-driven expansion, and outburst. The instantaneous outburst process and associated stress fields, gas pressure gradients and displacement vectors are presented step by step. The numerical simulations indicate that the instantaneous outburst is a complex phenomenon involving interactions between gas pressure, stress and the physico-mechanical properties of the coal, and it can occur under a variety of conditions. Successful numerical simulation of the whole coal and gas outburst process provides the basis for identifying the outburst mechanisms, parameterizing the causative processes, and to defining potential precursors of failure.     

基于非平衡状态的煤层中气体运移规律研究

煤层气开采过程中,由于裂隙与基质渗透率性能差异性较大,导致储层在长时间内都将处于非平衡的动态调整阶段。然而,目前大多数的试验和渗透率模型只考虑某一固定气体压力的影响,这极大地限制了对非平衡状态下储层气体流动的研究。为此,基于储层为双重孔隙介质的概念,考虑开采过程中基质–裂隙不同的孔隙压力、解吸变形和力学作用对裂隙开度演化的影响,提出了一种预测气体在非平衡状态下的渗透率模型,并用现场数据进行了验证。进一步将渗透率模型代入气体流动方程,采用有限元软件分析了岩芯内基质–裂隙的孔隙压力和渗透率随时空的演变规律。研究结果表明：在岩芯解吸过程中,(1)岩芯内裂隙气体压力受扰动范围大于基质气体压力;(2)基质–裂隙气体压力和渗透率沿岩芯长度呈现非线性分布;(3)基质–裂隙渗透率变化趋势相同。     

Damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock induced by gas adsorption under compression

To reveal the damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock caused by gas adsorption,physical tests and theoretical methods are employed.The results show that adsorption swelling can damage coal rock,which can be distinguished by fractal dimension.A fitting relationship between the adsorption damage and fractal dimension is proposed by experimental testing and theoretical analysis.High gas adsorption pressure proves to be the dominant factor that leads to coal failure softening and gas outburst disasters.Three main parameters concerning adsorption damage include the change rate of released energy density,the transition difference in the post-peak acoustic emission(AE) b value and the change rate of cumulative AE energy.Results show that all the three parameters present a step-type decreasing change with the increase in fractal dimension,and the fractal dimension shows a linear relationship within the same failure mode.Finally,a method is proposed to evaluate coal rock disaster transformation,based on the aforementioned three main parameters of adsorption damage.     

静水压力对原煤瓦斯解吸影响的试验研究

 运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统中煤体瓦斯压力升高0.277%～0.750%。煤中瓦斯压力的变化量δP由两部分组成：孔裂隙压缩引起瓦斯压力的变化量δPV和瓦斯解吸引起瓦斯压力的变化量δPd。随着静水压力的上升,瓦斯解吸引起的瓦斯压力变化量所占总瓦斯压力变化的比例 减小,煤体中瓦斯解吸压力所占初始瓦斯压力的比例ω增大,煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害也越容易发生。     

深孔松动爆破防治煤与瓦斯突出的技术研究

为增加煤体的裂隙长度和范围,提高煤体的透气性,对煤体中进行的深孔松动控制爆破的成缝和防突机理以及爆破参数选择进行了分析研究,研究结果表明：深孔松动控制爆破能有效地增加围岩的松动区范围,增强岩体的透气性,对工作面前方煤体的泄压和瓦斯逸出具有良好的效果。