煤体瓦斯吸附与放散过程中的应力分析

为研究煤体在吸附和放散瓦斯过程中的力学特征,使用煤层瓦斯动力作用模拟系统试验平台,建立了煤体瓦斯吸附与放散物理试验模型,对煤体在瓦斯吸附和放散过程的煤体总应力、瓦斯压力和瓦斯放散速度等参数进行了监测。模拟试验结果表明：对于刚性围岩中的煤体,当煤体瓦斯从游离态向吸附态转化过程中,煤体总应力略微降低,孔隙压力和有效应力随时间分别按照对数规律减小和增大;煤体瓦斯向煤体外放散阶段,瓦斯压力和煤体总应力随时间按照负指数规律降低,有效应力随时间略有降低,瓦斯放散速度随时间按照对数规律降低。此研究成果可对矿井瓦斯动力灾害防治和煤层气开采技术理论研究提供参考价值。     

受压状态下块状煤体透气性试验研究

煤层渗透性是瓦斯流动理论重要的研究内容,含瓦斯煤渗透率是反映瓦斯气体于煤层中渗流难易程度的重要指标,是标志着煤层中瓦斯抽采抽放难易程度的关键参数,同时也是煤层瓦斯多场耦合的重要物性参数。以新安矿块状软煤煤样为研究对象,搭建了单轴煤层渗透性试验平台,对煤块渗透特性的固气耦合进行试验研究,旨在探索耦合作用下瓦斯气体的流动和煤岩体的固气耦合特性,以确保高瓦斯煤矿在服务年限内的正常使用。实验结果表明,煤体渗透率与垂直煤体裂隙节理面的轴压和进气压力呈反比关系,而与煤样的体积呈正比关系。     

煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物...     

基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。     

三维应力作用下煤与瓦斯突出模拟试验及机理分析

煤与瓦斯突出是煤矿事故中最为剧烈的动力灾害之一,利用自主研制的"三维加载煤与瓦斯突出模拟试验装置"对煤与瓦斯突出孕育及发生过程进行了三维模拟试验,并进一步探究和分析了煤与瓦斯突出产生机理。研究发现:煤体内部瓦斯压力随体积应力的增大而增大,并且与之有很好的相关性,直至突出发生;建立了煤体应力与瓦斯压力综合作用的突出判断准则,且与试验结果吻合较好,拟合程度较高;提出了煤与瓦斯的突出是一个综合作用的过程,不仅受地应力、瓦斯压力和煤体强度的影响,还与突出口煤岩体抵抗强度有关。     

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。     

气体压力对煤体瓦斯渗透特征的影响

为了研究刚性围岩中不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤体渗透特征,使用了自行研制的煤体瓦斯吸附-解吸试验装置,建立了煤体瓦斯渗透物理模型,分别采用N2和CO2在煤体内进行渗透试验,对瓦斯压力、总压力和渗透速度进行了监测.试验结果表明,同等温度和压力条件下N2在煤体内的渗透速度比CO2大;结果还表明,含瓦斯煤体的渗透速度随气体压力增加按照二次多项式规律增加.此项试验研究对矿井瓦斯动力灾害防治和煤层气开采技术理论研究具有重要的参考价值.     

吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究

煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成,为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦斯压力的变化规律,基于瓦斯防治理论和现场实践,研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数的自动化测试装置,研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明:煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明显,瓦斯压力越大,煤体强度越小,用以抵抗外力破碎的能力越差。     

晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响

含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤体进行了三轴压缩试验,获得了2种围压下含瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤的应力-应变关系、强度等特性。基于莫尔-库伦强度准则进行拟合,得到含水合物煤体和含瓦斯煤体的黏聚力和内摩擦角。研究结果表明,煤体含水合物能够提高刚度和黏聚力,含II型瓦斯水合物煤体抵抗破坏能力更强,煤体含水合物的类型对煤体力学性质有不同的影响。     

煤体瓦斯在声波场作用下的放散特征研究

为了研究声波场作用下的含瓦斯煤体应力演化规律和瓦斯放散特征，使用了自行研制的声波场作用下煤体瓦斯解吸装置，建立了声波场作用下煤体瓦斯放散物理模型，对放散过程中的煤体总压力、瓦斯压力和瓦斯放散速度进行了监测。试验结果表明，声波场作用下的煤体总压力随声波作用时间按照对数规律降低；试验还表明，声波对煤体的机械损伤效应和周期性振动作用能够促进瓦斯的解吸和放散。     

受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明：突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力...     

煤体三轴不同围压下的动态压缩特性

冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害事故是 影响煤矿安全生产的主要问题之一。为研究煤体周围应力 对动力灾害演化过程的影响,采用主动三轴霍普金森压杆 (SHPB)试验系统,对相同加载率不同围压下煤体开展三轴 动态压缩试验研究。试验结果表明,随着围压增加,煤体的 峰值强度呈线性增长,其线性拟合度为95.88%,宏观破碎状 态由完全破碎向未破碎稳步过渡;此外,围压大小不改变煤 体从加载至损伤破碎的所需时间,只改变其动态强度和破坏 应变大小。试验结果说明煤层水平主应力越大,煤体所需完 全破碎的能量越大,且动力灾害的破坏程度越剧烈;并且,煤 层赋存区域应力场大小不改变单位体积煤体的灾变时间,只 会影响灾害破坏强度和剧烈程度。该研究有助于完善三轴 煤岩动力学,为研究煤体赋存应力场环境对动力灾害的影响 提供了理论基础。     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.     

煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理

由于煤矿深部煤岩体物性、应力、瓦斯等因素显著改变,出现了应力主导型突出、低瓦斯压力突出等新的灾害特征。为了更好地指导煤矿深部突出防治工作,基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论,结合所建立的易突出构造煤体渗透率演化理论模型,揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理。研究表明:煤与瓦斯突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯,其关键是设法降低地应力;降低易突出构造煤体所受地应力大小,可起到降低弹性潜能、提升煤层渗透率、促进瓦斯高效抽采、降低瓦斯内能等多重效应;煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害防控应因地施策,从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手,重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后,还可采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施,确保煤矿深部采掘作业的安全。     

不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验研究

使用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验装置开展了不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以分析石门揭煤时含瓦斯煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出发生发展的影响。分析结果表明：突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,所以,石门揭煤时煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出有着一定的控制作用,合理设计揭煤工艺控制煤层新暴露面面积可有效防治煤与瓦斯突出;突出口径影响破断煤体中瓦斯的放散,使得煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同;突出口径越小,煤与瓦斯突出持续时间越长,瓦斯压力降低越慢,瓦斯对煤体的粉碎性越不明显,突出强度也越小,也因此改变了突出时温度变化量,结果在某种程度上说明了突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和抛出特性。     

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。     

大断面掘进煤巷中间充填实现全负压通风试验研究

介绍了在淮南矿业集团新庄孜煤矿进行大断面掘进煤巷中间充填,形成一进一回的双巷,实现全负压通风系统的试验研究方案和研究过程。根据通风网络与瓦斯防治理论分析探讨应用大断面独头煤巷掘进工作面全负压风排瓦斯技术的可行性,以减少掘进头瓦斯积聚,降低瓦斯爆炸事故发生率;分析讨论大断面独头煤巷的支护———压力体系、巷道周围瓦斯煤体内的应力场与防治煤与瓦斯突出的影响因素,改变大断面独头煤巷支护形式,缩小煤体的应力集中区域,以降低煤与瓦斯突出事故发生率,保证掘进工作面安全、高效施工。     

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加两个气体压力传感器和两个温度传感器,进行突出口径分别为10mm,30mm,50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明:在0.75 MPa瓦斯压力条件下,突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出,突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出,突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少,突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态,突出口径越大,煤体突出的距离越远,破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6~5.0mm范围内的煤颗粒比例减小,而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加,体现了突出过程中的破碎功,具有较强的粉碎性。突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响,使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大,瓦斯压力降低越快,瓦斯对煤体的粉碎性越明显,突出强度也越大,突出过程中煤体温度也发生变化,说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。     

负压可控流固耦合三轴伺服实验装置的研发及应用

为了研究抽采负压作用下瓦斯在煤体中的流动规律,自行研发了负压可控的三轴伺服渗流实验装置,通过安装负压加载控制装置,可进行不同恒定温度、加载负压、地应力和瓦斯压力综合条件下煤体瓦斯渗透性实验研究。通过调节不同加载的轴压、围压、进口瓦斯压力及出口负压进行实验,结果表明:轴压增大,煤体在轴向被压缩,径向膨胀变大,体积逐渐变小,煤体被压缩;增大围压,煤体的强度变大;围压、轴压一定,进口瓦斯气压不变的条件下,随施加负压的增大,构造煤煤样的瓦斯渗流速度逐渐变大;负压比较低时(小于15kPa),随负压的增大,其瓦斯渗流速度增加幅度较大;当负压比较高时(大于15kPa),瓦斯渗流速度的增幅越来越小,最终趋于0。     

煤矿采空区瓦斯运移机理及规律研究

在对煤矿瓦斯涌出影响因素分析研究的基础上,对采空区瓦斯来源及运移规律进行了详细的分析研究。研究指出:采空区瓦斯主要来源于开采层及其邻近煤岩层,在压力梯度的作用下,会向采空方向流动;在一定空间范围内,采空区瓦斯压力与时间及距离服从负指数关系。只要有压力梯度的存在,煤体瓦斯就会不断向外流动涌出;瓦斯涌出速度随时间呈负指数关系迅速降低。由于采空区"三带"的形成是一个动态的长时的过程,"裂隙带"瓦斯涌出通常会滞后于"冒落带"瓦斯涌出。该研究对煤矿采空区瓦斯治理具有重要的指导意义和价值。