基于能量理论的含瓦斯煤体突出失稳倾向分析

为了分析构造煤的非稳态扩散特性对构造煤体能量失稳评判的影响,利用稳态和非稳态瓦斯扩散模型,建立了原生煤和构造煤的初始瓦斯扩散系数与压力的函数关系式;基于现有的能量公式,构建了煤体的吸附和游离瓦斯膨胀能的计算模型;分析了埋深与突出能量的关系,探讨了不同埋深条件煤体的突出能量失稳倾向性,获得了构造煤层突出临界埋深为190 m;最后通过现场瓦斯动力现象对结论的准确性进行了验证。     

不同煤体结构组合的煤与瓦斯突出临界瓦斯压力

基于能量理论,分析了瓦斯突出瞬间能量的变化,构建了包括煤岩弹性能、瓦斯膨胀能在内的煤与瓦斯突出的正效应数理模型及煤岩抵抗瓦斯突出能量的负效应模型。根据煤岩应力应变试验,拟合得出了煤岩不同变形阶段力与变形量之间的关系,结合正、负效应耦合模型,计算出了寺河矿不同煤体结构组合下煤与瓦斯突出发生的临界瓦斯压力值。结果表明：在其他条件相似的情况下,随着软煤比例的增加,临界瓦斯压力值呈指数减小,煤与瓦斯突出的可能性大幅增加。利用该方法可以对煤与瓦斯突出临界值进行快速判断,从而采取有效措施。     

软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据

煤与瓦斯突出过程的复杂性阻碍了人们对瓦斯突出机理的探索,为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况,本文采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究,主要结论:巷道开挖后,构造煤的渗透率会骤增使得原来积聚大量的瓦斯突然间释放出来;构造煤分层还会通过界面应力诱发邻近的原生煤塑性体积和塑性变形最大值增加,促进原生煤内部的瓦斯的释放;初始瓦斯压力为0.74 MPa时,单位体积构造煤的突出能量约为原生煤的3倍,构造煤的突出耗散能量却仅是原生煤的0.11倍;构造煤的突出失稳判据大于1,而原生煤的突出失稳判据要小于1。原生煤和构造煤组合体的弹性能、解吸瓦斯膨胀能均是突出能量的主要组成部分,对于组合煤体的区域瓦斯防突措施主要是以降低瓦斯膨胀能为主,局部瓦斯防突措施要同时降低瓦斯膨胀能和弹性能。     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。     

构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

本文研究了5对矿井的两种煤样的吸附与放散特性。吸附实验发现构造煤与原生结构煤相比吸附量有所增加,但增加幅度不大,且这种变化的幅度随着变质程度降低而逐渐变大。构造煤煤样的Langmuir吸附常数"a"值均比原生结构煤较大,变化幅度约为1%~4%,而"b"值却没有明显的变化规律。对比原生结构煤与构造煤的煤体表面吸附自由能估算结果得知大部分构造煤样的比表面自由能有所提高,吸附的表面活性增大。瓦斯放散实验发现,构造煤的瓦斯放散初速度变化相对较大,除麒麟矿外,变化幅度在14%~25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下,构造煤煤体更加破碎,不仅吸附能力得到了一定的提高,瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。     

煤与瓦斯突出强度能量评价模型

从煤与瓦斯突出过程中能量耗散类型与岩石爆破机理的相似性出发,利用新表面学说和热力学定律分别计算了突出煤体的破碎功和突出瓦斯的膨胀内能,建立了煤与瓦斯突出强度能量评价模型。利用该模型对1960-2010年间38起煤与瓦斯突出强度评价分析表明,一半左右突出的瓦斯膨胀能比破碎功大1~2个数量级,仅用抛出煤体的质量来评价煤与瓦斯突出的强度是不合理的;煤与瓦斯突出强度能量评价模型综合考虑了突出过程中煤体的破碎功与瓦斯膨胀能,将煤与瓦斯突出释放的总能量折合成TNT当量,依据不同数量级TNT当量标准,将煤与瓦斯突出强度类型划分为C类突出（小于1 t的TNT当量值）,B类突出（1~10 t的TNT当量值）和A类突出（大于10 t 的TNT当量值）3类更具合理性。     

煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究

对煤与瓦斯突出过程中煤体质点内的能量耗散过程用热力学定律进行了分析；论证了由地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，为谋体内瓦斯能的释放创造了条件；在突出过程中起决定作用的是煤体本身释放的初始释放瓦斯膨胀能．通过突出模拟及测定表明，受地应力破坏后的含瓦斯煤体在卸压初始时刻确实有一个释放瓦斯膨胀能的能量峰，并且该能量峰的大小与揭煤时的动力现象显著与否密切相关．     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压,剪切变形后形成的,其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系,对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比,并结合突出能量进行了定量分析。结果表明,由于构造作用,构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积,其中大孔受到的影响最为显著。此外,构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高,而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段,煤体破碎依赖于应力能的释放,此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源,特别是小于临界粒径的突出煤体,起到了决定性作用。然而,能量分析表明,若要满足临界粒径的要求,原生煤所需应力条件远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此,原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。在实际情况中,即使首先发生破碎的是原生煤或者岩石,突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤,表明构造煤不仅仅是更易于突出,更是突出发展的一个必要条件。此外,就构造煤的储层特性而言,在实验室中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果(差异可达2个数量级),其主要原因可归结为实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中,除了仍需要对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外,还需要探究构造煤样品重构的新方法。     

开采解放层预防煤与瓦斯突出的断裂力学分析

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防和控制,运用断裂力学的基本理论,对开采解放层对防治煤与瓦斯突出所起的作用进行了理论分析,建立了被解放层Irwin-Kies关系的恒位移模型,并系统地分析了该模型内的各种能量关系。采用最大周向应力理论(σ_θ准则)来判断煤体中裂纹是否会扩展,运用能量释放率断裂准则(G准则)来判定裂纹是否会失稳扩展,提出了从减小煤体的应力强度因子和提高断裂韧度方面来防止煤与瓦斯突出的一种新方法。     

基于动态加载方式的煤与瓦斯突出试验

针对煤与瓦斯突出的特征,分析了膨胀剂作为加载方式的试验方法。以浆体形式装入受限空间内的膨胀剂发生水化反应后体积膨胀,对周围介质可以产生50 MPa以上的压力,其压力增加过程具有瞬间突变的动力特征。煤与瓦斯突出是煤层中储存的弹性应变能在应力条件改变时的突然释放。试验将膨胀剂置于煤体中,依靠膨胀剂加载的动力特征再现了煤与瓦斯突出的物理过程。结果表明,受限空间膨胀剂内部加载的试验方法可以真实地营造煤体的受力状态和煤体突出的边界条件,是研究煤与瓦斯突出问题较为理想的新的试验方法。     

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.     

浅谈煤与瓦斯突出机理的假说——二相流体假说

突出机理的研究已先后提出十几种假说,但迄今尚无定论、本文通过对突出的特征和现象的认真分析,提出了突出机理的二相流体假说。其假说的基本理论在于二相流体的膨胀能量大于煤的破坏能而发生突出。即在突出中心形成煤粗与瓦斯的二相流体,二相流体所产生的膨胀能是煤弹性能与瓦斯膨胀能之和的1.5倍,这三种能量之和足以超过煤体本身强度,因而发生突出。     

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究

利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置,在恒温30 ℃、不同压力、不同粒度条件下,研究平顶山和鹤壁的原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸初期速度和解吸量,分析构造煤瓦斯解吸初期的影响因素,建立构造煤瓦斯初期解吸数学模型。实验结果表明：与原生结构煤相比,构造煤瓦斯解吸初期速度更大,其初始解吸速度为1.23~4.20 mL/(g·min),是相同实验条件下原生结构煤的1.36~2.84倍,尤其在前1 min内差别较大;构造煤瓦斯解吸量是一条单调递增的幂函数曲线,0~10 min的瓦斯解吸规律具有分段性,可分为快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段,构造煤前10 min瓦斯解吸量可达1 h内解吸总量的60%。分析认为构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤瓦斯初期特征;构造煤瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增加,但是在极限粒度以下煤粒度对瓦斯初期解吸速度影响较小;瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力呈幂指数关系;构造煤瓦斯解吸初期曲线符合文特式。     

重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用

在大量瓦斯基础参数测试和瓦斯地质资料分析的基础上,从将军岭重力滑动构造的基本特征入手,分析了重力滑动构造的形成机制,研究了重力滑动构造对煤层厚度、煤体结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等的影响,阐明了重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用.研究结果表明,滑动过程造成了煤体原生结构遭到破坏,煤层厚度变化较大,煤的变质程度相对较高,吸附能力相对较强,瓦斯生成量相对较大.重力滑动构造后缘主要受到拉张应力作用,煤层顶板裂隙较为发育,且形成一系列高角度正断层,有利于瓦斯的逸散,不利于突出的发生;滑动构造前缘主要受到挤压应力的作用,易形成逆冲断层组合,并在煤层顶板形成一致密的隔水隔气层,阻碍瓦斯的逸散,使连接点以深瓦斯含量急剧增加,容易发生煤与瓦斯突出事故。     

采动影响下突出煤体温度与声发射特性

利用自主研发的大型煤与瓦斯突出模拟试验装置和16 CHs SAMOS System声发射测试系统,探讨采煤工作面前方卸压带应力水平对煤与瓦斯突出的孕育与发生发展过程中煤体温度及其声发射特性的影响。试验结果表明：在煤体充瓦斯阶段,煤体温度升高,且随着卸压带应力的增大,煤体温度的增量有减少的趋势;在突出发生阶段,煤体温度经历一个陡降突变的过程,但卸压带应力水平的变化对煤体温度陡降突变的影响并不明显;在煤体充瓦斯阶段,随着卸压带应力的增大,Hit率峰值减小,产生的声发射特性不明显,而在突出发生阶段,随着卸压带应力的增大,Hit率峰值增加,产生的声发射特性越加明显。对煤与瓦斯突出全过程中煤体内声发射特性与其温度变化规律分析,发现二者有着密切的内在联系,说明煤与瓦斯突出过程中煤体破裂与能量变化有直接关系。     

煤岩破坏过程弹性能与瓦斯膨胀能演化特性试验研究

煤与瓦斯突出灾害的本质是能量演化至灾变的过程,为了揭示突出过程的能量演化机制,以煤岩试件为对象,试验测定了不同破坏程度煤岩试件的弹性能和瓦斯膨胀能,结果表明:对试件加载时,输入的总能量一部分转换为弹性能,一部分转换为耗散能,峰值强度处弹性能占比约为70%,峰值强度后能量释放,弹性能急剧减小;0.8 MPa气体压力下,瓦斯膨胀能比煤体弹性能高1个数量级以上;峰值强度是弹性能和瓦斯膨胀能突变点。峰值强度处弹性能急剧降低,而瓦斯膨胀能却突增25%以上。由于瓦斯膨胀能是主要能量,这种能量的突变对煤与瓦斯突出的影响是巨大的。     

仿制构造煤的初始释放瓦斯膨胀能特性研究

通过理论分析及采用一定破碎程度的非构造煤来仿制构造煤试验,研究仿制构造煤在初始释放瓦斯膨胀能方面的特征,并探讨其用于鉴定煤层突出危险性的可行性.试验结果表明:在瓦斯解吸的初始阶段,构造煤与仿制构造煤的瓦斯压力、瓦斯放散量、膨胀能均以负指数规律衰减,且在1000 ms之后就基本维持恒定值,并且膨胀能在超临界压力下的衰减速度小于亚临界状态下的衰减速度,衰减曲线在临界压力处产生拐点.相同破碎程度的仿制构造煤与构造煤的初始释放瓦斯膨胀能表现基本一致,这对解决煤层的突出危险性鉴定过程中,由于无法采集或不易采集到那些导致突出的构造煤煤样而采用非构造煤样做出判断失实的问题,有着十分重要的意义.     

构造煤结构与瓦斯突出

采用有机溶剂萃取和煤成烃热模拟实验，对煤层受构造应力作用时的煤结构变化及构造煤的生烃特征进行研究.结果表明：构造煤的正己烷、苯萃取率与原生结构煤基本相近，而氯仿萃取率是原生结构煤的2倍多，构造煤含有很高的氯仿可溶低分子化合物；构造煤分子间的作用力小，决定了构造煤强度低和吸附性能高，从而控制了煤与瓦斯突出灾害的发生；煤的氯仿萃取率可以作为预测煤与瓦斯突出的指标.构造煤生烃潜力小，反映在构造应力作用下，曾经生过烃（瓦斯）.在构造应力作用下，煤中的有机质超前向两个方向演化，一方面聚合形成更大的高芳构化的大分子结构，另一方面则形成低分子化合物和气态烃（瓦斯）.     

煤的失稳与瓦斯突出机理的对比分析

分析了煤在高的支承压力下的破坏规律和应力应变特征;分析了瓦斯在煤基多孔介质中的运移条件,并给出了其扩散运移的影响因素和基本方程;分析了瓦斯的运移和煤体破坏的相互影响,指出了煤体所处的极限应力平衡状态和瓦斯的压力梯度增高是发生煤与瓦斯突出的前提条件,给出了系统稳定性判据和能量判据;对比分析了煤与瓦斯突出、冲击地压发生的机理差异,揭示了爆破诱发煤与瓦斯突出的动态响应过程.     

构造煤瓦斯解吸特征及对煤与瓦斯突出的影响

通过改进的煤样瓦斯解吸装置,精确测定了不同平衡压力下构造煤与原生煤的恒温瓦斯解吸量与解吸速度数据,分析了构造煤的瓦斯解吸特征。实验结果表明:构造煤的瓦斯解吸量具有明显的分段特征,其初期瓦斯解吸量更大,第1 min内瓦斯解吸量可达120 min总解吸量的31.55%～38.07%,远高于同条件原生煤的10.94%～14.24%;构造煤的初始解吸速度可达10.11～15.75 mL/(g·min),是同条件下原生煤的的1.72～2.32倍,构造煤的初期解吸特征主要由第1 min内的解吸特性控制。通过现场数据分析了钻屑瓦斯解吸指标K_1随构造煤平均厚度变化情况,两者呈线性关系且显著正相关,说明在构造煤发育区域煤与瓦斯突出危险性显著增加。