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。     

煤层释放瓦斯膨胀能研究

针对煤与瓦斯突出危险性预测问题,对煤层释放瓦斯膨胀能进行了深入研究。根据瓦斯膨胀能基本计算方法,以煤层瓦斯流动压力场分布规律为基础,分别建立了煤壁释放瓦斯膨胀能和钻孔释放瓦斯膨胀能理论方程式;并应用 MATLAB 数值模拟软件,进一步对钻孔释放瓦斯膨胀能进行了分析计算。结果表明：钻孔释放瓦斯膨胀能在释放时间前3s内下降急聚,且该能量大小受煤层瓦斯压力影响最大,受透气性系数影响次之,受瓦斯含量系数影响最小。钻孔释放瓦斯膨胀能真实反映了实际煤层瞬间释放瓦斯的能力,矿井在煤层瓦斯压力测定时,通过实测钻孔释放瓦斯膨胀能,可以准确预测煤层突出危险性。     

瓦斯膨胀能与瓦斯压力及瓦斯放散初速度的相互关系

选取2个煤矿,分别在不同标高测定煤层瓦斯压力,在实验室对各点煤样进行初始释放瓦斯膨胀能和瓦斯放散初速度测定。通过观察发现,初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力及瓦斯放散初速度之间存在近似的线性关系,用多元线性回归来构造三者关系模型,得出三者关系曲线。在考虑瓦斯放散初速度为常数时,根据关系曲线可以得到石门揭煤前的安全瓦斯压力,为防止煤与瓦斯突出提供一种简单方便的方法。     

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.     

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.     

突出煤体的瓦斯解吸特征及其影响因素分析

在适宜的外界条件下,煤体中的吸附瓦斯迅速解吸为游离瓦斯后可释放出巨大的能量,从而产生强烈的气体动力效应。通过理论分析得出影响瓦斯解吸速度的重要因素——瓦斯的浓度梯度和孔壁产生的能垒。在一定的煤层条件下,吸附瓦斯浓度梯度取决于外部裂隙中高压瓦斯的释放速度,而孔壁的能垒与煤体的粒度关系密切。研究分析了不同吸附压力和煤样颗粒对瓦斯解吸特征的影响,得出瓦斯解吸速度和解吸量随孔隙压力和煤体破坏程度变化的规律。     

利用瓦斯解吸特征指标预测煤与瓦斯突出的实验研究

理论分析了掘进工作面瓦斯涌出主要受到瓦斯含量、煤体物理力学性质的影响,并通过实验室煤样解吸试验,研究了同一煤质、不同瓦斯压力、不同粒径、不同煤体力学性质的煤样在瓦斯解吸过程中存在的显著差异,指出瓦斯解吸特征指标α可以较好地反映煤体的瓦斯含量、煤体物理力学性质的变化情况。通过现场实例验证了瓦斯解吸特征指标α对于预测预报煤与瓦斯突出危险的可靠性。     

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。     

煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能影响的试验研究

为研究煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能的影响,对薛湖煤矿二2煤层不同粒径(0.5~1、1~2、2~5、5~10、10~15 mm)的煤样在同一温度条件下测定它们的初始释放瓦斯膨胀能。结果表明,任一粒径的煤样均随瓦斯压力的增大,具有的初始释放瓦斯膨胀能增大;在相同的瓦斯压力条件下,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与平均粒径大致成负指数下降的关系,煤样粒径越大,初始释放瓦斯膨胀能越小,反之亦然。所以,煤体在地应力作用下破坏后平均粒径越小,发生突出的危险性越大。研究结果证实了降低煤层瓦斯压力和通过煤体固化提高煤体强度均可降低煤层突出危险性。     

煤吸附和解吸瓦斯过程中温度变化研究

介绍了通过实验方法测定瓦斯在吸附和解吸过程中的温度变化，由实验结果可知瓦斯吸附过程是放热过程，在吸附和解吸过程中，温度变化幅度随压力变化幅度的增加而增加；吸附能力越强的瓦斯气体，在被吸附时放出的热量越多，解吸时吸收的热量也越多。     

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。     

钻屑瓦斯解吸指标临界值的确定及应用

为准确界定预测突出危险性的钻屑瓦斯解吸指标临界值,基于钻屑瓦斯解吸指标物理意义的解释和实验室条件下对屯兰煤矿2号煤层煤样解吸规律的分析,阐述了钻屑瓦斯解吸指标、瓦斯解吸量与平衡压力之间的关系;综合理论计算与现场实际情况,确定了屯兰煤矿2号煤层"高压力、低含量"的突出特征及其临界突出压力,并计算获得突出危险性预测钻屑瓦斯解吸指标K1的临界值为0.18 mL/(g·min0.5),Δh2的临界值为95 Pa,现场应用表明,所确定的临界值对突出危险性的预测更为准确,能够更好地保证矿井生产安全。     

晨光煤矿煤与瓦斯突出危险性预测

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全的重要灾害之一。煤与瓦斯突出矿井的突出危险性预测评估工作,对规范矿井生产、科学制定矿井瓦斯灾害防治措施、指导保证生产安全有着十分重要的意义。通过对煤的各项单项指标的测定(包括相对瓦斯压力、煤的破坏类型、煤的坚固性系数、煤样的瓦斯放散初速度),结合煤的初始释放瓦斯膨胀能指标对煤层的突出危险性进行综合性预测。     

基于瓦斯涌出量的煤体瓦斯解吸特性研究

为了实时动态分析煤体的瓦斯解吸特性,基于瓦斯解吸速度幂关系式提出了一个表征煤体瓦斯解吸特性的新参数n,在现有矿井安全监测监控系统的基础上构建煤体瓦斯涌出监测系统,可实时计算n值,分析工作面前方煤体的解吸特性,并在卧龙湖煤矿进行了现场验证。结果表明,煤体瓦斯涌出监测系统可计算出掘进面每天的n值,n曲线与传统的瓦斯解吸指标K1、Δh2曲线的变化趋势正好相反,指标n能够表征煤体瓦斯的解吸特性。通过对比K1的突出危险临界值,可得到n的突出危险临界值,为煤与瓦斯突出的工作面预测提供依据。     

孟津矿钻屑瓦斯解吸指标临界值研究

为了消除石门揭煤过程中煤与瓦斯突出危险性,孟津矿采用钻屑瓦斯解吸指标Δh2进行预测。通过煤与瓦斯突出能量方程及实验室测定的钻屑解吸强度和瓦斯压力的关系确定出孟津矿瓦斯突出压力临界值,进而推导出钻屑瓦斯解吸指标的临界值Δh2=200 Pa,结果表明:该临界值适合孟津矿,保证了煤矿安全生产。     

顺和煤矿二2煤层钻屑瓦斯解吸指标研究

为了使钻屑瓦斯解吸指标法更为有效地预测顺和煤矿二_2煤层局部工作面煤与瓦斯突出的发生,且得到最为敏感的预测指标,以钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2物理意义为研究基础,结合巴雷尔公式与瓦斯解吸量相等关系推导两钻屑瓦斯解吸指标之间的关系,并提取煤样进行实验室试验,拟合大量数据进一步提高两者的转换精度,并对其K_1与Δh_2的可靠性进行分析。得出结论:钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2呈线性关系,线性常数为0.001 6;其吸附平衡压力与所测钻屑瓦斯解吸指标值呈正相关;对于破坏类型较高的煤体,Δh_2相比K_1具有更高的敏感性和预测的准确性,因此顺和煤矿二_2煤层工作面煤与瓦斯突出的预测更适合选用钻屑瓦斯解吸指标Δh2。     

富润煤矿煤与瓦斯突出危险性预测

通过对煤层煤样的各项单项指标的测定,包括相对瓦斯压力,煤的破坏类型,煤的坚固性系数,煤样的瓦斯放散初速度,最后结合煤的初始释放瓦斯膨胀能指标对煤层的突出危险性进行综合性预测。