基于瓦斯放散特性单因素的煤与瓦斯突出模拟实验研究

使用三维煤与瓦斯突出模拟装置进行不同瓦斯放散特性煤样的煤与瓦斯突出模拟实验,分析单因素条件下煤样瓦斯放散特性对煤与瓦斯突出的影响。模拟实验进一步验证了煤体吸附瓦斯会在一定程度上降低煤体强度。实验结果表明,煤样瓦斯放散初速度与突出发生后残留煤体的坚固性系数呈负相关,瓦斯对煤样的粉碎作用会随瓦斯放散初速度增大而增强。提出突出强度系数综合表示突出发生的强度,数据显示:突出强度与煤样瓦斯放散初速度呈正相关,对于具有煤与瓦斯突出危险的煤层存在1个突出强度会急剧增加的阈值,当煤层的瓦斯放散初速度高于该数值时突出强度将明显增强。对于五轮山煤矿的5-3号煤层,该值介于13.9~16.8之间。     

突出危险煤吸附瓦斯后变形规律的研究

通过实验室模拟方法，研究有突出危险煤吸附瓦斯后的变形量随瓦斯压力变化的规律，实测到不同瓦斯压力下煤体所发生的变形量，分析了煤体吸附瓦斯后煤质对变形量的影响；通过回归分析，找出突出危险煤的瓦斯压力和煤体变形量的关系，并依据煤体的变形量及煤层瓦斯压力的变化，为预抽煤体瓦斯、防止煤与瓦斯突出提供一定的理论依据     

含瓦斯煤层的真实突出危险性及其判别试验

由于含瓦斯煤层突出危险性的判别是预防煤与瓦斯突出的关键,因此通过分析煤层开挖现场的应力和瓦斯条件,提出了煤层"真实突出危险性"的定义,认为含瓦斯煤层如不存在瓦斯卸压带,在应力、煤层原始瓦斯压力作用下的稳定性代表了真实的突出危险性。利用RFPA2D-Flow软件和相似模拟试验方法,以煤体强度为分组指标,研究了各组煤体在应力、瓦斯压力作用下的真实突出危险条件。煤层突出的瓦斯压力-应力临界条件可分为3个阶段:1在低水平应力范围内,应力阻碍突出,此阶段发生的突出主要以瓦斯压力作用为主,应力的增加对煤体起加固作用;2随着应力的增加,应力的作用由加固煤体转变为破坏煤体,应力加剧突出;3随着应力继续增加,突出发生的瓦斯压力降低并基本固定在某一水平,不再随应力增加而变化,此时煤体在高应力作用下发生宏观破坏,煤体状态处于峰后阶段,瓦斯压力的作用主要是破坏具有残余强度的煤体并抛出。最后,根据煤体破坏瓦斯压力-应力临界关系方程,得到了利用煤体强度参数确定煤体真实突出危险性的方法。     

含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力（40 MPa）和气体压力（4 MPa）,可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律：软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤（f>0.5）中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。     

低渗透突出煤破坏过程中瓦斯运移规律研究

利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟实验装置,结合数值模型的建立,基于实验和数值模拟的基础上,分析研究了低渗透性突出煤层在煤与瓦斯突出过程中瓦斯的运移规律,研究结果表明:低渗透性突出煤层在受地应力或移动支承压力的反复作用下,煤体渗透性增加,吸附态瓦斯解吸,内部瓦斯压力升高,并呈初期增长速率较快,之后逐渐变小,最后变缓的趋势;同时,游离态瓦斯向气体压力低的采掘空间方向运移,当大量的游离瓦斯不能及时扩散、运移到外界,导致煤体内部瓦斯压力持续升高并积聚到一定程度时,就会与地应力共同作用而造成煤与瓦斯的突出,因此,降低游离瓦斯压力是低渗透性突出煤层防突技术的关键。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验,实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测.实验结果表明:煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程,期间瓦斯压力存在多次上下波动;突出过程...     

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.     

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。     

《煤矿安全》编辑委员会北大核心

煤层,其干燥基水分为2.33%,灰分为7.46%,挥发分为6.04%.取回煤样后在实验室加工成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的标准正方体试件. 1.2 实验系统 为了实时监测煤样试件在受力变形破坏过程中瓦斯的运移规律,自行设计了1套煤与瓦斯突出模拟实验装置,实验装置原理如图1.装置主要由突出模拟系统、瓦斯吸附系统、压力加载系统及微机监测与数据采集系统等组成.突出模拟系统主要由突出模具和突出口组成,其中,突出口可以模拟低渗透性突出煤层石门揭煤条件下的主动突出;瓦斯吸附系统用来为实验煤体吸附瓦斯;压力加载系统主要由液压加载泵和存储式数字压力表组成,通过液压加载泵对实验煤体进行压力加载,用来模拟含瓦斯煤在受力作用下的变形破坏过程,存储式数字压力表用来实时记录加载压力;微机监测与数据采集系统主要用来监测含瓦斯煤在应力作用下的变形破坏过程及数据采集等.