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。     

不同受载状态下含瓦斯煤体解吸规律试验研究

为了研究回采煤层瓦斯解吸规律,准确预测回采煤层瓦斯涌出量,以赵固二矿煤样为研究对象,进行不同孔隙压力条件下从解吸开始前60 min颗粒煤、非受载原煤和受载原煤瓦斯解吸试验,系统分析煤样瓦斯解吸速率和解吸量。试验结果表明:随着回采工作面向前推进,前方煤体一定范围内煤体原生孔隙裂隙遭受破坏,增大了瓦斯放散速率。在前3 min快速解吸阶段,颗粒煤瓦斯解吸量为相同试验条件下非受载原煤的6.02~7.23倍,是受载原煤的8.69~20.86倍,即散落煤瓦斯解吸量是工作面推进过程中瓦斯涌出量的主要组成部分。随着煤层瓦斯压力的增大,对煤层瓦斯解吸规律影响在增大,3种煤体瓦斯解吸速率及解吸量差别在减小。研究结果在准确预测回采煤层瓦斯涌出量方面可提供借鉴。     

声波作用下煤层瓦斯解吸效应的物理试验装置

为了研究煤层瓦斯的吸附和解吸规律以及声波动力作用下的煤层瓦斯渗透能力与瓦斯的解吸、扩散、渗流等特征,研制了大型物理模拟试验装置,该装置容积为85 L,所装煤样量可达70kg,作用于煤体的压力可达25 MPa,注气压力可达3 MPa,可以模拟地面以下1 000 m以浅的煤体压力状态和3 MPa以内的瓦斯压力状态;辅以声波激振器等配套装置,可以模拟煤体在声波作用下的渗透性变化和瓦斯解吸、扩散、渗流等过程,为研究煤层瓦斯的解吸、扩散、渗流在声波动力作用下的响应特征提供了新的试验平台.     

构造煤对煤体瓦斯放散性影响的实验研究

为了研究构造煤对煤体瓦斯放散性的影响,分别取典型地质构造的煤样在0.1和2MPa压力下吸附瓦斯,考察煤样的瓦斯放散性。实验结果表明:随着煤样粒径的减小,煤样的瓦斯放散性增加。构造煤对煤与瓦斯突出的作用不仅体现在对煤体的强度影响,而且体现在对煤体瓦斯放散性的影响。     

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.     

静电场下煤体放散瓦斯时间记忆效应研究

针对含瓦斯煤体在电场作用下表现出的放散初速度时间记忆效应特征,建立瓦斯放散测定实验系统,研究不同变质程度和破坏类型煤体静电场下的时间记忆效应。实验结果表明:静电场可以增大煤体瓦斯放散能力,随着加电电压的升高,瓦斯放散初速度呈先增大后减小变化趋势,并在某一特征电压下取到最大值,且构造煤相比原生结构煤特征电压较大;在连续加载8kV电压下,瓦斯放散初速度随加电时间增加呈上下波动的趋势,撤掉电场后,瓦斯放散初速度并未回落至未加电时的状态且放散速度值均高于初始状态,具有一定时间记忆效应,其中无烟煤经过电场作用后相较于未加电场在时间记忆效应内,瓦斯放散初速度增长在5%～9%之间,原生结构煤与构造煤变化量没有明显的区别;而贫煤原生结构煤在记忆效应内瓦斯放散初速度变化在5%～8%,构造煤则变化13%～18%;产生时间记忆效应的原因是一方面在静电场作用后煤体表面仍然呈现为静电状态,煤体表面电牵引力强于未加电,引起瓦斯吸附量的增大进而作用于瓦斯的放散;另一方面,在电场作用下煤体会产生激发极化电荷构成激发电场在失去电场后仍会继续影响瓦斯的放散,促进煤体瓦斯的解吸。     

温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

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。     

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.     

瓦斯突出及渗流物理试验研究进展

系统综述了前人研究煤与瓦斯突出的物理试验方法及理论成果,得出突出物理模拟试验分为瓦斯压力破膜突出模拟试验、人工缓慢干扰突出模拟试验、点火爆炸气压突增模拟试验、瞬间卸压突出模拟试验、间接突出试验5种方案;渗流试验由单一影响因素向多影响因素综合分析,并得到各因素影响渗流变化量的规律。认为目前该类试验研究为静态-突出模拟而非动态-突出模拟;没有研究机械振动作用下含瓦斯煤体渗流特性;没有研究突出前后瓦斯渗流规律;未系统分析煤体力学性质、瓦斯解吸吸附、渗流、煤体变形特征与突出破坏特性间的关系,以及机械振动对煤体强度、瓦斯解吸吸附、渗流、突出的影响。     

采动卸压区域瓦斯解吸规律研究

为了找到采动卸压区域瓦斯解吸规律,对采动卸压区域瓦斯解吸规律进行了数理分析和公式推演,找到了等效负压驱动效应和解吸瓦斯应力理论极大值;结合现场试验分析,探明了采动卸压条件下瓦斯解吸规律。结果表明:采动卸压区域煤体应力变化是瓦斯解吸的原始驱动力,且由于等效负压驱动效应的存在呈现了瓦斯压力峰值落后于煤体应力峰值现象,且瓦斯压力峰值小于理论极大值。     

深部高瓦斯工作面煤体采动扩容特性研究

应用数值模拟、实验室实验、现场实测和理论分析的综合研究方法,对深部高瓦斯工作面煤体采动扩容特性进行了系统研究。研究发现含瓦斯煤体应力峰值前出现扩容现象,煤体初始瓦斯压力对扩容有显著影响,初始瓦斯压力越大,煤体发生扩容的应力临界值越小,瓦斯压力越易发生突变。高瓦斯工作面煤体扩容阶段,瓦斯压力具有采动应力响应特征,采动应力作用下煤体扩容力学行为打破了瓦斯解吸和吸附的平衡,瓦斯压力呈现先降低后升高的瞬变演化。基于深部开采高瓦斯工作面煤体扩容力学特征,考虑煤体瓦斯解吸吸附特性,依据理想气体定律,构建了含瓦斯煤扩容阶段瓦斯压力采动应力响应的数值力学模型,揭示了煤体扩容区瓦斯压力不稳定易突变失稳的内在机理。深部开采煤层在采动应力作用下的扩容是煤与瓦斯动力灾害发生的必要条件,也是灾害防控的主要可控因素,通过降低煤层采动应力集中以控制煤体扩容,可有效消除煤与瓦斯动力灾变隐患。     

瓦斯压力在线监测预警机制应用研究

为了能准确、有效、及时的预测预报井下煤矿瓦斯突出,根据高瓦斯煤层应力场与瓦斯场具有典型的耦合效应,且瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力的变化上这一原理,并在平煤股份十矿己15-16煤层和己17煤层安装一套煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,利用该系统中的煤层瓦斯压力实时监测功能实时在线监测揭煤区域煤层瓦斯压力变化情况,结果表明：煤层瓦斯压力变化随着瓦斯抽放时间而降低,而随着瓦斯解吸量的增加升高;监控到的瓦斯突出煤层瓦斯压力的变化符合正常规律,开发的煤矿瓦斯突出灾害监测预警系统能够连续监测煤层瓦斯压力及其变化动态,为煤矿瓦斯突出灾害监测预警提供了技术基础和有效手段。     

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。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

地应力分布对动力灾害的影响规律分析

为研究地应力分布特征对煤与瓦斯突出的影响规律,采用理论分析和现场实例验证相结合的方法,即通过数值模拟方法分析原岩应力的分布对采动应力场、煤岩体的物理力学性质等要素的影响,探究应力方向对采面回采突出危险性影响规律,并结合桑树坪煤矿南一采区实测数据加以验证。研究结果表明,当最大应力方向垂直于巷道掘进或采面回采方向时,工作面前方应力集中现象更明显、卸压破坏区范围更大、煤体孔隙率更低,工作面发生突出危险率也更强。并结合桑树坪煤矿南一采区煤与瓦斯突出现象与地应力实测数据,验证了当最大主应力方向垂直于推进方向时突出危险性更大。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

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。     

回采工作面水力卸压抽采技术应用

煤层注水防突主要体现在注水使煤体的力学性质产生变化,增加塑性,使煤体弹性和强度减小,转移巷道应力集中区至煤体深部;大大降低煤体透气性,减少解吸瓦斯,使煤层瓦斯涌出初速度大幅降低。试验采用现场观测、数值计算和数据对比分析等进行综合研究,确定了回采工作面动压区本煤层注水钻孔的施工工艺及参数,有利于实现安全高效生产。