含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律

为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数减少,单位时间电荷事件数降低,电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下,随着瓦斯压力升高,煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现"矩形波"特征,信号主频在200 Hz以下,随着瓦斯压力升高,主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度,提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理,一方面,煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒,导致不同属性带电粒子向不同方向移动,解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面,煤岩内部孔隙贯通,瓦斯气体因压力差而流动,Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷,流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量,解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似"矩形波"特...     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响试验研究

以深部高瓦斯矿井复合动力灾害为研究背景,以瓦斯压力对煤样的冲击倾向性的影响为研究目的,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发含瓦斯煤岩单轴压缩条件下受载变形破坏实验装置,并结合XL2101C程控静态电阻应变仪组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统,进行含瓦斯煤的冲击倾向性指标测定试验。试验结果表明:煤样在充气过程和吸附瓦斯过程均存在扩容现象,煤样体积随瓦斯压力的增大而增加,吸附过程煤样体积变化分为两个阶段:加速变形阶段和平缓阶段;随着瓦斯压力从0增加到2 MPa,煤样的动态破坏时间增加547.64%,煤样的弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度分别降低85.29%,96.24%和58.78%,综合评价结果为冲击倾向性降低。     

基于数字图像重构的含瓦斯煤失稳模拟研究

为研究瓦斯压力下煤变形破坏过程及塑性区扩展规律,降低煤与瓦斯突出灾害风险,确保煤矿安全生产。通过基于数字图像重构技术,采用FLAC3D有限差分软件,对无侧限压缩下煤样失稳破坏过程进行数值模拟,分析了瓦斯压力对煤峰值强度和破坏形态的影响。研究结果表明:无瓦斯煤样以剪切破坏为主,存在一个贯穿整个模型的主剪切破坏面;煤的失稳破坏是外部荷载及内部瓦斯压力共同作用的结果,含瓦斯煤样存在2种破坏形式,即在剪切破坏的基础上增加了拉伸破坏;含瓦斯煤样的峰值强度和峰值点应变随瓦斯压力的增大而减小,呈线性关系。结合数字图像重构技术与有限元程序,可建立反映煤真实结构的数值模型,为研究煤岩的非均质性对其力学特性的影响提供了一种有效手段。     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

微震响应煤与瓦斯突出模拟试验

利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统,研制密封效果好、流变性能强的突出口材料及其制作工艺,模拟垂直和水平应力综合作用下自动触发煤与瓦斯突出的试验过程,利用高灵敏性的微震监测系统全程响应煤与瓦斯突出4个阶段,监测不同阶段突出腔体内的瓦斯压力,素描出突出孔洞大小和形状。微震响应信号分析频率0~2 000 Hz,优选小波基函数,确定小波包最大分解层数,采用小波包分解分析模拟突出孕育、激发、发生和残余4个阶段微震信号时频特征;孕育阶段为高频信号,激发阶段信号频带范围逐渐加宽直至出现低频信号,突出阶段全频带响应,残余阶段信号由相对较低频带逐渐向高频过渡。研究成果为微震预警煤与瓦斯突出提供基础试验依据。     

深部复合动力灾害危险性预测研究

深部煤与瓦斯突出矿井,由于地应力高具有突出、冲击地压单一灾害或突出与冲击地压复合动力灾害特点。采用实测瓦斯压力、瓦斯含量等参数进行突出危险性预测;采用实验室测试及理论计算的方法,研究坚硬岩层的冲击倾向性。通过对复合灾害的危险性预测,为灾害防治提供了重要依据。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识

煤与瓦斯突出和冲击地压灾害并存的煤矿进入深部开采后,灾害问的相互作用和诱导比较明显.通过分析平煤十矿"11.12"煤与瓦斯动力灾害的成因,阐述了平煤十矿存在的煤与瓦斯突出、矿震、冲击地压和岩爆4种单一煤岩动力灾害类型,对单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的基本条件和成灾模式进行了探讨,总结出发生复合型灾害的物质条件、动力条件和构造条件,认识到3种成灾模式.     

桑树坪煤矿煤与瓦斯突出问题研究

煤炭是我国的主要能源,随着煤矿开采深度的增大,复合动力灾害在煤矿中出现的频率随之增加,传统单一治理瓦斯或者冲击地压已经不能很好地解决不断出现的复合动力灾害.桑树坪煤矿为煤与瓦斯突出矿井,处于瓦斯灾害严重的韩城矿区,该矿井是韩城矿区的主力矿井,其4321采煤工作面现今在区域临界指标一降再降的情况下仍然会有动力现象发生.从...     

三轴条件下含瓦斯煤力电感应规律的试验研究

应用自主研制的电荷感应系统,在三轴压缩条件下研究不同围压和孔隙压力对含瓦斯煤在破坏过程中电荷感应信号的影响规律。试验结果表明：在围压一定情况下,随着孔隙压力的升高,电荷感应信号减弱,孔隙压力对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到弱化作用;在孔隙压力一定的情况下,随着围压的升高,电荷感应信号增强,围压对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到强化的作用。     

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。     

煤体单轴压缩感应电荷时频演化规律与失稳破坏电荷评价指标

为了有效预测预报煤岩破坏所引起的动力灾害,介绍了受载煤体变形破坏电荷产生机理与感应电荷监测原理,开展了煤体单轴压缩过程感应电荷监测实验,采用基于假设原理的Lilliefors检验方法研究了有效电荷产生的初始时刻,获得了煤体破坏演化过程的应力与感应电荷的时序共性特征;研究了加载前期与破坏后期电荷信号的频域特征,设计了基于FIR方法的低通滤波器,得到了滤波后的有效电荷信号;基于煤体破坏演化过程的电荷时频特征,构建了失稳破坏电荷评价指标;开展了井下有、无动力显现的电荷监测试验,使用研发的本质安全型电荷监测仪验证了监测动力破坏现象的有效性。综上研究结果表明:Lilliefors检验方法能够判识煤体加载初期所产生的有效电荷信号,得到了压密阶段基本为白噪声信号,弹性阶段会产生不易识别的、少量的、且与白噪声混合的低幅值有效电荷信号,弹塑性过渡阶段会产生易于辨识、幅值相对增大且连续性较差的电荷信号,塑性阶段与破坏阶段的有效电荷信号随应力降次数增多而增多,随应力降幅度增大而增大,两阶段的电荷信号波动幅度较为剧烈,高幅值电荷信号连续性较强;通过时频变换,得到电荷信号白噪声主频不小于50 Hz,煤体破裂所产生的电荷信号主频不超过15 Hz,设计的FIR低通滤波器可有效降低噪声信号,能保留高幅值与高波动性的电荷信号;建立的电荷累积量、平均电荷强度、电荷变异系数3种评价指标,它们均能良好地反映出煤体的破裂状态,平均电荷强度还可反映出煤岩体的应力水平,变异系数能更加准确地识别煤体进入加速破坏阶段的前兆点;在采动影响下现场各测点的电荷变异系数与平均电荷强度明显比无采动影响的数值更大,电荷变异系数随着远离工作面而逐渐减小,平均电荷强度在超前工作面支承压力峰值影响范围内达到最大值,说明电荷法能够有效监测巷道的动力破坏情况,可为煤矿动力灾害预警提供一种新的监测手段。     

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

电磁辐射实时监测煤与瓦斯突出在煤矿的应用

煤岩动力灾害过程中会产生电磁辐射,利用电磁辐射监测煤与瓦斯突出是一种新兴的技术方法.用KBD7煤岩动力灾害电磁辐射监测仪在淮南矿区对煤与瓦斯突出进行了实时监测,实现了对煤与瓦斯突出的实时监测预报.     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

基于微震监测技术的煤与瓦斯突出预报分析

随着煤矿开采深度的加大,煤与瓦斯突出这一灾害日益严重。针对煤矿瓦斯灾害发生机理的复杂性以及目前监测手段的不连续性,构建了基于微震监测技术的预报分析系统,并应用此系统对淮南矿区某矿井高应力区、煤与瓦斯突出危险区的围岩破裂进行24h不间断的监测、定位。在此基础上,借助大规模科学计算,对监测信息进行分析、处理,建立了一套既有理论依据,又易于操作的矿井煤与瓦斯突出预报分析系统,为实现矿山动力灾害中、长期预报奠定基础。     

煤与瓦斯突出监测预测技术研究

煤与瓦斯突出作为典型的煤岩动力灾害,其发生的突然性和剧烈的破坏性对煤矿生产安全构成极大的威胁,对其监测预测技术进行研究具有重要的意义。对煤矿煤与瓦斯突出监测预测方法的研究现状进行了论述及分析,声发射技术日益成为煤与瓦斯突出监测预测最有效和最有潜力的监测方法。利用声发射监测技术对变形破裂剧烈区域进行定位,做到对煤与瓦斯突出灾害准确预测。     

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。     

基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律,利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验,获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果,通过三维重构技术得到了含瓦斯煤的数字化模型,运用图像分析处理软件对数字化模型进行了裂隙结构的精确提取,实现了含瓦斯煤内部裂隙结构空间形态的可视化展布,并结合分形理论对含瓦斯煤内部裂隙结构进行了定性和定量分析。研究结果表明:围压一定时,不同瓦斯压力下受载含瓦斯煤的全应力-应变曲线变化趋势大致相同,均经历了5个变形阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段和残余变形阶段,含瓦斯煤的峰值强度、弹性模量和残余强度均随瓦斯压力的增大而线性减小;全应力-应变过程中,在瓦斯压力作用下,含瓦斯煤二维裂隙的分形维数和裂隙像素比变化趋势基本一致,呈现出先减少(或不变)后加速增大再增速放缓的变化规律;含瓦斯煤三维裂隙的裂隙率、裂隙密度和三维分形维数变化趋势基本一致,均呈现出缓慢下降、缓慢增长和急剧增长的三阶段式演化规律;破坏失稳后,含瓦斯煤裂隙像素比和二维分形维数随瓦斯压力的增加而线性...