煤与瓦斯突出模拟试验的研究现状与展望

综述了煤与瓦斯突出模拟试验研究现状,主要从瓦斯压力、地应力和煤体物理力学性质及其综合作用方面分析了其对煤与瓦斯突出的影响以及在这些因素影响下的突出特点、形式和规律。鉴于煤与瓦斯突出的复杂性,目前的研究还存在以下不足:(1)试验过程中用的都是颗粒煤或者是型煤,很难真实反映现场的煤层物理特性;(2)试验载荷的施加方式和大小反映不了现场煤体中真实的三维应力状态;(3)实验室模拟试验中的突出口多数情况是人为打开的,而不是煤体内部达到突出条件后自主打开的。建议使用原煤煤样、加大模拟实验尺度、采用真三轴加载方式、合理设置突出口进一步开展多因素耦合的煤与瓦斯突出模拟试验,对煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的现实意义。     

煤样瓦斯渗透率的实验研究

煤和瓦斯突出是威胁煤矿井下安全生产的一个严重问题,而突出的发生将取决于瓦斯压力、煤层渗透率以及煤体强度等参数。因此,煤层渗透率对于煤和瓦斯突出以及煤层瓦斯抽放都具有重要意义.本文研究含瓦斯煤体在围压力不变的前提下,孔隙压力和渗透率以及孔隙压力和煤样变形间的关系;同时还研究了在孔隙压力一定的条件下,渗透率和围压力以及煤样变形间的关系;得出了在围压力不变的前提下,孔隙压力和渗透率以及煤样变形值间的关系基本上服从指数方程:K=u_1e~((?)v_1~p),S=u_2e~(v_2~p);在孔隙压力不变条件下,加载时,煤体的渗透率与载荷间的关系可用负指数方程表示:K=ae~((?)bσ);卸载时,可用幂函数方程表示:K=K_oσ~(-c)。     

瓦斯压力对煤体冲击指标影响的实验研究

基于突出和冲击地压的主要区别——瓦斯参与程度的不同,从实验的角度出发,利用瓦斯气体密封系统,研究了单轴压缩条件下(有效围压为0)瓦斯对煤体冲击指标的影响规律,提出了鉴别非典型动力灾害的实验方法.结果表明:瓦斯的存在,降低了煤体的冲击倾向性,实验所取煤样在瓦斯压力为0时具备弱冲击倾向,而在2MPa时已无冲击倾向性;但随着瓦斯压力的增加,发生煤与瓦斯突出的几率则不断增加.     

大块煤样渗透试验装置研制及应用

介绍了自主研发的大煤样渗透试验系统,该系统由瓦斯源、瓦斯压力测试、瓦斯流量测试、伺服加栽、声发射检测和渗透试验装置等单元组成,可进行大块煤样（150mm×150mm×150mm）的渗透性试验．该试验装置具有以下特点：能够进行含有原生节理、裂隙和层理的大块煤样的渗透性试验;检测到的煤样应力、声发射（AE）、瓦斯压力与瓦斯流量具有良好相关性,瓦斯流量最低处于煤样弹性阶段后期,瓦斯流量增加始于煤样屈服点,瓦斯流量最大滞后于煤样的峰值强度;试验系统具有伺服控制重复加载、操作简单、系统气密封性好等特点;能够反映煤体应力对煤体渗透性的影响,能逼真再现工作面前方煤体受力状态下的渗透性特征．研究结果可为工作面前方煤体瓦斯抽放方案的制订和安全生产管理提供依据．     

三轴压缩下含瓦斯煤体电阻率响应的实验研究

目的 受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电阻率的变化规律是电阻率法预测预报煤与瓦斯突出发生的理论基础。因此,研究三轴压缩条件下含瓦斯煤体破裂过程中电阻率的变化规律十分必要。方法 自主研发一套测试低频条件下受载含瓦斯煤体变形破坏过程中电阻率的实验系统,测试三轴压缩条件下含瓦斯煤体电阻率的变化规律,对实验结果进行分析和解释。结果 结果表明：（1）受载含瓦斯煤体的电阻率变化与所受应力存在显著的对应关系,型煤的电阻率变化规律与应力的对应关系要优于原煤的,对应力降低比较敏感;（2）受载型煤的电阻率变化规律为先上升后下降型和下降型,受载原煤的电阻率变化规律仅有下降型;（3）从原煤和型煤的物理力学以及受载过程中的变形破坏类型、受载含瓦斯煤体变形破坏过程中的煤体结构变化情况、煤的孔隙结构以及导电类型3方面分析解释受载含瓦斯煤体的电阻率变化情况;（4）对受载含瓦斯型煤电阻率变化曲线出现的2种类型进行科学合理的解释。结论 研究成果可为电阻率法预测预报煤与瓦斯突出的发生提供技术支撑。     

突出煤体破碎抛出及粒度分布规律试验研究

煤与瓦斯突出严重威胁着煤矿的安全生产,其本质是煤体在地应力和瓦斯压力耦合作用下破碎并抛出,从而形成具有致灾效应的煤粉-瓦斯两相流.本文通过开展真三轴条件下煤与瓦斯突出物理模拟试验,对突出煤体的破碎抛出特征及粒度分布规律进行了研究,结果表明:突出煤体质量及面密度整体上随距突出口距离的增加而增大,地应力集中程度越高,突出煤...     

电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理

研究了瓦斯对电磁辐射（ＥＭＥ）的影响规律及影响机制,对电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理进行了探讨,研究结果表明：煤体变形破裂时,电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂过程密切相关,煤体中的瓦斯能使电磁辐射增强,瓦斯在煤体中的流动及冲击能产生电磁辐射;电磁辐射强度和脉冲数两项指标综合反映了工作面丧方煤体的突出危险程度,用电磁辐射法预测预报煤与瓦斯突出是可行的,煤岩电磁辐射技术在预测煤与瓦斯突出和冲击地压等方     

矿井突出危险带预测的瓦斯地质技术研究通过鉴定

由焦作工学院彭立世教授等与平顶山煤业(集团)有限责任公司合作完成的科研项目“矿井突出危险带预测的瓦斯地质技术研究”于2000年10月18日通过了由国家煤炭工业局规划发展司组织的专家鉴定． 回采工作面瓦斯突出危险带预测是工作面回采期瓦斯突出防治的前提和基础．课题用瓦斯地质观点,以回采工作面突出危险带预测为中心,以平顶山煤业(集团)公司八矿己15－13190和己15－14081两个采面为基地,进行了系统的研究和实际应用,研究工作贯穿了掘进到回采的全过程,历时4a． 突出危险带预测采用地质规律预测与电磁波透视探测相结合．瓦斯地质观测巷道长3-198-m,突出参数测试800多次,获得测试数据1-500多个．形成了地质构造控制破坏煤体,破坏煤体控制瓦斯突出分布的观点,用地质构造预测破坏煤体分布、破坏煤体控制瓦斯突出分布的预测模式,对两个工作面分别划分了突出带与非突出带． 采面圈成后,用无线电坑透仪对两个采面分别进行了电磁波透视．根据实验室测定的电性响应特点,依探测衰减场异常和地质背景资料,圈出煤体破坏区域,进而圈出突出带范围．回采期继续进行破坏煤体和瓦斯突出参数观测,确定突出危险带实际范围,以验证地质规律预测、电磁波透视预测的可靠性．结果证明预测和实际突出危险带范围基本一致．通过研究和实践形成了一套系统的瓦斯突出危险带预测的瓦斯地质技术．     

煤与瓦斯突出脉动式发展过程的试验研究

为进一步认识煤与瓦斯突出发展机理,开展了不同应力集中系数条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出过程两相流冲击力、突出孔洞内气压及煤体声发射信号.结果表明:突出发展过程存在主要脉动及伴生脉动现象,单次突出过程前者会发生5~6次,每一主要脉动后又会发生2~3次伴生脉动现象.随突出发展进程增加,各主要脉动阶段内的气压变化量和冲击力均值呈减小趋势,煤体声发射累计能量则在减小后有所回升,回升量最大可达60%左右.试验中,瓦斯突出的发展过程始终伴随了煤体的粉化破坏和层裂破坏,前者持续发生,后者具有间歇性.     

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系

根据突出模拟实验中出现突出时初始释放瓦斯膨胀能的临界值，可以确定煤层发生突出需要达到的瓦斯压力临界值．本文通过现场钻取煤样，并在试验室进行了不同瓦斯压力下的初始释放瓦斯膨胀能测定，发现煤样的初始释放瓦斯膨胀能与煤中的瓦斯压力呈线性关系．根据这一发现，石门揭煤之前的预排瓦斯过程中，只要用少量的实验就可以确定局部煤层瓦斯压力应该降到多少就可以安全揭开煤层，为石门揭煤进行突出预测和预排瓦斯过程中定量检测其防突效果提供了一种方便可靠的方法.     

煤与瓦斯突出的土力学分析

为了探索煤与瓦斯突出机理,根据岩体结构分类方法,把破坏类型为Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类的煤视为散体结构岩体.借鉴土力学流土失稳理论分析煤与瓦斯突出机制,把临界失稳梯度作为煤体的抗突强度指标.通过对煤体瓦斯压力梯度变化过程的分析,指出低透气性煤比高透气性煤更容易发生高强度突出的原因是由于低透气性煤的"失稳分层"的单位体积煤体具有更高的气体膨胀能.提出隔渗帷幕法和反滤层法2种控突思路.     

含瓦斯煤体变形规律的实验研究

瓦斯是煤和瓦斯突出的主要能源,研究瓦斯对煤体的作用具有理论和实践意义。实验表明,当煤体吸附瓦斯后发生膨胀变形,其变形规律基本上服从朗格缪尔方程。当解吸瓦斯后,煤体发生收缩变形,基本上服从指数方程。变形值的大小与煤的变质程度、强度和孔隙性质有关。变形值可以作为预测煤体突出危险性的一项指标,并可用于预测抽放瓦斯措施的效果。     

煤的孔隙结构与煤岩动力失稳特征的相关性

以冲击倾向性煤层和煤与瓦斯突出煤层作为研究对象,基于压汞法和液氮吸附的实验结果,综合分析了煤样的孔隙结构特征;依据包括煤岩孔隙结构特征在内的物理力学参数,建立了数值模型,从煤层应力分布和应变能的角度讨论了煤的孔隙结构与煤岩动力失稳特征之间的相关性.液氮吸附和压汞实验表明:忻州窑煤样的孔隙主要是开放型孔,赵各庄煤样的孔隙含半开放型孔隙较多,且含有一定量的墨水瓶孔;忻州窑煤样的孔隙含量,尤其是渗流孔隙的含量远大于赵各庄煤样,因此忻州窑煤层中瓦斯更容易释放.数值模型的计算结果表明:在上覆岩层应力和水平应力相同条件下,忻州窑煤层中煤壁附近区域的水平应力比赵各庄煤层低,垂直应力高于赵各庄煤层,煤壁附近的煤体易发生压剪破坏;上覆岩层应力和水平应力相同(6 MPa)时,赵各庄煤层受扰动后应变能密度变化量接近忻州窑煤层应变能密度变化量的2倍,可见赵各庄煤层更易积聚应变能.     

煤与瓦斯延期突出的突变理论研究

突变理论能比较有效地解决光滑系统中可能出现的突变问题。本文利用突变理论对煤与瓦斯延期突出进行了研究，认为延期突出的滞后时间是由地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学特性及外作用(爆破等)等的共同作用所产生的，并依此提出了延期突出的预测预报方法。     

以煤体结构为基础的煤与瓦斯突出简化力学模型

从能量的角度分析计算了煤与瓦斯突出中作用于煤体的动力和煤体本身的阻力，建立了以煤体结构为基础的煤与瓦斯突出简化力学模型，定量讨论了煤与瓦斯突出的力学过程，并给出了其构造煤临界厚度判据     

油压针刺相对硬度测定器初步试制成功

测定不同抽放程度的煤体硬度变化,是探索预抽瓦斯防止煤与瓦斯突出机理必不可少的一项参数。一般测定煤层硬度的方法是在井下煤壁或采出煤样进行测定,由于煤样中瓦斯已大量释放,因此不能从测定结果获得煤的硬度与不同抽放程度的关系指标。由中国矿院采矿系于1980年研制成功的油压针刺硬度测定器,则可在不同深度钻孔内测定煤层原生状态与不同抽放程度煤体的相对硬度值。测定时向煤层打φ75毫米钻孔至煤层某小分层层位,然后将测定器送入孔底后由油泵推动活塞使胶球径向膨胀,将测定器固定在孔内。再由油泵推动另一活塞将顶针刺入煤体。在不同抽放程度的钻孔中,     

巨厚火成岩对煤层瓦斯赋存及突出灾害的影响

通过采用火成岩取芯化验、煤样测试及现场观测等方法,分析了海孜煤矿10煤层覆岩中巨厚火成岩的力学性能,探讨了巨厚火成岩对远程10煤层瓦斯赋存与突出灾害的影响.结果表明:10煤层受巨厚火成岩的高温烘烤作用,煤体变质程度增高,煤层瓦斯吸附量增大,极限吸附量达到31.6753 m3/t;同时,巨厚火成岩均厚达120 m,单轴抗压强度平均为144.21 MPa,为矿井的主关键层,其阻碍了煤层瓦斯逸散,使煤层瓦斯含量高,且由于巨厚火成岩长期保持不断裂,导致10煤层工作面两端应力集中影响范围大大增加,达到100 m左右,更易具备煤与瓦斯突出的必要条件.     

煤与瓦斯突出的压力容器物理爆炸假说

根据掘进工作面前方支承压力分布特征,建立了掘进工作面前方煤体的压力容器模型．通过分析认为,该模型满足压力容器爆炸的2个条件：气体迅速膨胀和容器壁脆性断裂．进而,基于压力容器发生物理爆炸前的孕育、爆炸后的能量及破坏能力,解释了煤与瓦斯突出的预兆、基本特点和一般规律,并分析了石门自行突出等问题的原因．最后,基于压力容器物理爆炸条件,给出了煤与瓦斯突出的预测指标和防突施工的努力方向,并对已有防突措施进行分析和评价．煤与瓦斯突出的压力容器物理爆炸假说的提出,对揭示煤与瓦斯突出机理具有重要意义．     

煤层注水防突最优润湿时间试验研究

煤层注水就是通过钻孔将压力水注入煤体,使煤、瓦斯和水之间产生复杂的三相耦合作用,以降低煤炭开采时煤尘生成量并防止煤与瓦斯突出.煤矿采用煤层注水防突措施后,何时进行采掘作业,长期以来缺少可靠的判断方法.针对此问题,在实验室通过测定煤层注水后不同润湿时间下预先吸附瓦斯煤样的解吸速度,根据煤、水充分润湿后水与煤体中孔隙的毛细作用和抑制瓦斯解吸效应最强原理,以第一分钟瓦斯解吸速度V1及解吸速度衰减系数k t作为研究指标,在特定试验条件下,计算得到超化、古汉山和寺河等煤矿煤样的最优润湿时间,分别为6.44,7.00,10.41 h.最后,结合各煤样的注水相关参数,论证证明最优润湿时间确定方法是可行的,该方法对煤层注水防突技术参数优化具有重要的指导意义.     

煤和瓦斯突出机理的流变假说

目前煤和瓦斯突出机理的假说,都是在弹性力学基础上建立的,缺少时间因素,难于完满地解释突出的发生发展过程。作者通过对含瓦斯煤样在三维受力状态下流变特性的研究,得出了含瓦斯煤样蠕变行为的数学模型,能够比较好地阐明突出的机理。实验表明,突出煤和非突出煤其流变行为并无本质区别,只要条件具备,各类煤层都有产生突出的可能。含瓦斯煤蠕变方程的导出为建立广义的突出危险综合指标提供了基础。