中等尺度煤与瓦斯突出物理模拟装置研制与验证

煤与瓦斯突出模拟实验可以揭示突出灾害的发生规律。研发一种中等尺度煤与瓦斯突出模拟装置,旨在一定程度上满足与采场工作面的开采环境的近似,同时便于地质模型的灵活设计与铺设,实现在不同地质及不同瓦斯参数条件下的突出模拟。该实验系统由高压实验腔体、非均布加载系统、突出诱导装置、抽真空及充气系统、数据采集系统组成,具有如下特点:可基于相似原理按照采掘工作面顶、底板岩层分布、地质条件,灵活铺设尺寸为1 500 mm×600 mm×1 000 mm的模型;按照工作面超前应力分布形式进行表面应力加载;预埋直径5 mm侧向均匀开孔管路分级注气,实现煤体瓦斯快速吸附平衡;采用直径200 mm规格爆破片安装突出口作为突出诱导装置,压力超限自动破裂,诱导突出;多元化信息采集系统,记录压力、温度、应力等物理参数变化,高速摄影记录突出瞬间煤瓦斯混合流态。开展了一次吸附平衡压力为0.30 MPa、诱导压力0.53 MPa的突出实验,在实验中煤体瓦斯压力、温度由于气体的吸附–解吸特性发生了规律性波动变化,突出发生持续1.92 s,抛出煤岩样369.9kg,最远抛射距离41.4 m,并呈扇形分布。该装置为深入研究突出动力灾害机制与预防技术提供了可行的手段。     

真三维应力状态下煤与瓦斯突出过程中瓦斯压力时空演化规律研究

为进一步认识煤与瓦斯突出动力现象及其能量释放机制,利用多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统开展不同三维地应力条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,研究突出过程中煤体内瓦斯压力的时空演化过程及其对不同地应力条件的响应规律。结果表明:突出启动后,卸压区的瓦斯压力在下降过程中出现了不同程度的周期性回升现象,卸压区最小主应力方向上瓦斯压力的下降速率随着距煤体断面中心距离的增加而减小,而在最大主应力方向上瓦斯压力的下降呈现出"同增同减"的下降趋势;应力集中区的瓦斯压力下降速率在最小主应力方向上呈现出与卸压区相同的规律,在最大主应力方向上,瓦斯压力下降起始时刻随着地应力的增加而提前,这意味着地应力越大突出扩展至煤层深部的时间越短;瓦斯压力在突出启动初期呈现出半椭圆形压降区,突出过程中煤层内的瓦斯压力下降区向煤层内的扩展是一个减速过程,但随着地应力的增大,瓦斯压降区向煤层深部的推进速率会增大。     

煤与瓦斯突出过程的细观机制研究

 煤与瓦斯突出过程是地下煤矿开采中的一个很复杂的动力灾害问题。在综合收集整理国内外煤与瓦斯突出模拟研究基础上,以颗粒法为基础,建立数值模型和模拟过程,对煤与瓦斯突出过程中相关的微裂纹和位移演化、应力和速度场演化、瓦斯压力和颗粒分层刚度比等细观机制进行模拟和研究。研究结果表明：采用颗粒法模拟所得出的煤与瓦斯突出过程是一个相对很快的动力过程,发生的时间极短,煤岩体损伤主要以拉裂纹为主,剪切裂纹主要集中在瓦斯突出前端,而拉裂纹则深入到煤岩体中的更深部位;同时研究认为瓦斯压力对煤岩体损伤有很大影响,当瓦斯压力相对较小时,剪切裂纹主要在分布侵入体前端,而拉裂纹则沿着侵入煤岩体贯入一定的深度。当瓦斯压力相对较大时,剪切裂纹与拉裂纹贯入深度基本一致,且在煤岩体的损伤中,剪切裂纹比例随之增大;最后对模型中的分层刚度比与裂纹分布形态和应力分布进行了研究,当分层刚度比不相同时,其裂纹传播速度和形态都不相同。这些研究对于认识瓦斯突出机制和瓦斯突出防治提供了理论基础。     

基于CSIRO模型的煤与瓦斯突出模拟系统与试验应用

在分析现有装置优势与不足的基础上,为实现地应力、瓦斯压力和煤体物理力学参数方便可调,基于煤与瓦斯突出综合作用假说与CSIRO模型,提出本模拟系统的设计思想和技术要求。采用模块化的设计思路研制成功煤与瓦斯突出模拟试验系统。该系统最大可施加30 MPa地应力和3 MPa气体压力,气体压力采集频率高达1 000Hz,气体压力和高速摄像同步采集实现对突出瞬态过程信息的精确记录。该系统操作便捷,单次试验速度快,大大缩短了试验周期。模拟9组含瓦斯煤的石门揭煤突出试验,试验结果表明:煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯压力和煤岩体强度共同影响,其中煤体强度对突出起阻碍作用,对应不同煤岩体破坏状态,存在瓦斯压力动态临界值。模拟试验动力现象强烈,突出后孔洞成明显的口小腔大形态。研制的试验系统为深入分析煤与瓦斯突出机制提供了科学试验仪器。     

煤与瓦斯突出物理模拟试验研究现状及展望

煤与瓦斯突出是煤矿井下开采活动中较为常见的动力灾害,严重威胁着矿井安全绿色生产。鉴于现场煤与瓦斯突出的不确定性、突发性和危险性,物理模拟试验成为了研究煤与瓦斯突出机制的有效手段。通过查阅大量文献发现：(1)突出模拟试验装置由单轴向双轴、常规三轴、真三轴迭代升级,试件尺寸由小到大,数据采集由单一到多元化,各种大型多功能真三轴可视化、模块化试验系统的成功研制,为煤与瓦斯突出发生机制的定量研究提供了有效平台;(2)开展大量围绕“三要素”的煤与瓦斯突出物理模拟试验研究,探索地应力、瓦斯压力、煤体物理力学性质对突出的影响程度,通过煤层温度和两相流冲击演化反演突出强度,基本掌握突出的发动条件及致灾机制,形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系。然而,随着我国煤矿开采深度不断增加,深部煤与瓦斯突出机制变得更加复杂。针对新形势下煤与瓦斯突出研究存在的不足,对未来的研究方向提出建议和展望,旨在完善煤与瓦斯突出机制体系,突破定性假说研究阶段,对灾害孕育、发生、发展阶段的定量条件进行探索,为现场煤与瓦斯突出预测与防治提供可靠的理论基础。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的改进及应用

 为确保更好的煤与瓦斯突出模拟试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对其突出模具及其配套的煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和面密封等全方位密封技术可使突出模具在2 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠3组直径不同的圆形突出口装配,可在不更换突出模具的条件下进行不同突出口径的煤与瓦斯突出模拟试验,经济实用;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器与配套的试验控制软件连接,可较方便地实时监测突出过程中煤体内温度及其瓦斯压力的变化规律;研制的独立煤试件成型装置可准确实施预定的成型压力,且操作过程较为灵活、方便。利用改进后的煤与瓦斯突出模拟试验台开展的模拟试验表明,在瓦斯压力、突出口径方面均存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阈值,高于此阈值时,瓦斯压力或突出口径愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎作用。此外,煤与瓦斯突出过程中煤体的温度变化也印证了煤吸附瓦斯放热和解吸瓦斯吸热这一物理现象。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中最严重的动力灾害,其突出机制不清制约了灾害预警的可靠性和有效性.采用声发射监测技术,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,结合DS5系列全信息声发射信号分析测试系统,开展深部矿井不同埋深下煤与瓦斯突出相似模拟试验,分析煤与瓦斯突出能量演化过程,建立声发...     

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100 MPa、最大围压为10 MPa、最高加热稳定温度为100 ℃,试件尺寸为f 50 mm×100 mm。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2) 实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3) 实现“面充气”,更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4) 设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5) 数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6) 设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7) 具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,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,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

“三硬”条件煤层压变区域失衡冲击理论及应用

冲击地压是一种矿山动力灾害,是煤矿井工开采领域的难题之一,“三硬”条件下的冲击现象更为复杂,是开采此条件煤层亟待解决的问题。本文利用相似模拟试验揭示了“三硬”条件煤层应力集中和分布规律,结合数值模拟分析了工作面前方能量积聚情况,总结了“三硬”条件冲击地压的特征及发生过程,提出压变区域失衡冲击理论。理论认为:采、掘活动引起采煤工作面周围应力重新分布和集中,继而煤层出现软化破坏区、硬化弹塑区和裂隙压密区。软化破坏区吸收硬化弹塑性区煤体破坏释放的能量。当硬化弹塑区单位时间内释放能量大于软化破坏区吸收能量时,压变转化动平衡遭到破坏继而发生冲击地压。在此理论的指导下提出以煤层卸压孔为主、顶底板卸压槽、爆破为辅的“三硬”条件冲击地压防治措施,在实际应用中取得显著效果。     

近距离煤层卸压开采围岩力学特征试验研究

为获得近距离煤层卸压开采卸压层与被卸压层煤岩体变形、破坏特征和围岩支承压力分布规律,根据潘二煤矿7煤和6煤开采地质及工程条件,建立了7煤下行卸压开采和6煤上行卸压开采的相似材料试验模型。通过试验观测与数据分析,获得了单一煤层下行卸压开采(7煤)、上行卸压开采(6煤)覆岩运移、支承压力分布等围岩力学特征及多煤层(7煤和6煤)开采围岩力学特征的叠加演化效应。研究表明,被卸压层中的应力分布及变形特征与卸压层开采布置参数、层间距及岩层结构密切相关,而煤柱留设是影响卸压开采效果及被卸压层安全开采的关键因素,尤其是煤柱下应力集中区的巷道布置、围岩稳定性控制、煤岩动力灾害防治等是下行卸压开采的技术关键。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用

 为更深层次地探索煤与瓦斯突出机制,在同类突出装置的基础上自主研发了“大型煤与瓦斯突出模拟试验台”,其主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。分析后认为该试验台具有如下功能：(1) 利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载,模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。(2) 可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验。(3) 利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔,实现了对突出煤样的“面充气”功能。(4) 通过快速释放机构,可瞬间打开突出口使突出端突然卸压。(5) 实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。试验结果表明：有典型的梨形突出孔洞出现,突出的粉煤有明显分选性,且瓦斯压力越大其突出强度越大。所得试验结果与现场突出特征吻合,说明该试验台具有良好的煤与瓦斯突出试验模拟功能。     

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明：突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。     

近距离煤层群上行开采工作面巷道布置研究

钱家营矿主采煤层以典型的近距离煤层群形式赋存,为解决钱家营矿近距离煤层群开采中由于村庄压煤而面临的采掘衔接困难问题,对下部12_-1煤层开采的保护范围进行计算,并通过理论分析、数值计算、相似材料模拟试验等方法,分析了12_-1煤层开采后对9煤层的影响和破坏程度,研究了12_-1煤层回采后上覆岩层变形和应力变化以及煤柱区域垂直应力变化特征。结果表明:下部12_-1煤层开采后,对9煤层具有保护效果,采动影响系数K值为10.8~13.0,煤层破坏程度在30以内,9煤层总体形态较好,处于12_-1煤层的裂隙带中,应力降低明显,卸压效果显著。提出跨煤柱巷道布置方案,进一步减弱了采动影响。现场监测表明运用上行开采跨煤柱巷道布置方式对解决钱家营矿近距离煤层群的开采问题效果良好。     

水力掏槽防突中槽硐围岩应力应变分析

在分析试验区水力掏槽措施参数的基础上,从槽硐径向半径与地应力关系、槽硐径向半径与瓦斯内力关系、掏槽深度与应力变化关系、槽硐轴向深度与瓦斯内力关系等角度,深入分析其在突出厚煤层中快速掘进的防突机理,并通过数据统计验证了水力掏槽快速掘进防突技术在突出厚煤层应用的优越性,为突出厚煤层矿区应用该措施提供理论基础和实践经验。