煤岩固—气耦合的流变力学分析

为分析煤与瓦斯延迟突出机理,讨论了煤层瓦斯流动特性,认为游离瓦斯和吸附瓦斯、突出空洞内的瓦斯和突出空洞附近煤体中的瓦斯均在煤与瓦斯突出过程中起重要作用,因而提出原煤吸附瓦斯贡献系数k并建立了煤层瓦斯流动的质量守恒方程;基于煤岩流变力学实验,提出了讨论煤岩流变力学性质的广义弹粘塑性组合模型。最后,建立了可以用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含瓦斯煤固－气耦合分析的数学模型。     

“三软”矿区采掘工作面煤与瓦斯延期突出机理

针对我国"三软"矿区含瓦斯软煤严重的蠕变失稳问题,串联一个非线性黏塑性体与四元件线性黏弹性伯格体模型,建立含瓦斯软煤非线性黏弹塑性流变模型,并据此推导了煤壁蠕变失稳时间公式.针对采区工作面前方的矿压时空演化特征,建立了地应力和瓦斯压力随时间变化的函数M(t);通过煤与瓦斯突出判断条件,探讨了卸压区的形成对煤与瓦斯延期突出的影响.结果表明:"三软"矿区延期突出的滞后时间为第1阶段卸压带形成时间与第2阶段应力集中带软煤蠕变失稳时间之和.     

考虑时间效应煤和瓦斯突出的失稳破坏机理研究

根据含瓦斯煤的流变破坏机理，研究了考虑时间效应的煤和瓦斯突出的失稳破坏机理，提出了其发生的判据，建立了教学力模型，为煤和瓦斯突出的预测和防治提供了理论基础。     

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。     

煤与瓦斯突出阵面的推进过程及力学条件分析

本文用数学解析方法解出了石门揭煤条件下工作面前方含瓦斯煤体内的稳态应力场和动态应力场。对突出阵面推进过程中任一煤体质点所经历的不同阶段内起主要作用的因素进行了研究，结合煤样的破裂特性用断裂力学的方法分析了突出的发生与发展过程，提出了煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说并给出了突出发生的力学条件。并在突出模拟试验中进行了初步的验证。     

煤与瓦斯突出同的推进过程及力学条件分析

本用数学解析方法解出了石门揭煤条件下工作面前方含瓦斯煤体内的稳态应力场和动态应力场。对突出阵面推进过程中任一煤体质点所经历的不同阶段内起主要作用的因素进行了研究，结合煤样的破裂特性用断裂力学的方法分析了突出的发生与发展过程，提出了煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说并给出了突出发生的力学条件。并在突出模拟试验中进行了初步的验证。     

含瓦斯煤的力学性质

本文采用自制的可做含瓦斯煤样的三轴试验装置,测定了二百多个含瓦斯煤样的三轴抗压强度与变形,求得了表示煤强度与孔隙瓦斯压力和侧压间关系的回归方程式;对煤样的应力-应变曲线进行了拟合计算,分析了煤强度与弹性模量在瓦斯介质中的变化规律。     

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)。     

微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响

针对3组不同变质程度的软硬煤样,采用等温吸附实验分析了不同软硬煤的瓦斯吸附特性;通过低压液氮吸附实验,研究了不同软硬煤的孔隙结构特征,从煤的物理微结构(孔隙结构)角度分析了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理;同时对不同软硬煤样进行了红外傅里叶光谱(FTIR)实验,研究了不同软硬煤的表面化学微结构特征及其对瓦斯吸附行为的微观作用机理.研究结果表明:不同软硬煤样的瓦斯吸附能力差异明显,随煤阶的升高,VL从17.35cm3/g增加到37.89cm3/g,pL在0.88~1.75 MPa范围内变化;肥煤和焦煤软煤的瓦斯吸附量均明显高于同种变质程度的硬煤,而无烟煤则正好相反;软煤的总比表面积始终明显大于对应的硬煤,不同软硬煤样的孔径分布峰值均出现在3~10nm的微孔范围内,微孔所占孔比表面积比例均大于50%,是比表面积的主要贡献者;肥煤和焦煤软煤较同阶硬煤拥有更大的比表面积和更少的含氧官能团,具有超前演化的特征,展现出了更好的瓦斯吸附性能;而无烟煤软煤较硬煤的成熟度更低,含氧官能团含量更高,导致其瓦斯吸附量小于相应的硬煤.煤体瓦斯吸附行为不仅受孔隙结构的影响,还与化学结构紧密相关,在实际应用中应同时予以考虑.     

Creep behaviour and constitutive model of coal filled with gas

Coal exhibits different creep behaviours when filled with different amounts of gas. Creep tests of coal filled with 0 and 0.5 MPa gas were performed, and strain under different axial stress was compared.The three creep constitutive models which were analysed using the method fitting experimental data for determining which creep model can reflect the creep process of the test best. The results show that the deformation of coal filled with 0.5 MPa gas is more higher than that of coal filled with 0 MPa gas under the same axial stress. Gas plays a positive effect on the deformation of coal process and will accelerate creep process. And gas will reduce coal intensity and change coal creep properties.Compared with Nishihara Model and Extensional Nishihara Model, Burgers Model can reflect the three stages of creep process of coal filled with gas better. The research results can contribute to reveal coal and gas outburst mechanism.     

Development and validation of THM coupling model of methane-containing coal

Based on nine necessary basic assumptions for THM coupling model, this research comprehensively applied the theories of elastic mechanics, seepage mechanics and heat transfer, and established a real three-field and two-way coupled mathematical model to reveal the connections among seepage field, deformation field and temperature field within the system of methane-containing coal. In comparison between numerical and analytical solutions, the coupling modeling for THM of methane-containing coal was proved to be correct by model application in the physical simulation experiment of coal and gas outburst. The model established in this paper was the improvement of traditional seepage theory of methane-containing coal and fluid–solid coupled model theory, which can be widely used in prevention of coal and gas outburst as well as exploitation of coal bed methane.     

Creep properties and a creep equation of delay outburst coal and its adjacent mudstone

The study of the creep properties of coal and its adjacent mudstone is very important for understanding the mechanism of delay outburst coal. The samples of delay outburst coal and its adjacent mudstone collected from Yongshanqiao mine were used to carry out triaxial creep tests. The influence of confining pressure and axial compression on the creep test was analyzed. An accelerated creep model was constructed in parallel with a nonlinear viscous component and plastic component. It is connected with the traditional Burges creep model in series. A creep model which can describe the nonlinear viscoelastic-plastic creep model of rock was established and the corresponding creep equation was derived.According to the results of the creep test, the related parameters of the equation were fitted. The results show that, under the same confining pressure, instantaneous creep strain, creep strain of deceleration phase and constant rate creep of the coal and its adjacent mudstone are increased with an increase in the deviatoric stress. But at the same axial pressure, all of the above decrease with an increase of confining pressure. The duration time of the deceleration creep phase increases with the increase in the deviatoric stress. The theoretical values of the creep equation are in good agreement with the experimental results. It indicates that the creep properties of the delayed outburst coal and its adjacent mudstone can be well described by the creep model established in this paper.     

基于固气耦合的煤岩-瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和气固耦合特性的二相介质复合材料。为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了三维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要结论如下：1）煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数和吸附性参数均与原煤相似;2）适当体积比的CO2和N2二元混合气体的膨胀能和CH4膨胀能一致,CO2和N2二元混合气体可作为CH4相似气体,且安全性高;3）研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数具有高度相似性,实现了气固耦合特性模拟;4）三维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。     

A mathematical model of gas flow during coal outburst initiation

A proposed concept of outburst initiation examines the release of a large amount of gas from coal seams resulted from disintegrating thermodynamically unstable coal organic matter(COM). A coal microstructure is assumed to getting unstable due to shear component appearance triggered by mining operations and tectonic activities considered as the primary factor while COM disintegration under the impact of weak electric fields can be defined as a secondary one. The energy of elastic deformations stored in the coal microstructure activates chemical reactions to tilt the energy balance in a ‘‘coal–gas" system.Based on this concept a mathematical model of a gas flow in the coal where porosity and permeability are changed due to chemical reactions has been developed. Using this model we calculated gas pressure changes in the pores initiated by gas release near the working face till satisfying force and energy criteria of outburst. The simulation results demonstrated forming overpressure zone in the area of intensive gas release with enhanced porosity and permeability. The calculated outburst parameters are well combined with those evaluated by field measurements.     

潘三矿立井揭煤瓦斯抽采模拟研究

瓦斯抽采对于立井揭突出煤层起到重要的作用,准确的确定钻孔瓦斯有效抽采半径和合理的在待抽煤层中布置抽采钻场对煤层消突具有关键性作用。基于多孔介质中流体流动达西定律理论,采用COMSOL Multiphysics软件对该煤层瓦斯抽采进行了模拟。模拟结果表明,此煤层的瓦斯有效抽采半径为3 m,随着抽采时间的增加,煤层瓦斯压力逐渐的降低,但降低的速率会逐渐的减小。瓦斯抽采30天后,其残余的瓦斯压力为0．18 MPa ,这与现场实测的最大残余瓦斯压力0．2 MPa相接近,这说明了模型的可信性,其模拟结果可为瓦斯抽采设计提供参考。     

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.     

煤与瓦斯突出的热动力过程分析

针对当前计算瓦斯膨胀能中存在着的绝热假设不符合实际的问题 ,在前人实验室研究和现场观测的基础上 ,从热力学的角度入手研究了煤与瓦斯突出过程中的能量转换过程 .指出瓦斯膨胀过程是一多变过程 ,提出了多变指数n的确定方法 ,建立了煤与瓦斯突出过程中能量交换的热力学模型 .     

煤与瓦斯突出的热动力过程分析

针对当前计算瓦斯膨胀能中存在着的绝热假设不符合实际的问题,在前人实验室研究和现场观测的基础上,从热力学的角度入手研究了煤与瓦斯突出过程中的能量转换过程．指出瓦斯膨胀过程是一多变过程,提出了多变指数n的确定方法,建立了煤与瓦斯突出过程中能量交换的热力学模型．