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。     

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

煤与瓦斯突出模拟试验研究

 以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明：研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。     

三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究

 煤与瓦斯突出实质是开采扰动下含瓦斯煤体在三维应力作用下突然发生的力学失稳破坏,严重威胁着煤矿安全生产。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾煤矿突出煤粉压制而成的型煤为研究对象,利用自主研制的煤与瓦斯突出仪,进行煤层埋深－600 m,在轴压、围压、孔隙压三维应力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以探求煤与瓦斯突出规律。试验再现煤与瓦斯突出孔洞口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征现象,验证煤与瓦斯突出模拟仪的可靠性。通过对试验结果分析,划分6个突出区域,得到以下新认识：突出煤粉质量分布具有区域性特征,存在煤粉质量极值区和均值区。突出试验现象表现为瓦斯–煤气固两相射流特征,为引入射流理论研究煤与瓦斯突出机制提供新思路。突出煤粉量极大值区域位于突出中远区,是瓦斯–煤气固两相射流突出破坏能量的耗散阶段区域。不同粒径突出煤粉分布具有明显的波动分布特性。煤粉质量极大值区以较小粒径煤粉为主,煤粉质量极小值区以较大粒径煤粉为主,突出末端区域以较小粒径煤粉为主。指出高压瓦斯是突出发生的动力源和煤体粉碎粉化的破坏源,煤与瓦斯突出能量释放具有波动性特征。试验结论对煤与瓦斯突出的机制认识具有重要参考价值。     

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。     

隧道揭煤水力割缝卸压增透技术数值模拟研究及应用

隧道穿越突出煤层相较于煤矿井工开采,具有开挖断面大、施工作业人员密集、工期压力大等特点,发生煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧甚至爆炸的危害程度也更高。本文采用理论分析结合数值模拟的方法对隧道穿越突出煤层过程中应力-渗流演化规律进行了研究,同时对比采用水力割缝措施和未采用防突措施情况下煤体抽采效果,并在四川攀大高速宝鼎2号隧道开展现场试验。数值模拟和现场试验结果表明,采用水力割缝技术措施后,割缝钻孔的单孔有效抽采距离是普通钻孔的4.75倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯流量是普通钻孔的4倍;煤层的瓦斯含量W值和钻屑解吸指标K_1值均降低至临界值以下,有效地起到防治煤与瓦斯突出的作用。     

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/瓦斯突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理

提出了一种煤／ 瓦斯突出过程中煤介质失效破坏局部化的损伤机理的数值分析模型。模型的理论基础是将损伤力学与煤层中瓦斯气迁移的理论通过局部化处理相结合。模型中考虑了气体流动,瓦斯吸附,煤介质的变形及煤层中损伤的发展与传播间的相互影响。该模型被用于有限元分析。通过数值模拟阐述了以局部化损伤模型为基础的煤／ 瓦斯突出机理。     

石门揭煤突出过程的数值模拟研究

运用岩石破裂过程分析RFAP^2D系统，对急倾斜含瓦斯煤层中的石门揭煤突出过程进行了数值模拟研究，模拟结果再现了含瓦斯岩中裂纹的萌生、扩展，贯通直至煤岩抛出的突出全过程，并通过含瓦斯煤岩变形，破裂过程中的应力场演化说明了地应力、瓦斯压力以及煤体力学性质对诱发突出的综合作用。     

煤与瓦斯突出试验的微震动态响应与特征分析

煤与瓦斯突出前兆信息的挖掘与定量描述是准确预测、预报该类灾害的前提和基础。为了研究煤与瓦斯突出的发生机制,挖掘煤与瓦斯突出灾害的前兆特征及其描述方法,开展基于微震监测的煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统,开展瓦斯突出全过程监测试验,有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响应事件。微震信号的时、频域特征存在差异性和阶段性,并与瓦斯突出过程的孕育、准备、发生以及延续和终止4个阶段相对应。为了定量描述四阶段的特征,建立微震事件数N、事件发生率R、能量和Et以及当量能量E0等微震指标,这些指标表现出明显的阶段差异性。室内试验和现场监测研究表明,煤与瓦斯突出过程存在明显的阶段性微震特征差异,利用该差异性可以描述煤岩体内微震活动演化规律进而推断其稳定性状况,为灾害的提前预测提供依据。     

煤与瓦斯突出关键结构体致灾机制

 为了进一步完善煤与瓦斯突出机制,通过对已有研究成果和煤与瓦斯突出地质结构环境的总结分析,将煤与瓦斯突出机制研究与工程结构相结合,提出煤与瓦斯突出的关键结构体模型,并对煤与瓦斯突出过程进行剖析,通过理论分析建立煤与瓦斯突出启动的力学判据Cm和能量判据Ce,形成煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论。研究结果表明：地质构造运动形成构造煤体,营造利于突出发生的高应力环境,提供利于瓦斯保存和突出启动的地质结构环境;突出煤体具备高能瓦斯和构造煤的介质属性,是煤与瓦斯突出的基本条件,也是突出过程中能量的主要来源,关键结构体是煤与瓦斯突出得以成功启动的必要条件;依据关键结构体模型,煤与瓦斯突出分为准静载作用下的延迟突出(D-QSL)和动载作用下的瞬时突出(I-DL)2种类型;煤与瓦斯突出过程经历准备、启动、发展和终止4个阶段,突出准备阶段始于地质构造运动对煤体的改造,突出激发表现为结构2的突变失稳,隶属于突出准备阶段,突出能否成功启动决定于结构1的力–能条件;利用关键结构体模型和突出启动的力–能判据能够揭示典型煤与瓦斯突出事故的启动机制,可为煤与瓦斯突出预测与防治提供指导。     

煤层瓦斯渗流与煤体变形的 耦合数学模型及数值解法

根据固流耦合作用的基本理论，考虑瓦斯渗流对煤体本构关系的影响，提出了煤和瓦斯耦合作用的数学模型，给出了用有限元求其数值解的方法及程序。在此基础上，对采动影响下考虑煤层变形影响时瓦斯在采空区的流动规律进行了数值模拟分析，为采空区瓦斯抽放提供了理论基础和科学依据     

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在：煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。     

煤/瓦斯突出过程中的能量释放机理

将煤／瓦斯突出过程中能量释放的热动力学过程应用于煤层中瓦斯气迁移理论的有限元分析方法中,提出了 一种分析煤／瓦斯突出过程的能量释放机理。通过数值分析比较煤层发生突出所必须的弹性功与煤／瓦斯突出过程中 所释放的瓦斯内能,发现瓦斯解吸附所释放出的能量是引起煤／瓦斯突出的主要原因。此外,还进一步讨论了在等温 和绝热情况下煤／瓦斯突出过程中能量释放的机理。     

煤与瓦斯突出能量耗散理论分析与试验研究

为了深入研究煤与瓦斯突出的机制,从能量角度对煤与瓦斯突出有进一步认识和理解,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,采用理论分析与试验相结合的方法,对煤与瓦斯突出的能量耗散情况进行深入分析,得到弹性潜能和瓦斯内能的计算表达式。建立煤巷掘进煤与瓦斯突出力学模型,得到突出煤体与堆积位置的数学函数关系式,并根据突出煤体的堆积状态和破碎情况,计算突出煤体的移动功、摩擦功和破碎功,从而构建煤与瓦斯突出和煤、瓦斯的物理力学参数、巷道结构参数之间的突出条件式。研制高压气体瞬间对称卸压破煤试验装置,从试验角度分析煤的力学性质、瓦斯和地应力对煤与瓦斯突出的影响因素,对煤与瓦斯突出进行试验模拟。试验结果表明:突出煤的抗压强度、坚固性系数明显低于非突出煤;在单因素瓦斯作用下,较低的瓦斯压力不能使完整的煤体破碎抛出,地应力对煤与瓦斯突出有着重要影响;煤与瓦斯突出是一个温度下降过程。     

沿层钻孔瓦斯抽放的电模拟实验研究

根据渗流理论,本文对沿层抽放钻孔周围的瓦斯渗流问题进行了电模拟实验研究。同时,获得了沿层抽放钻孔周围的瓦斯压力分布规律以及不同透气性系数对瓦斯渗流的影响情况等结果。这对于研究矿井煤层瓦斯抽放和预防煤与瓦斯突出等问题具有一定的参考价值。     

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究.结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用.随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用.随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加.研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义.     

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。     

石门揭煤中煤体塑性区跃迁特征与诱突机制

为了研究石门揭煤突出的发生机制,在分析石门揭煤中煤与瓦斯突出的岩体、应力环境和物理现象基础上,依据煤岩蝶形破坏理论,建立石门揭煤中煤体塑性区形态及其诱突机制的分析模型。研究发现石门揭煤中煤体塑性区大小和形态存在蝶叶跃迁现象,塑性区大小对于主应力比值和煤岩体强度的变化具有高度敏感性,主应力比值或煤岩体强度达到某一临界条件后的微小增量均可以引起煤体塑性区的大幅增加。进而提出石门揭煤中煤体塑性区蝶叶跃迁诱发煤与瓦斯突出机制,即石门揭煤过程中,主应力比值和煤岩体强度的变化,使煤体在极短时间内产生一定范围的蝶叶塑性区,引发煤岩体内弹性能和瓦斯能的叠加突然释放,发生煤与瓦斯突出事故。并据此对红菱煤矿6·20特大突出案例进行计算机重演,获得的煤体蝶叶跃迁形态、范围与灾害案例中的突出空洞形态、突出煤量具有很好的一致性,为研究石门揭煤突出的发生机制提出一种新思路。