静电场对煤放散瓦斯特性影响的实验研究

研究静电场作用下含瓦斯煤体的放散特性和致因机理,结果表明：静电场主要影响了Δp的45～60 s的放散过程;放散初速度随着电压的升高而变大（变小）,在某一特征电压下达到最大值,其后逐渐趋近平缓;特征电压累计加电时,Δp呈现上下波动中趋大（趋小）的现象,在撤掉电场时Δp并未回落至初始值,并保持一定的时间记忆效应,可能使煤体发生了塑性损伤。其机理是静电场使得煤表面的吸附势阱深度增加和电负性增强两者相互竞争的结果。     

构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

本文研究了5对矿井的两种煤样的吸附与放散特性。吸附实验发现构造煤与原生结构煤相比吸附量有所增加,但增加幅度不大,且这种变化的幅度随着变质程度降低而逐渐变大。构造煤煤样的Langmuir吸附常数"a"值均比原生结构煤较大,变化幅度约为1%~4%,而"b"值却没有明显的变化规律。对比原生结构煤与构造煤的煤体表面吸附自由能估算结果得知大部分构造煤样的比表面自由能有所提高,吸附的表面活性增大。瓦斯放散实验发现,构造煤的瓦斯放散初速度变化相对较大,除麒麟矿外,变化幅度在14%~25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下,构造煤煤体更加破碎,不仅吸附能力得到了一定的提高,瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。     

静电场作用下煤体瓦斯解吸实验研究

为探究静电场作用下下煤体解吸瓦斯响应特征,构建静电场下煤体瓦斯解吸实验平台,分析研究了不同电场强度、加电时间对不同变质程度颗粒煤体瓦斯解吸量、解吸速度的变化规律,并利用比表面自由能公式结合Langmuir和Gibbs计算静电场下的变化量.实验结果表明:静电场作用下煤体瓦斯解吸量和解吸速度随电场强度的增加呈先增大再减小的趋势,不同变质程度颗粒煤存在特征电场强度和特征加电时间,并在该处解吸量获得极值.其中,古汉山无烟煤、鹤壁贫瘦煤、平顶山肥煤和义马褐煤的特征加电时间均为4 h,特征电场强度分别为120,40,40 kV/m和120 kV/m;静电场作用下瓦斯解吸速度在前期得到提高,吸附体系比表面自由能呈先增大后减小的趋势,变化幅度在3％～16％.     

基于瓦斯放散特性单因素的煤与瓦斯突出模拟实验研究

使用三维煤与瓦斯突出模拟装置进行不同瓦斯放散特性煤样的煤与瓦斯突出模拟实验,分析单因素条件下煤样瓦斯放散特性对煤与瓦斯突出的影响。模拟实验进一步验证了煤体吸附瓦斯会在一定程度上降低煤体强度。实验结果表明,煤样瓦斯放散初速度与突出发生后残留煤体的坚固性系数呈负相关,瓦斯对煤样的粉碎作用会随瓦斯放散初速度增大而增强。提出突出强度系数综合表示突出发生的强度,数据显示:突出强度与煤样瓦斯放散初速度呈正相关,对于具有煤与瓦斯突出危险的煤层存在1个突出强度会急剧增加的阈值,当煤层的瓦斯放散初速度高于该数值时突出强度将明显增强。对于五轮山煤矿的5-3号煤层,该值介于13.9~16.8之间。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析

构造煤的发育是发生煤与瓦斯突出的必要条件,利用WT-1型瓦斯扩散速度测定仪测定了不同破坏程度构造煤的瓦斯放散初速度,结合试验煤样的坚固性系数,总结出构造煤的瓦斯放散初速度随着煤体破坏程度的升高(f值减小)而增加的结论;得出了构造煤具有快速放散瓦斯的特性;并分析了影响构造煤瓦斯放散特性的主要因素。     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。     

温度对煤体瓦斯放散初速度影响的实验研究

为准确测定瓦斯放散初速度ΔP,从而提高煤与瓦斯突出区域预测准确性;通过理论分析温度对瓦斯放散初速度的影响,运用自主改进的WT-1型恒温水浴瓦斯放散初速度测定仪,以土城煤矿3个采区所采集的煤样为实验对象,探究煤样瓦斯放散初速度ΔP与温度之间的关系。研究结果表明:煤体瓦斯放散初速度受温度影响,且随着温度的升高煤体瓦斯放散初速度逐渐变小,且呈现二次函数的关系。同一煤样在实验温度为10～30℃时误差较大,究其原因是受室温的影响造成,即后续研究应该充分考虑室温对煤体瓦斯放散初速度ΔP的影响。煤体瓦斯放散初速度受煤体影响,究其原因是由煤体的吸附特性造成。     

煤体瓦斯吸附与放散过程中的应力分析

为研究煤体在吸附和放散瓦斯过程中的力学特征,使用煤层瓦斯动力作用模拟系统试验平台,建立了煤体瓦斯吸附与放散物理试验模型,对煤体在瓦斯吸附和放散过程的煤体总应力、瓦斯压力和瓦斯放散速度等参数进行了监测。模拟试验结果表明：对于刚性围岩中的煤体,当煤体瓦斯从游离态向吸附态转化过程中,煤体总应力略微降低,孔隙压力和有效应力随时间分别按照对数规律减小和增大;煤体瓦斯向煤体外放散阶段,瓦斯压力和煤体总应力随时间按照负指数规律降低,有效应力随时间略有降低,瓦斯放散速度随时间按照对数规律降低。此研究成果可对矿井瓦斯动力灾害防治和煤层气开采技术理论研究提供参考价值。     

构造煤对煤体瓦斯放散性影响的实验研究

为了研究构造煤对煤体瓦斯放散性的影响,分别取典型地质构造的煤样在0.1和2MPa压力下吸附瓦斯,考察煤样的瓦斯放散性。实验结果表明:随着煤样粒径的减小,煤样的瓦斯放散性增加。构造煤对煤与瓦斯突出的作用不仅体现在对煤体的强度影响,而且体现在对煤体瓦斯放散性的影响。     

寺家庄煤与瓦斯突出机制分析

煤与瓦斯突出绝大多数发生在地质构造带,研究构造煤与原生煤的差异性对于探索煤与瓦斯突出机制意义重大。为探索阳煤集团寺家庄矿井煤与瓦斯突出事故频发的原因,对原生煤和构造煤煤样进行不同平衡压力条件下的恒温瓦斯放散试验,得到原生煤和构造煤在瓦斯放散特征方面存在显著差异,尤其在瓦斯放散初期,构造煤的瓦斯解吸速度明显高于原生煤,这一差异也体现于煤与瓦斯突出预测的现场测试结果,掘进过程中钻屑解吸指标K1值与构造煤厚度呈正相关关系,研究可知寺家庄煤矿15号煤层的煤与瓦斯突出受构造煤控制作用明显。     

瓦斯放散初速度影响因素研究进展

瓦斯放散初速度作为预测煤与瓦斯突出的重要指标之一,研究其影响因素具有重要意义。通过分析影响瓦斯放散初速度的主要因素:变质程度、充气压力、温度、孔隙特征、粒径、水分、外加声场和电场等,总结各个因素条件下的研究进展和不足,把各个影响因素归纳为瓦斯含量、瓦斯压力、通道性质3个方面。分析提出了瓦斯放散初速度进一步探究需要解决的问题,总结出瓦斯放散初速度多因素耦合作用的研究为主要发展方向。     

突出煤层表面裂隙特征与瓦斯吸附/放散特性关系实验研究北大核心

瓦斯吸附、放散特性对于煤与瓦斯突出灾害预测、检验与防治十分重要,且与煤体裂隙结构特征密切相关。选取东曲煤矿2#、4#、8#和9#煤层的煤体试样,利用分形维数表征煤体表面裂隙特征,研究了煤体裂隙分布与瓦斯吸附、放散特性参数之间的关系。结果表明:基于分形理论求解了煤体表面裂隙分布的分形维数,取值范围为1.4~1.5,原生裂隙发育程度为9#煤层>4#煤层>8#煤层>2#煤层;通过瓦斯吸附、放散实验测试分析了煤体等温吸附常数及瓦斯放散初速度,吸附常数a取值范围为34.180~36.920 m3/t,瓦斯放散初速度取值范围为12~18 mmHg,上述参数的大小顺序与分形维数值一致。统计分析了东曲煤矿煤体分形维数与瓦斯吸附、放散特性参数的相关性,结果表明二者呈显著正相关性,分形维数能够表征该煤矿煤体瓦斯吸附与放散的特性与能力。     

瓦斯放散初速度影响因素实验研究

通过实验测定了吸附时间、粒径、水分对瓦斯放散初速度的影响,并运用菲克定律进行了分析,为煤吸附解吸瓦斯机理的揭示提供一定的理论基础。结果表明,在煤样吸附瓦斯饱和前,吸附时间对瓦斯放散初速度影响较大,当吸附饱和后瓦斯放散初速度不再受吸附时间的影响;瓦斯放散初速度随粒径的减小而增大;瓦斯放散初速度随水分的增加而减小。     

中低煤阶煤孔隙特征及对瓦斯放散特性的影响

为了研究中低煤阶煤孔隙特征及其对瓦斯放散特性的影响,对采集的中低煤阶长焰煤、气煤、焦煤和1/3焦煤4个煤类共计14组样品进行了煤工业分析、煤岩分析、液氮吸附和瓦斯放散初速度测试,结合分形理论研究了中低煤阶煤比表面积、孔容和孔隙分布特征及其瓦斯放散特性。结果表明:中低煤阶煤孔比表面积孔径分布主要以小孔和微孔为主,孔隙形态为以一端开口的孔为主,含有少量两端开口的孔,部分样品含有少量墨水瓶形孔。中低煤阶煤孔隙具有较好的分形特征,孔比表面积、孔容与分形维数具有明显的对数关系。中低阶煤瓦斯放散初速度较小,瓦斯放散初速度随着分形维数增大而减小,随着平均孔径的增大而增大。随着各孔径段孔容积、孔比表面积含量增加瓦斯放散初速度均呈负对数减小趋势,各孔径段比例和煤孔隙形态类型的细微变化对瓦斯放散初速度的影响不大。     

煤与瓦斯突出相似材料常用黏结剂对比试验研究

为比较水泥、石膏、腐植酸3种黏结剂在制作煤与瓦斯突出相似材料时对材料强度和瓦斯解吸性能方面的影响,利用岩石三轴试验机和瓦斯放散初速度测定仪,获得了不同黏结剂条件下相似材料的单轴抗压强度和瓦斯放散初速度数据。研究结果表明:相似材料的单轴抗压强度随黏结剂比例的增大而增大,水泥作为黏结剂对材料单轴抗压强度的影响幅度最大,分别添加5%～20%的水泥、石膏、腐植酸,材料的最大单轴抗压强度分别为6.165、2.02、1.63 MPa;材料的瓦斯放散初速度随黏结剂比例的增大而减小,随着黏结剂比例的增大材料的瓦斯放散初速度变化程度从大到小依次为水泥、腐植酸和石膏。     

煤体瓦斯在声波场作用下的放散特征研究

为了研究声波场作用下的含瓦斯煤体应力演化规律和瓦斯放散特征，使用了自行研制的声波场作用下煤体瓦斯解吸装置，建立了声波场作用下煤体瓦斯放散物理模型，对放散过程中的煤体总压力、瓦斯压力和瓦斯放散速度进行了监测。试验结果表明，声波场作用下的煤体总压力随声波作用时间按照对数规律降低；试验还表明，声波对煤体的机械损伤效应和周期性振动作用能够促进瓦斯的解吸和放散。     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。     

水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响

为探索水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响,选用粒径小于0.18 mm和0.18~0.25 mm、二者质量比为1∶1的煤粉作为骨料,水泥为黏结剂,水为溶解剂,在不同条件(成型压力、含水率)下压制突出煤相似材料。利用岩石三轴试验机、瓦斯放散初速度测定仪测定突出煤相似材料的单轴抗压强度及瓦斯放散初速度,获得了不同条件下突出煤相似材料单轴抗压强度和瓦斯放散初速度的变化规律。实验结果表明:当含水率为12%~20%时,配制出的突出煤相似材料单轴抗压强度随含水率的增大呈现先增大后减小的趋势;当含水率达到16%时,其单轴抗压强度达到最大值8.99 MPa;当含水率为20%时,成型压力越大,突出煤相似材料成型后密实度越大、脱模后的试件含水率越低,单轴抗压强度越大;突出煤相似材料的瓦斯放散初速度随含水率的增大而减小。     

构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明：与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1～1.3,原生煤的幂指数主要为1.7～1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声...