煤与瓦斯突出机理的探讨

认为突出危险源是存在于采矿活动中的具备发动煤与瓦斯突出的高势能瓦斯与破碎煤体混合的瓦斯富积区。研究了突出危险源的形成、突出发动的条件，提出了预防煤与瓦斯突出需要重视的几个问题。     

煤与瓦斯突出机理研究进展

随着煤矿开采深度的加大,煤与瓦斯突出这一灾害日益严重,因此需对突出机理作深入研究。本文综述了瓦斯作用说,化学本质说,地应力作用说和综合假说。指出进一步的研究应把瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特性的影响结合起来,从时间和空间上分析含瓦斯煤岩的强度、形变、流变、集气性和物理化学性等变化规律,最终解决煤与瓦斯突出机理问题,尤其是煤与瓦斯延迟突出机理问题。     

煤与瓦斯突出机理浅析

通过对国内外部分煤与瓦斯突出文献资料的分析,得出地应力、瓦斯和煤三因素都是发动突出的动力,提出煤层突出前的模式,并据此探讨了预测突出的部位及其强度的方法。     

基于地质构造角度的煤与瓦斯突出机理研究进展

针对我国煤矿开采过程中面临的煤与瓦斯突出问题,总结了煤与瓦斯突出机理的研究进展,通过总结现有理论模型的不足,指出构造带突出机理研究工作具有重要意义;分析了地质构造对煤与瓦斯突出3大关键因素的影响,即地质构造对煤层地应力分布和瓦斯赋存分布具有控制作用,构造运动可以改变煤的微观结构,从而改变煤的物理力学性质;总结了构造带煤与瓦斯突出过程,将其划分为准备、发动、发展和终止4个阶段,其中准备阶段包括构造运动和采掘作业2部分;基于现有研究成果的不足,从地质构造角度提出了煤与瓦斯突出有待深入研究的方向。     

可燃冰和煤与瓦斯突出的关系——兼论煤与瓦斯突出机理

通过对可燃冰的特性及其生成和保存条件的分析研究,提出了在一些煤层的部分区域可能存在着可燃冰的观点,并据此解释了突出煤层自行揭开突出瓦斯量远远超出煤层含量、二次突出等目前突出机理不能圆满解释的现象;相应提出了完善瓦斯突出机理,改进突出预测预报方法和防突措施的建议。     

煤与瓦斯突出机理研究

瓦斯后期释放条件不导致了石门回采及煤巷工作面突出强度的差异性，突出类型的突出是在压出类型突出的基础之上迭加后形成的，瓦斯是突出的主导因素。     

煤与瓦斯突出粘滑机理研究

根据煤与瓦斯突出的地质力学模型,设计了煤与瓦斯突出过程摩擦滑动模拟实验系统,对地应力、瓦斯、煤体结构等因素的作用机理进行模拟研究,发现在煤与瓦斯突出过程中存在粘滑失稳现象,其特征受多种因素影响;提出了煤与瓦斯突出的粘滑失稳机理;对煤与瓦斯突出中的振动波动、延期突出及突出间歇等现象进行了新的理论解释,指出煤与瓦斯突出粘滑失稳伴生的AE等物理现象对瓦斯突出非接触式连续预报有重要理论意义。     

煤与瓦斯突出机理模型构建与安全管理模式研究

根据煤与瓦斯突出事故发展一般规律及主要特点,以牛顿第一定律及力学平衡原理为指导,从新的角度首次形象地构建了煤与瓦斯突出力学平衡演化模型,阐述了突出发生的原因及过程,并用模型全面地解释了突出的各种事故特点,弥补了现有机理不能全面解释煤与瓦斯突出的不足,具有实际参考意义。同时,以模型为依据,综合运用现代信息技术和安全评价方法,从系统学的角度提出了煤与瓦斯突出矿井安全管理模式,实现了突出管理的系统化、全过程化、全方位化,为煤与瓦斯突出矿井的安全管理指明了方向。     

煤与瓦斯突出冲击波的形成机理

根据煤与瓦斯突出过程中煤－瓦斯两相流运动参数的研究成果,对不同流动状态下冲击波的形成机理进行了分析。当孔洞中喷出的煤－瓦斯两相流未超过临界状态或处于低度未完全膨胀状态时,流体在巷道空间完全膨胀后的速度较低,产生的冲击波超压值较小;当高度或超高度未完全膨胀流体在巷道空间中膨胀时,如果巷道空间足够大,则流体将进行“爆炸式”加速过程并可能产生强冲击波;而如果巷道空间受限时,最终形成的冲击波的超压值较小,但两相流的动压和膨胀过程中的气体静压可能会严重破坏矿井生产设备或设施。     

煤与瓦斯突出过程中瓦斯作用的研究

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防与控制，分别从孕育和突出两个阶段阐述了瓦斯在煤与瓦斯突出中所起的作用，指出了煤层吸附瓦斯和裂隙瓦斯对煤的物理力学性质的影响；由于空隙瓦斯的存在, 加剧了煤体失稳破坏的过程；特别指出突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能；并根据这一结论提出了相应的防突措施.     

Coal damage mechanism in the developing process of coal and gas outburst

Based on the damage analysis of elliptical aperture, the mechanism of coal damage in the developing process of coal and gas outburst was researched. The results show that the damage to coal by gas is mainly caused by the concentrated tensile stress appearing near the endpoint of the pores. Fractures in coal, gas pressure, ground stress and the tensile strength of the coal matrix are the major controlling factors of this kind of damage. When the ground stress releases abruptly and the gas pressure is high, tensile failure will occur around the endpoint of the small pores due to gas pressure, and the coal may be broken up like powder; this is called pulverization. Otherwise, when the gas pressure is low, the tensile stress can only occur around the endpoint of the large pores and fractures due to gas pressure, the fractures in coal extend and link together, the fracture extension direction is statistically perpendicular to the direction of the minor principal stress. This kind of damage is shown as the stratified spall around the outburst hole. Supported by the National Basic Research Program (973) of China (2005CB221503); the Key Project of Natural Science Foundation of China (50534080)     

向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨

为了确定向斜构造煤与瓦斯突出机理,从应力、煤体结构特征和瓦斯压力及含量等方面对向斜构造进行了分析.利用弹性梁的应力、应变理论,分析了煤层与围岩组成的软硬互层系统的层间滑动特征和应力-应变特征、煤体宏观与微观结构特征、瓦斯压力与瓦斯含量分布特征.研究表明,向斜构造的两翼与轴部中性层以上为高压区,中性层以下为相对低压区,距离向斜轴部越近,主应力及其梯度越大.向斜构造形成过程中的层间滑动造成煤体原生结构遭到破坏,煤体强度降低,煤层增厚.向斜构造部位瓦斯生成量亦相对较高,同时中性层以上煤(岩)体中的裂隙和孔隙被压密、压实而闭合,阻止了下部瓦斯的向上逸散,中性层以下的张性作用下的断裂或折裂面、煤体中的割理、节理等降低了解吸压力,形成良好的瓦斯聚集空间,也有助于煤层中吸附瓦斯的解吸,使得向斜轴部瓦斯含量较高.向斜构造同时具备的高地应力、高瓦斯压力(含量)和构造煤发育等3个因素是其发生煤与瓦斯突出的主要原因.     

煤与瓦斯突出热动力过程的研究

利用自行设计加工的煤与瓦斯突出模拟装置,通过实验室实验和理论分析相结合的方法研究了煤与瓦斯突出过程中煤体温度的变化规律,研究结果表明,煤与瓦斯突出不是大多数学者认为的绝热过程,而是一个偏向于等温过程的多变过程,多变指数可以通过实验测定的煤体温度来计算,吸附瓦斯和游离瓦斯的膨胀功可以利用多变指数计算。     

煤与瓦斯突出发展过程的实验与机理分析

为了研究煤与瓦斯突出发展过程中煤的破坏形式和原因,通过实验分析了含瓦斯煤块在突然暴露时的破坏规律,用简单的突出模型进行了各种条件下的突出发展模拟实验,并建立了突出发展的数学模型。结果表明,突出发展过程中煤的破坏主要表现为层裂形式,破坏传播的速度非常快（大于1 m/ms）,在突出发展初期不存在剧烈的粉化破坏。突出发展过程中煤中裂隙初始起裂主要是由于煤壁突然卸载形成的卸载波向里传播过程中被受围岩约束的煤部分反射回去,入射波和反射波叠加使煤处于受拉状态而发生拉伸破坏。即便地应力为零,含瓦斯煤体在突然形成暴露面时也会产生向深部传播的卸载波,进而引发层裂。     

瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出

通过对掘进工作面突出前夕煤壁瓦斯浓度变化规律的研究,提出了利用瓦斯浓度变化预报煤与瓦斯突出的方法,并建立了突出预报数学模型.研究表明：对瓦斯浓度序列的移动平均线、振幅、频次和方差等几个方面的综合评判,可预报掘进工作面突出的发生,并以潘一矿突出实例进行验证,表明在突出前2.5 h瓦斯浓度变化出现异常,根据这一异常可实现突出预报.     

煤与瓦斯突出过程煤体破裂演化规律

研制了一套煤与瓦斯突出模拟实验装置,通过高速摄像对突出全过程进行实时观测,从而实现对突出过程中煤体破裂演化规律进行了分析。通过对12次试验结果的分析发现,煤与瓦斯突出是个力学发展过程,它经历了孕育、启动、发展和停止4个阶段,受瓦斯压力和孔洞壁的径向应力大小影响,煤与瓦斯突出多次间歇式发展;实验条件下,煤与瓦斯突出启动后,从发展到结束过程耗时不足0.1 s;位于试验装置不同部位的煤体,突出瞬间煤体运动轨迹各不相同;通过对突出后煤体的裂纹分布规律进行分析,发现裂纹几乎平行出现,且裂纹的倾斜角度处在65°~70°,裂纹近似圆弧,圆心位置在突出口;试验还发现在0.481~0.764 MPa存在一个临界瓦斯压力值,可以使突出连续发生,从而具备了发生大型突出的瓦斯压力条件。     

Study on the formation mechanism of shock wave in process of coal and gas outburst

According to the research results of motion parameters of coal-gas flow, analyzed the formation mechanism of shock waves at different states of coal-gas flow in the process of coal and gas outburst, and briefly described the two possible cases of outburst shock wave formation and their formation conditions in the process of coal and gas outburst, and then pointed out that a high degree of under-expanded coal-gas flow was the main reason for the formation of a highly destructive shock wave. The research results improved the shock wave theory in coal and gas outburst. Supported by the Key Program of National Basic Research Program of China (973) (2005CB221504); the Key Program of National Natural Science Foundation of China (50534080)     

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加两个气体压力传感器和两个温度传感器,进行突出口径分别为10mm,30mm,50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明:在0.75 MPa瓦斯压力条件下,突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出,突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出,突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少,突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态,突出口径越大,煤体突出的距离越远,破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6~5.0mm范围内的煤颗粒比例减小,而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加,体现了突出过程中的破碎功,具有较强的粉碎性。突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响,使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大,瓦斯压力降低越快,瓦斯对煤体的粉碎性越明显,突出强度也越大,突出过程中煤体温度也发生变化,说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。     

构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的控制

根据对华北366对主要生产矿井统计分析,得出构造煤的区域分布主要受构造控制,挤压构造带是构造煤主要分布区,其次是伸展构造带的边缘,伸展构造带的内部主要是原生结构煤分布区;构造煤的层域分布主要受煤厚控制,即构造煤主要发育在厚煤层中;构造煤最发育的区域和层位,煤与瓦斯突出也最严重。纵弯褶皱作用下构造煤主要形成在褶皱的翼部,断层作用下构造煤主要形成在断层的上盘,因此,褶皱的翼部和断层的上盘也是煤与瓦斯突出最严重的部位。