吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响与能量分析

煤层中高压瓦斯主要以吸附态为主,为了研究吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响,利用吸附性依次增强的氦气、氮气、甲烷和二氧化碳模拟相同气压下吸附瓦斯含量的不同。将0.75 MPa的上述4种气体充入物理力学性质相同的型煤并充分吸附,模拟游离瓦斯含量相同、吸附瓦斯含量不同的煤体,考虑4种不同强度型煤开展16次瞬间揭露试验。试验发生9次持续时间1 s左右的突出现象,对于低强度型煤试验不吸附的氦气也发生突出现象;试验结果表明随吸附气体含量增加,型煤发生突出的风险增大,吸附气体含量越大其突出强度越大。提出吸附气体膨胀能的测定方法,根据突出能量公式计算发生突出的煤体弹性能、吸附及游离气体膨胀能等突出潜能和煤体破碎功、抛出功等突出耗能,突出潜能与突出耗能基本相等验证吸附气体膨胀能测定方法的合理性。能量分析表明参与突出过程的吸附气体膨胀能占总气体膨胀能的7.9%~32.3%,占突出潜能的6.5%~25.6%,且其占比随吸附气体含量增大而增大。研究成果为揭示、量化吸附瓦斯含量在突出中的作用提供参考和依据。     

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。     

深部巷道煤与瓦斯突出及冲击演化特征试验研究

为进一步揭示煤与瓦斯突出两相流冲击破坏机制,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,制作型煤试件,开展不同埋深(1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 m)下深部巷道煤与瓦斯突出模拟试验,定义试验突出临界瓦斯压力状态下的相对突出强度为单位突出强度,分析临界瓦斯压力、单位突出强度与埋深之间的关系,得到临界瓦斯压力、有效应力与冲击参数(冲击力峰值、到达峰值时间、突出持续时间)之间的变化规律,基于突出冲击波阵面速度公式,反演冲击气流在模拟巷道内的传播速度。研究结果表明：(1)突出启动时,高压瓦斯裹挟煤粉剧烈喷出,不同埋深下突出煤粉均在距突出口0～6.45m区间聚集,随埋深增大,煤粉集中区质量占比增大,随突出距离增加,煤粉质量占比逐渐减小,表明突出能量随突出距离逐渐衰减,且突出后煤粉沉降具有分选特征;(2)随埋深增大,临界瓦斯压力减小,单位突出强度逐渐增大,且埋深越大,变化幅度越大,表明深部煤与瓦斯突出阈值低,易诱发和强度大的特性;(3)冲击力在巷道内演化经历了“上升→峰值→降低”过程,呈现“波峰效应”,冲击气流传播速度...     

煤吸附/解吸瓦斯变形特征及孔隙性影响实验研究

煤吸附/解吸瓦斯的力学响应特征是煤与瓦斯突出机制研究中的重要问题。利用煤体吸附/解吸变形试验系统,对取自开滦矿区赵各庄矿9号煤层的原煤样品进行不同吸附压力下的吸附/解吸变形观测,配合高压压汞实验和液氮吸附实验研究煤样吸附解吸变形存在差异的原因。实验结果显示:煤吸附/解吸瓦斯产生的膨胀/收缩变形呈各向异性,卸压初期煤样收缩变形较快,之后变形速率减缓,变形需要很长时间才能稳定;吸附压力越大,瓦斯解吸时煤样的收缩变形越显著;煤的微孔含量和孔隙连续性是影响其吸附解吸变形量、解吸变形速率和残余变形量的主要因素。     

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.     

型煤与原煤全应力–应变过程渗流特性对比研究

 利用自主研制的自压式三轴渗流装置对型煤和原煤试样进行三轴压缩渗流试验,得到不同围压下2种煤样的全应力–应变曲线,并利用流量计和环向引伸计自动采集整个试验过程中煤样的渗流速度和横向变形。从细观损伤力学的观点分析2种煤样不同的破坏形式以及煤样的变形破坏对渗流速度的影响;讨论渗流速度对外部变量的敏感性和煤与瓦斯突出的突发性。研究结果表明,2种煤样的全应力–应变曲线都可以分为5个阶段,并与渗流速度–轴向应变曲线具有良好的对应关系。由于型煤与原煤的结构特性不同,致使2种煤样受力以后具有不同的损伤机制,渗流速度–轴向应变曲线差异较大,尤其在破坏阶段。型煤变形主要在前2个阶段影响煤的渗流特性,而原煤在整个试验过程中都受影响;型煤的渗流速度对轴向压力和轴向变形最敏感,而原煤的渗流速度对体积变形和横向变形比较敏感。原煤全应力–应变–渗流试验的5个阶段可以较好地解释煤与瓦斯突出过程的准备、发动、发展和终止4个阶段,可以间接地利用煤体瓦斯渗流速度变化进行煤与瓦斯突出预测预报。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响

 为了研究煤体瓦斯的解吸特性受高压注水影响的机制,结合压汞试验测定的煤的沟通孔隙率和孔径分布规律以及煤样注水后水残留在煤样中的质量,对不同煤种一定吸附瓦斯压力在注入不同压力水的条件下,煤体瓦斯解吸规律的差异进行分析。结果表明：(1) 不同煤种在同等吸附瓦斯压力条件下,沟通孔隙率越大,煤体瓦斯解吸能力越强;(2) 相同煤种煤体瓦斯的解吸能力与吸附瓦斯压力大小有关,吸附压力越大,解吸能力越强;(3) 根据煤的孔径分布规律和注水后煤中水的含量,计算出不同注水压力下水进入到煤体的临界孔隙尺度,该值直接影响煤体瓦斯的解吸能力,即临界孔隙尺度越小,解吸率越低;(4) 通过数据拟合得出煤体瓦斯的解吸率与水进入到煤体的临界孔隙尺度符合Langmuir型规律的函数关系式。     

突出过程中煤–瓦斯两相流运移的物理模拟研究

为了探讨煤与瓦斯突出过程中的煤–瓦斯两相流冲击破坏动力学行为,利用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统开展了突出过程中煤–瓦斯两相流运移规律物理模拟试验研究。结果表明:突出煤粉在高速气流作用下自工作面抛出,呈射流状,随着距离的增加,固相流扩散为栓塞流,沉降量随之增大,从而主要聚集在巷道末端;试验相对突出强度为10%,突出煤粉中绝大部分为粒径小于0.150 mm的煤粉,煤体破碎程度较高;突出启动后,高压气流携带大量煤粉从煤层中喷射而出,形成较强的冲击力,近突出口区域冲击力反复升降,表明突出过程具有阵发性;煤–瓦斯两相流运移过程中瓦斯完全膨胀形成冲击力陡增区,冲击力沿巷道呈波动式分布,距突出口4 944 mm处峰值冲击力最大,随后沿巷道呈震荡衰减变化趋势。     

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。     

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。     

瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

 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,利用自行研制的三轴渗透仪,进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验。试验结果表明：在轴压和围压固定的情况下,突出煤样的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大。突出煤样瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增加,呈幂函数规律变化。随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于零。而突出煤样的瓦斯渗透速度增加率则随着瓦斯压力的增大而减小,最终趋近于一恒定值附近。研究成果对提高突出矿井瓦斯抽采率有重要意义。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报的研究

利用非线性理论－－突变理论，对煤与瓦斯延期突出机理进行了研究，认为延期突出的滞后时间是由地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学特性及外力作用（爆破）等的共同作用所产生的，并依此提出延期突出的预测预报方法。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

CO2驱替煤层CH4试验研究

 通过对大煤样试件(100 mm×100 mm×200 mm)进行注CO2驱替煤层CH4试验,较真实地模拟在煤层中储存CO2以及驱替开采煤层气的过程。研究发现：CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数相关规律;煤体对CO2的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上;随体积应力及驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47～28.00体积CO2,CO2/CH4置换体积比可达7.03～13.91;在恒定体积应力及驱替压力条件下,CO2注入、CH4置换、产出均能够平稳进行;2种不同煤层CH4含量条件与驱替置换方式下,产出气体中初期CH4含量高达20%～50%,随时间延续产出气体中CH4含量有所下降,但仍能持续保持在10%～16%;驱替压力、驱替速度、注入倍数、煤层CH4含量、储层结构及其渗透性等因素共同决定着CO2/CH4驱替置换效果;在CO2注入煤体进行置换吸附期间,受气体吸附解吸、煤基质自身变形等因素影响,煤体会发生膨胀现象。该研究成果对CO2煤层处置及驱替置换开采煤层气实践具有重要理论意义与指导价值。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries

Coal and gas outbursts are a complex catastrophic unstable phenomenon that involve the ejection of large volumes of coal, and are often accompanied by gas, such as methane, carbon dioxide or a mixture of the two. Coal and gas outbursts are prevalent in deep and gassy mines where face advance rates are rapid, and where gas drainage is either poor or absent. The occurrence of progressively larger coal and gas outbursts, and the potential for the catastrophic collapse of coal pillars, is of increasing importance as mining is extended deeper in seams rich in methane and other hydrocarbons. A unique coupled gas flow and solid deformation numerical model, viz., RFPA^2D-GasFlow, has been developed and is applied to simulate the evolutionary process of such catastrophic coal failures in underground collieries. The finite element model, which incorporates the physics of gas flow in the coal seam, the physics of coal deformation and instantaneous failure, and the cross-couplings between them, is proposed. The model also incorporates small-scale variability in deformation modulus and strength of the coal and surrounding rock. The variability in modulus and strength is distributed via a fine-scale resolution model according to the Weibull distribution, where the distribution parameter determines the level of heterogeneity. This numerical model is applied to simulate the whole process of coal and gas outbursts, including stress concentration, coal fracturing, gas pressure-driven expansion, and outburst. The instantaneous outburst process and associated stress fields, gas pressure gradients and displacement vectors are presented step by step. The numerical simulations indicate that the instantaneous outburst is a complex phenomenon involving interactions between gas pressure, stress and the physico-mechanical properties of the coal, and it can occur under a variety of conditions. Successful numerical simulation of the whole coal and gas outburst process provides the basis for identifying the outburst mechanisms, parameterizing the causative processes, and to defining potential precursors of failure.