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。     

注水抑制煤与瓦斯突出的作用研究

结合煤与瓦斯突出现象,通过数值计算方法揭示了水对突出的抑制作用。煤炭开采的周期来压作用,相当于给含煤地层的不同区域施加了时空变化的受力条件,部分区域因为应力集中积聚了大量弹塑性能量。由于地应力和瓦斯的交互作用,煤体破裂成为煤块、煤粉,形成的裂隙也为瓦斯的宣泄创造了通道。针对此过程进行计算,定量探讨了水对瓦斯突出的抑制作用。结果表明瓦斯在煤层中产生的位移大,积蓄的弹性应变能大,对煤与瓦斯突出的作用更大,更具危险性和破坏性,而水对瓦斯突出起到抑制作用;瓦斯在煤层上部1/2~1/3处造成的位移最大,该处成为了抽放瓦斯的有利位置;合理利用水,注水降低煤体中积蓄的变形能,可以降低煤与瓦斯突出的风险。     

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。     

煤与瓦斯突出的“霰弹”模型及其变化规律

煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯作用下,瓦斯携带煤块向自由面冲出的过程,该过程的参数变化反映了煤与瓦斯突出变化的规律。由于煤炭开采的周期来压作用和含煤地层力学性质的各向异性,含煤地层中不同区域的瓦斯集中程度不同。这些高压瓦斯加剧了煤体破裂,形成的裂隙也为瓦斯的宣泄创造了通道。一旦有距离合适的自由面,瓦斯就会冲破阻力,携带大量煤块向自由面急剧冲出,形成煤与瓦斯突出。此过程与"霰弹"发射相似,因此采用"霰弹"模型描述。结合瓦斯突出的动力学过程与数值计算结果分析发现,要避免煤与瓦斯突出,阻止"霰弹"发射,提出了防治瓦斯突出的措施:破坏"炮弹",即改变煤体块度,尽量降低煤块颗粒直径;破坏"枪筒",利用爆破制造煤与瓦斯突出区域的排出通道,降低瓦斯密集度;阻止扣动"扳机",利用爆破方法改变煤与瓦斯突出倾向区域的地应力传递。     

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。     

温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究

 利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试样为研究对象,在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验,研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。研究结果表明：在相同应力条件下,含瓦斯煤的变形量随着温度的升高逐渐增大,轴向、径向与体积应变在不同的温度区间内分别有不同的变化趋势,温度超过60 ℃后,径向应变的变化速度超过轴向应变的变化速度;破坏角随着温度的升高略有增加;三轴抗压强度、残余强度、弹性模量等随着温度的升高逐渐降低,但在不同的温度区间内,其变化趋势有所差异;而泊松比则随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势。总体看来,温度对含瓦斯煤的变形特性及力学特性有着一定的影响,温度的升高总体上可降低煤体的强度,但在不同的温度范围内,含瓦斯煤的变形特性及力学特性的变化趋势有所不同。研究结果对深部煤炭开采及巷道支护等有一定的理论指导价值。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

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。     

煤中瓦斯包分布特征研究

利用红外热成像手段,对不同压力下煤吸附解吸甲烷过程中瓦斯包演化过程进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律。研究表明:煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的瓦斯包,吸附/解吸甲烷时,煤中瓦斯包比邻近区域具有更明显的升温/降温现象;吸附压力越大,煤样吸附平衡时间越短。通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的瓦斯包区域进行提取,可有效计算其甲烷吸附特征。计算表明,随着吸附压力升高,煤体瓦斯包中甲烷集中程度降低。在微米尺度下,煤中瓦斯包分布具有分形特征,且分形维数均在1.95~2.00之间。随着吸附压力升高,瓦斯包中甲烷集中程度降低,不同尺度的瓦斯包均发生了连通演化。     

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。     

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。     

地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用

 在基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路的基础上,在实验室搭建大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台,利用该试验平台研究石门揭构造软煤过程中煤岩应力的变化规律,同时结合数值模拟分析地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用。结果表明：在石门揭煤过程中巷道前方围岩存在明显的应力集中,使煤体中积聚弹性潜能,增加煤体的瓦斯压力梯度,为突出的准备和孕育提供能量基础;发现地质构造断层附近存在明显的构造应力异常区并与由后期开挖导致的应力集中相互叠加,有利于形成自构造软煤向周围煤层深部扩展的大型突出。     

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。     

煤与瓦斯突出多尺度预测研究

采用分形几何学手段，从煤田、井田、采区等3个尺度上，研究了地质构造的分形特征，并将构造分维数与瓦斯突出危险性程度作了对比分析。结果表明，在不同尺度上，地质构造均具有分形特征，构造分维数与瓦斯突出危险性间存在正相关关系，为煤与瓦斯突出分形预测研究提供了初步的理论基础。     

煤样中初始释放瓦斯膨胀能的测定

介绍了测定煤样中初始释放瓦斯膨胀能的原理和测定方法，设计了一套初始释放瓦斯膨胀能的测定装置。通过对突出与非突出煤样的测定表明，煤样中初始释放出来的瓦斯膨胀能要比后期涌出的瓦期膨胀能大得多，并且随着煤样初始释放瓦斯膨胀能的增大，揭煤时的动力现象也增大。     

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。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

 自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。