含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力（40 MPa）和气体压力（4 MPa）,可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律：软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤（f>0.5）中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。     

浅析煤体透气性与煤和瓦斯突出的关系

在瓦斯压力不变时，随着地应力的增加，煤的透气性系数开始下降很快；当地应力增至6～7MPa时，煤的透气性系数值开始变缓；当地应力增至IOMPa时，煤的透气性系数值几近为零。这说明，地应力对煤的透气性起着决定性的作用。     

南桐煤矿煤与瓦斯突出区域性预测的定量分析

本文应用模糊相似选择理论对南桐煤矿九个瓦斯地质区的突出危险程度进行了定量分析，得出了其煤与瓦斯突出危险程度的列次序，与原定性分析的结果相符。     

受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明：突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力...     

地应力与煤体强度综合指标的确定方法探讨

本文通过对掘井头有方的动态应力场的分析，结合现代岩石力学方面的结论，探讨了地应力在煤与瓦斯突出过程中的应用。然后通过将钻孔取样过程与巷道推进过程的比拟，提出了在突出预报中采用煤样的破碎度指标代替在突出过程中起重要作用的地应力与煤体强度的依据和设想以及测定方法。     

采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

工作面采动应力场诱发煤体初始破坏,作为突出发生的必要条件,揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故,构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟,揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律,阐明了采动煤体裂纹动态演变行为,并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化,其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程,煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式,且随卸载速率增加,煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载,单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行,且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下,煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现,呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性-突增阶段）、裂纹扩展（渐进性-慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性-慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学...     

基于渗流失稳理论的煤体层裂机制分析

基于对流-固耦合数学模型的数值解算,根据计算结果,从渗流破煤的角度解释了煤体卸压后层裂发生的力学机制;通过对计算结果数据的整理分析,得到了煤体在渗流作用下发生初次破坏的力学定量条件,并定性的描述了层裂破坏持续推进以及终止的力学条件。数值计算结果显示:煤体的抗拉强度、初始吸附压力以及卸压速率共同决定着初次破坏能否发生以及破坏层裂体的厚度;层裂破坏能否持续推进主要由未被破坏煤体的卸压状况以及层裂空间内的压力变化趋势所决定,前者可以通过数值计算定量获得,而后者则与层裂破坏后层裂体的厚度以及破碎程度有关。     

初始释放瓦斯膨胀能与煤体破碎程度的关系研究

通过在同一试验条件下,对不同破碎程度(不同筛分模数)的煤样进行初始释放瓦斯膨胀能实验研究,得出了初始释放瓦斯膨胀能和筛分模数之间存在着指数增加的关系。从而很好地解释了石门揭煤条件下煤体破碎程度与突出的关系。对避免石门揭煤突出危险性预测因f值测定造成误差出现危险,准确地预测石门揭煤突出危险性有着十分重要的意义。     

浅析煤体透气性与煤和瓦斯突出的关系

在瓦斯压力不变时,随着地应力的增加,煤的透气性系数开始下降很快;当地应力增至6～7 MPa时,煤的透气性系数值开始变缓;当地应力增至10MPa时,煤的透气性系数值几近为零.这说明,地应力对煤的透气性起着决定性的作用.     

有侧压作用的含瓦斯煤在突然卸载下的临界破坏

在轴对称的实验装置上，对上下施加侧压的中心开孔的含瓦斯煤饼，将孔内压力突然降至大气压，求得煤样在侧压和瓦斯压力联合作用下的临界破坏条件。     

煤体变形破裂电磁辐射的初步实验研究

实验研究了含瓦斯煤体变形破裂时产生的电磁辐射现象 ,并考察了电磁辐射与声发射的关系。结果表明 ,含瓦斯煤体在受载破坏时能够产生电磁辐射 ,电磁辐射与声发射并非严格同步 ;电磁辐射信号随着载荷的增大而增强 ,随着载荷的降低而减弱 ,在煤体受载的全过程基本上都出现 ,这一实验结果可为煤与瓦斯突出预报提供理论依据     

突出危险工作面煤体温度变化的研究

针对某矿煤与瓦斯突出灾害预测指标研究不足的问题,利用自行研制的温度传感器装置,对某煤矿突出危险煤层的煤体温度变化进行了现场观测,并与传统的钻屑指标法预测煤与瓦斯突出危险性相结合,分析探讨了突出煤层煤体温度变化的规律,为今后利用煤体温度变化进行突出危险性的预测预报提供了依据。     

地质因素和煤体结构对煤与瓦斯突出的影响

介绍了滴道煤矿煤与瓦斯突出与地质因素、煤体结构的关系,为治理瓦斯提供了基础资料。     

不同煤体结构特征对比研究

为研究构造煤的化学结构和组成特征,以沁水盆地寺河矿为例,采集井下原生结构煤及构造煤(碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤)煤样,对4类煤样进行有机溶剂萃取后,借助核磁共振(NMR)、X射线衍射(XRD)及傅里叶红外光谱(FTIR)等测试技术对煤样的微晶结构参数进行分析测试。结果表明:构造煤在微观化学结构特征、大分子结构排列及主要官能团组成方面与原生结构煤相比,表现出了构造煤的专属性;宏观上揭示了糜棱煤的有序化程度最高,演化程度超前于原生结构煤,并在此过程中,碳氢键脱落,产生甲烷气体,脂肪烃的含量也有所减少,芳核缩聚程度增加;微观角度上揭示了构造煤糜棱煤发育区域容易发生煤与瓦斯突出。     

突出煤体的瓦斯解吸特征及其影响因素分析

在适宜的外界条件下,煤体中的吸附瓦斯迅速解吸为游离瓦斯后可释放出巨大的能量,从而产生强烈的气体动力效应。通过理论分析得出影响瓦斯解吸速度的重要因素——瓦斯的浓度梯度和孔壁产生的能垒。在一定的煤层条件下,吸附瓦斯浓度梯度取决于外部裂隙中高压瓦斯的释放速度,而孔壁的能垒与煤体的粒度关系密切。研究分析了不同吸附压力和煤样颗粒对瓦斯解吸特征的影响,得出瓦斯解吸速度和解吸量随孔隙压力和煤体破坏程度变化的规律。     

软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据

煤与瓦斯突出过程的复杂性阻碍了人们对瓦斯突出机理的探索,为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况,本文采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究,主要结论:巷道开挖后,构造煤的渗透率会骤增使得原来积聚大量的瓦斯突然间释放出来;构造煤分层还会通过界面应力诱发邻近的原生煤塑性体积和塑性变形最大值增加,促进原生煤内部的瓦斯的释放;初始瓦斯压力为0.74 MPa时,单位体积构造煤的突出能量约为原生煤的3倍,构造煤的突出耗散能量却仅是原生煤的0.11倍;构造煤的突出失稳判据大于1,而原生煤的突出失稳判据要小于1。原生煤和构造煤组合体的弹性能、解吸瓦斯膨胀能均是突出能量的主要组成部分,对于组合煤体的区域瓦斯防突措施主要是以降低瓦斯膨胀能为主,局部瓦斯防突措施要同时降低瓦斯膨胀能和弹性能。     

不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

瓦斯突出过程中煤体温度异常变化原因分析

煤与瓦斯突出事故是煤矿最严重的灾害之一,严重威胁着煤矿的安全生产。通过分析煤与瓦斯突出过程中不同阶段(应力集中阶段、煤体破裂阶段、瓦斯撕裂煤体阶段、抛出搬运阶段及静态解吸阶段)的温度异常变化原因,探讨了煤体温度变化与突出危险的内在原因,分析了利用煤体温度变化预测预报煤与瓦斯突出的可行性,为突出预测预报提供一种新思路和新方法。     

煤与瓦斯突出的流变电磁辐射机理探讨

针对当前尚未彻底弄清煤与瓦斯突出的本质,对其发生、发展过程中各主要影响因素的相互关系知之甚少,在前人研究基础上,采用新兴交叉学科理论,建立煤与瓦斯模型,较为详细地论述了地应力、瓦斯、含煤瓦斯和时间等在突出发展过程中相互作用。从而可以考虑用电的方法抑制含瓦斯煤在自然破坏过程中产生的电磁辐射对煤-瓦斯体系的影响来达到防治突出的目的,并利用各阶段的电磁辐射特点来预测、监测煤与瓦斯突出。     

煤体结构类型判断的超声波探测系统研究

实践证明煤体结构和煤与瓦斯突出灾害之间存在着密切的联系。但是在可以实现快速、准确判断煤体结构类型的设备开发方面仍然存在不足。介绍了一种基于超声波方法的煤体结构类型检测系统。该系统根据超声波在固体介质中的传播性质，通过对超声波速的测量，实现对煤体结构类型的判断。