应用煤体温度进行突出预报的实践

<正> 煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象。但就其影响因素而言,主要有地应力、瓦斯和煤的物理力学性质。工作面附近煤体温度与前两个因素的关系是:当煤体应力增加,其温度升高;在卸压或排放瓦斯时、温度则降低。苏联学者马耶夫斯基等的研究表明,瓦斯解吸时煤体温度的降低,大大超过机械加载时温度的升高。因此,许多国家都开展过应用煤体温度变化预报突出危险的研究。波兰早在     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.     

煤与瓦斯突出瓦斯压力变化规律实验研究

通过煤与瓦斯突出模拟实验,研究了突出过程中瓦斯压力的变化规律,分析了突出过程中瓦斯对煤体的破坏作用。研究发现:应力和瓦斯压力达到一定梯度才能引起煤与瓦斯突出,突出的发动明显滞后于卸压过程;突出发生时,瓦斯压力的变化有明显的规律性,瓦斯压力变化形态呈现出突然降低、快速升高并波动、达到波动峰值后逐渐降低,瓦斯压力的变化形态与突出发展的演化过程有较好的对应性;压出与突出过程中的瓦斯压力变化形态有显著差异。煤体在应力和瓦斯压力差的作用下发生剪切和拉伸破坏,靠近卸压口处的煤体层裂破坏特征明显。     

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...     

含瓦斯煤层的真实突出危险性及其判别试验

由于含瓦斯煤层突出危险性的判别是预防煤与瓦斯突出的关键,因此通过分析煤层开挖现场的应力和瓦斯条件,提出了煤层"真实突出危险性"的定义,认为含瓦斯煤层如不存在瓦斯卸压带,在应力、煤层原始瓦斯压力作用下的稳定性代表了真实的突出危险性。利用RFPA2D-Flow软件和相似模拟试验方法,以煤体强度为分组指标,研究了各组煤体在应力、瓦斯压力作用下的真实突出危险条件。煤层突出的瓦斯压力-应力临界条件可分为3个阶段:1在低水平应力范围内,应力阻碍突出,此阶段发生的突出主要以瓦斯压力作用为主,应力的增加对煤体起加固作用;2随着应力的增加,应力的作用由加固煤体转变为破坏煤体,应力加剧突出;3随着应力继续增加,突出发生的瓦斯压力降低并基本固定在某一水平,不再随应力增加而变化,此时煤体在高应力作用下发生宏观破坏,煤体状态处于峰后阶段,瓦斯压力的作用主要是破坏具有残余强度的煤体并抛出。最后,根据煤体破坏瓦斯压力-应力临界关系方程,得到了利用煤体强度参数确定煤体真实突出危险性的方法。     

沿空侧实体煤内应力与瓦斯分布特征研究

利用ABAQUS数值模拟对煤层开挖后采空侧实体煤内应力变化特征进行了模拟,并在现场留巷内开展瓦斯释放带测试试验,结果表明:煤体受采动影响,应力卸压区和塑性变形区内应力和瓦斯压力得到释放,且煤体吸附的瓦斯被解吸,随着裂隙通道进入采空区,使得实体煤得到卸压消突,形成了瓦斯释放带;模型开挖初期,应力卸压区范围较小,随着工作面的推进,应力集中区逐渐向实体煤侧深部转移,导致瓦斯释放带逐渐增大,但最终会趋于稳定。根据现场试验发现:实体煤侧以深40 m处残余瓦斯含量下降率10.71%～77.88%,在25 m范围内瓦斯下降率均超过了30%,测点内钻屑量最大值为5.2 kg/m,钻屑解吸指标最大值为0.28 mL/(g·min^0.5),均符合《防治煤与瓦斯突出规定》。     

掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

针对煤巷掘进过程中易发生煤与瓦斯突出的问题,对煤巷掘进工作面煤体的卸压区宽度范围进行了理论分析,得出了卸压区宽度受煤层界面摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、煤岩容重、侧压系数及煤层开采深度等多种因素的影响,采用灰色关联分析法确定了煤体的侧压系数为卸压区宽度的主控影响因素,并采用现场实测的方法验证了卸压区宽度数值分析的正确性。提出了煤巷掘进工作面进行煤与瓦斯突出防治措施应用时,应主要以施加外部荷载的防突措施为主,提高煤体的侧压系数以破坏煤体完整性并增大卸压区宽度,使卸压煤体厚度增大从而抵御煤与瓦斯突出。研究结论可以为煤巷掘进面煤与瓦斯突出的研究提供理论指导。     

龙山煤矿煤与瓦斯突出温度异常现象分析

介绍了安阳龙山煤矿第78次煤与瓦斯突出简况,从理论上对煤与瓦斯突出过程及其温度异常现象进行了分析。认为煤与瓦斯突出过程中煤体温度的异常主要是由地应力异常造成的,煤体的流变性是突出发生后煤体温度断续升高的主要原因。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

不同含水率条件下煤与瓦斯突出的声发射特性

采用自主研发的大型煤与瓦斯突出物理模拟试验台和美国物理声学公司PAC(physical acoustic corporation)生产的PCI-2声发射测试分析系统进行了不同含水率条件下煤与瓦斯突出物理模拟试验,对突出过程中的声发射特性进行了分析。结果表明：在瓦斯压力相同的条件下,突出过程产生的声发射事件计数率和累计计数随含水率的升高而降低,且瓦斯压力较低时,声发射事件对煤体含水率变化更为敏感;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件能量率和累计能量均随含水率的升高而降低;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件的最大幅值、高幅值事件的计数率等都随含水率的升高而降低,且声发射事件计数的集中区域有从大幅值向小幅值转移的趋势;在含水率相同的条件下,突出过程高能量、高幅值的声发射事件总数随瓦斯压力升高而增大。     

高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

利用单轴压缩试验仪器与声发射检测系统对煤样进行单轴压缩声发射试验，分析温度对原煤、型煤力学及声发射特性的影响规律。结果表明：同一温度下，型煤的峰值强度大于原煤,随着试验温度的升高，原煤的峰值强度与损伤强度逐渐降低，峰值应变也随之减小；型煤的峰值强度逐渐增大，但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低，两者损伤强度数值在应力-应变曲线拐点附近。通过分析煤样不同阶段的声发射特征，相同温度下原煤、型煤的力学与声发射特性相吻合。原煤加载初期声发射计数出现一段“空白期”，随着试验温度的升高，原煤最大振铃计数增大，200℃时达到最大值，型煤最大振铃计数先增大后减小，100℃时达到最大值；应力-时间曲线拐点附近，煤样声发射计数活跃，原煤激增现象明显，且高温处理后的煤样与常温煤样相比，拐点前移；原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异，对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同，更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生，据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时采取预防措施。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。     

基于气体驱动煤与瓦斯突出试验系统的研制与应用

为进一步研究气体驱动对构造带发生煤与瓦斯突出的影响规律及其孕灾机理,自主研发了“基于气体驱动的多场煤与瓦斯突出试验系统”,其主要由加载系统、三轴压力室、快速泄压系统、温控系统、数据采集系统、声发射监测系统、辅助系统等组成。该试验系统主要功能:① 可进行不同温度、不同瓦斯压力下标准型煤和原煤试样的煤与瓦斯突出试验;② 能进行不同尺寸煤样的突出试验,并能采用不同尺寸的突出口,控制突出强度;③ 将声发射探头安装在三轴室的压头内,使探头与试验系统一体化;④ 可通过次压力室的透明结构观察突出全过程;⑤ 试验系统含有多级压力室,改变突出口外部的气体压力,诱发延时突出。试验结果表明:气体压力对煤样有较明显的粉化作用,原煤煤样的突出现象更接近现场实际,突出后不仅存在粉化的煤粉,还有大量的大颗粒煤粉和小煤块,从而出现封堵突出口、抑制突出的现象。     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出,探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析,认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用,具体表现在：随着集中应力区应力值的增加,煤与瓦斯突出的强度增加,抛出的煤体被破碎的效果也更为明显,而且突出后煤体的温度降低量也越大;另外,集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

厚煤层浅孔低压注水防突技术

应力增高区是煤与瓦斯突出事故的多发区,采取有效防突措施消除突出危险,对煤巷安全掘进很有必要。浅孔低压注水使煤的含水量增加,使煤的力学性质发生变化,塑性增强,减少了煤体内部的应力集中,降低了瓦斯放散的速度,从而使煤层透气性增大、瓦斯充分释放、煤体瓦斯潜能降低,达到消突的作用。鹤壁中泰煤业公司在掘进工作面采取了浅孔低压注水防突措施,研究总结了浅孔低压注水消突技术参数和施工工艺,消除了掘进工作面突出危险,提高了掘进进尺。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。