含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH_4)应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。     

含瓦斯煤断裂电磁辐射的实验研究

通过实验证明，含瓦斯煤在断裂破坏过程中发生的电磁辐射，是与声发射同源产生的一种能量耗散形式，其辐射强弱取决于外加载荷的大小及煤的物理力学性质，间接反映了含瓦斯煤受力的破坏情况，有望成为煤与瓦斯突出危险性预测新指标。     

基于恒温动态吸附解吸试验的瓦斯解吸方程探讨

为了研究煤层瓦斯赋存、瓦斯吸附解吸规律以及瓦斯流动理论,设计了瓦斯吸附解吸的试验方案,研究了同一煤质、不同粒径煤样的等温吸附解吸特性.研究表明:定压动态下的瓦斯解吸量与时间的变化曲线与前人得到的函数曲线能够很好地吻合,建立了瓦斯吸附解吸的数学模型,发现煤样压力和煤样粒径分别对解吸量Q函数中的吸附常数a和b有影响.并通过恒温变压吸附解吸试验,分析了在解吸过程中突然改变煤层压力时的解吸方程,结果表明,改变解吸过程的煤层压力,煤体的解吸过程依然符合瓦斯吸附解吸数学模型.     

含瓦斯煤低温吸附过程能量变化规律研究

为了得出煤吸附甲烷过程中能量变化规律,通过高低温智能吸附实验箱分别进行温度为30、15、0、-15、-30、-45℃,初始吸附压力为1、1.5、2、2.5、3 MPa的煤吸附甲烷实验。结果表明：加大注气压力和降低吸附温度是影响煤在吸附甲烷过程温度变化量增大的2个重要因素;一定质量煤样吸附甲烷前后表面自由能会降低,热量会升高,且其差值因甲烷压力的升高而逐步增大;升压或降温在煤吸附甲烷过程中都使得煤温度变化量增大,实质上是煤表面自由能甲烷分子势能转化为热量值来维持整体能量平衡的现象。     

含瓦斯煤断裂电磁辐射的实验研究

通过实验证明，含瓦斯煤在断裂破坏过程中发生的电磁辐射，是与声发射同源产生的一种能量耗散形式，其辐射强弱取决于外加载荷的大小及煤的物理力学性质，间接反映了含瓦斯煤受力破坏情况，有望成为煤与瓦斯突出危险性预测新指标。     

基于数字图像重构的含瓦斯煤失稳模拟研究

为研究瓦斯压力下煤变形破坏过程及塑性区扩展规律,降低煤与瓦斯突出灾害风险,确保煤矿安全生产。通过基于数字图像重构技术,采用FLAC^3D有限差分软件,对无侧限压缩下煤样失稳破坏过程进行数值模拟,分析了瓦斯压力对煤峰值强度和破坏形态的影响。研究结果表明：无瓦斯煤样以剪切破坏为主,存在一个贯穿整个模型的主剪切破坏面;煤的失稳破坏是外部荷载及内部瓦斯压力共同作用的结果,含瓦斯煤样存在2种破坏形式,即在剪切破坏的基础上增加了拉伸破坏;含瓦斯煤样的峰值强度和峰值点应变随瓦斯压力的增大而减小,呈线性关系。结合数字图像重构技术与有限元程序,可建立反映煤真实结构的数值模型,为研究煤岩的非均质性对其力学特性的影响提供了一种有效手段。     

单位等量解吸焓对煤与瓦斯突出综合作用假说的补充

基于平顶山五矿中阶原生煤和构造煤的系列等温吸附实验数据计算温度-压力-吸附方程(TPAE)参数。通过TPAE方程计算结果证实,吸附是可以自发进行的放热反应,解吸是无法自发进行的吸热反应;热力学计算证明当吸附量增加,其单位等量解吸焓却按幂函数关系下降;原生煤单位等量解吸焓是构造煤单位等量解吸焓的2.2倍;煤靠吸收环境能量进行瓦斯解吸、降低温度、升高压力;而瓦斯压力升高和温度降低都有利于其余煤增加吸附以达到新的瓦斯气液平衡;煤吸附量持续增加带来的直接后果是其单位等量解吸焓的持续下降;环境能量输入与瓦斯内能蓄积转移显示互为诱因、互相强化,直至新一波的环境能量输入,诱发吸附瓦斯解吸达到足够高的压差梯度发生瓦斯突出;瓦斯突出是按准备、启动、发展和终止的先后次序发生;准备与启动的分段节点是有无工程活动,启动与发展的分段节点是圈闭瓦斯的煤壁是否被突破,发展与终止的分段节点是构造煤的吸附量是否接近于0。     

构造煤瓦斯解吸特征及对煤与瓦斯突出的影响

通过改进的煤样瓦斯解吸装置,精确测定了不同平衡压力下构造煤与原生煤的恒温瓦斯解吸量与解吸速度数据,分析了构造煤的瓦斯解吸特征。实验结果表明:构造煤的瓦斯解吸量具有明显的分段特征,其初期瓦斯解吸量更大,第1 min内瓦斯解吸量可达120 min总解吸量的31.55%～38.07%,远高于同条件原生煤的10.94%～14.24%;构造煤的初始解吸速度可达10.11～15.75 mL/(g·min),是同条件下原生煤的的1.72～2.32倍,构造煤的初期解吸特征主要由第1 min内的解吸特性控制。通过现场数据分析了钻屑瓦斯解吸指标K_1随构造煤平均厚度变化情况,两者呈线性关系且显著正相关,说明在构造煤发育区域煤与瓦斯突出危险性显著增加。     

基于双相介质理论的煤层甲烷预测技术

基于双相介质理论研究了双相各向同性介质中的纵波方程，并对煤层甲烷进行地震波动方程的数值模拟．正演得到的叠后记录双相介质的反射波振幅明显弱于单相介质，表现出低频共振、高频衰减及固相位移与流相位移为反相的特性．与地震资料和实际开采资料对比吻合较好．     

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验,基于实验结果,研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明：在初始瓦斯压力和围压相同的情况下,卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程,定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度,且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系;在瓦斯压力和应力差相同的情况下,不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性,卸围压速率越大,含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小;卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关,且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。     

Study on the mechanism of interaction for coal and methane gas

Although two moulds for methane gas in coal with the free state and adsorption state have been popularly considered, the derivation between the real methane gas state equation in coal and the perfect gas state equation has been fuzzily considered and the mechanism of interaction for coal aromatics arid methane gas molecules has not been understood. Then these problems have been discussed in this paper applied the principle of statistical thermo-mechanics and quantum chemistry as well as based on the numerical calculating of experiential data in quantum chemistry. Therefore, it is revealed by research results that the experience state equation for real methane gas in coal, which is put forward in this paper, is closer to actual situation and the interaction process for methane gas adsorption on the surface of coal aromatics can be formulated by Morse potential function. Furthermore it is most stable through this research that the structural mould for methane gas molecule adsorption On the surface of coal nuclear with one gas molecule on top of another aromatics in regular triangle cone has been understood, and it is a physical adserption for methane gas adsorption with single layer molecule on the surface of coal nuclear.     

构造煤煤层气解吸阶段分析及最大瞬时解吸量计算

为了探求构造煤煤层气解吸阶段瞬时特征,选取平顶山五矿的构造煤和原生结构煤,分别在20、30、40℃下进行了甲烷等温吸附/解吸试验,以试验结果为基础构建了基于兰氏方程曲率的煤层气解吸阶段模型,并依据此模型分析了构造煤煤层气解吸阶段,探讨了构造煤煤层气最大瞬时解吸量.结果表明:随温度的逐渐升高和煤体破坏程度的增大,原生结构煤和构造煤的低效解吸阶段、缓慢解吸阶段、高效解吸阶段及敏感解吸阶段总体向低压方向偏移,启动压力、转折压力和敏感压力表现出减小趋势,相比原生结构煤,构造煤的大部分启动压力和转折压力更低,整个解吸阶段具有更明显的向低压偏移的特征;较大的兰氏体积使得高效解吸和敏感解吸阶段前移;同时,随着温度的升高,原生结构煤和构造煤的煤层气最大瞬时解吸量呈减小趋势.     

基于分子模拟的煤中甲烷吸附扩散行为研究现状及展望

煤层中甲烷既是一种优质清洁能源,又是一种矿井灾害源.由于煤分子结构复杂,实验方法难以表征煤中分子微小尺度的吸附扩散行为.随着现代计算机信息科学和统计力学理论的发展,分子模拟方法突破了传统实验宏观的理论研究路线,使得从分子尺度研究煤中甲烷吸附扩散行为成为可能.目前更多科研学者从煤结构特征、孔径分布特性和气体吸附扩散特性等...     

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样,进行了20,30,40,50 ℃等不同温度下的高压等温吸附试验;应用吸附势理论,研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点,推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,并给出了模型中特征常数的求取方法;利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证,并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明,该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合,平均相对偏差小于5%,说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下,包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性;比兰米尔(Langmuir)等温吸附模型的功能更强,适用范围更宽.      

神府煤制水煤浆的研究

选择神府矿区柠条塔煤中的镜煤、亮煤和暗煤进行了制水煤浆试验。结果表明，当样品中镜质组和惰质组的比例为65％--75％：35％--25％时，制得的水煤浆的浓度较高、黏度较低。     

变压吸附法富集低体积分数含氧煤层气的研究

为了解决低体积分数含氧煤层气无法富集利用的问题,研究了甲烷体积分数为20%的煤矿抽排瓦斯的变压吸附富集过程。为了保证富集过程的安全,吸附过程中使用混合吸附剂,同时吸附甲烷和氧气,使得排放气和解吸气中甲烷和氧气体积分数都处在安全范围内。实验研究了吸附塔高径比、吸附时间、吸附剂比例、节流孔直径、反吹时间等对分离效果的影响。结果表明：在碳分子筛和活性炭作为混合吸附剂的体系中,其质量之比为3.4时可以将甲烷体积分数安全地提浓到30%以上,此时排放气中甲烷体积分数低于3%,氧气体积分数低于10%。     

寺河3号煤甲烷吸附解吸热力学特征

为研究煤层气排采过程CH4解吸内在热力学特征及水蒸汽在排水降压产气过程中的作用机理,在20,25,30,35,40℃五个温度点对寺河3号无烟煤(WY)进行等温吸附解吸实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热和极限吸附热。结果表明,升压(吸附)过程和降压(解吸)过程极限吸附热分别为23.31 kJ/mol和24.02 kJ/mol,属于物理吸附,但后者大于前者。从热力学角度看,吸附解吸平衡体系中,降压不足以导致煤层甲烷解吸,但降压促使液态水在煤孔隙中形成局部低压,水分子汽化,水蒸汽分子在煤孔隙表面吸附产生的吸附热约为40 kJ/mol,远大于甲烷吸附热,水蒸汽吸附置换煤孔隙表面吸附的甲烷,最终导致甲烷解吸。     

基于注入压降法的煤层气指标试井试验

为了准确地测出煤层气的指标参数,将注入压降法应用于煤层气指标测试中,应用预先设计好的试验流程及试验设备对煤层进行注水测试.介绍了注入压降在煤层气测试中的应用情况,进行了基于注入压降法的煤层气指标试井试验.试验结果表明,注入压降法的煤层气指标试井试验在煤层气测试中是非常有效、普遍的方法.