突出煤相似材料综述及展望

突出煤相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟实验的基础,相似材料的研究有助于更准确地还原煤与瓦斯突出现象。对国内外相似材料的研究成果进行了综述,对相似材料制作过程中各个因素对相似材料力学、吸附解吸和渗透率3方面性能的影响进行了梳理,同时指出了相似材料的发展方向:全面衡量材料在力学、吸附解吸和渗透率方面的性能;对原料和制作工艺标准化;细化相似材料的定量评价方法。     

基于混合物理论的含瓦斯煤本构方程

以混合物理论的Truesdell公设为基础,认为含瓦斯煤是由固相煤、游离相瓦斯和吸附相瓦斯组成的饱和混合物,采用理论推导的方法构建含瓦斯煤的本构方程.方程表明,含瓦斯煤的力学变形特性由各组分特性、瓦斯吸附解吸作用和煤体的孔隙分布共同决定.不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的应力-应变曲线表明：吸附瓦斯促使煤体产生膨胀变形,降低其弹性模量;围压也将对含瓦斯煤的弹性模量和变形产生重要影响.     

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。     

煤与瓦斯突出相似材料常用黏结剂对比试验研究

为比较水泥、石膏、腐植酸3种黏结剂在制作煤与瓦斯突出相似材料时对材料强度和瓦斯解吸性能方面的影响,利用岩石三轴试验机和瓦斯放散初速度测定仪,获得了不同黏结剂条件下相似材料的单轴抗压强度和瓦斯放散初速度数据。研究结果表明:相似材料的单轴抗压强度随黏结剂比例的增大而增大,水泥作为黏结剂对材料单轴抗压强度的影响幅度最大,分别添加5%～20%的水泥、石膏、腐植酸,材料的最大单轴抗压强度分别为6.165、2.02、1.63 MPa;材料的瓦斯放散初速度随黏结剂比例的增大而减小,随着黏结剂比例的增大材料的瓦斯放散初速度变化程度从大到小依次为水泥、腐植酸和石膏。     

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。     

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。     

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。     

原料配比对相似材料放散初速度影响的实验研究

煤与瓦斯突出相似材料是由骨料、辅料、黏结剂混合后在一定成型压力下制作而成,原料配比对相似材料的放散初速度影响较大。为研究原料配比对相似材料放散初速度的影响,通过正交实验设计,选取水泥、砂子和成型压力3个因素作为研究对象,分别测定不同配比条件下相似材料在吸附CH₄和CO₂情况下的放散初速度。实验结果表明:对相似材料放散初速度影响较大的因素为水泥和砂子的添加比例,随着水泥和砂子比例的增大,相似材料的放散初速度逐渐减小;相似材料吸附CO₂比吸附CH₄时的放散初速度高约30%,成型压力对相似材料放散初速度的影响较小。实验分析结果对后续制作相似材料具有重要参考意义。     

煤与瓦斯突出物理模拟相似准则建立与分析

相似准则是物理模拟的理论依据,是研发相似材料确定试验条件的基本前提。煤与瓦斯突出物理模拟相似准则是制约模拟试验发展的瓶颈。针对描述煤与瓦斯突出全过程的力学模型尚未建立的现状,尝试采用描述突出孕育阶段的气固耦合模型进行相似准则推导。基于气固耦合方程,采用相似变换法推导了相似准数。该组相似准数可保证煤岩变形破坏规律相似,却难以发生突出现象。提出了采用能量模型推导煤与瓦斯突出相似准则的思路。改进了前人的能量方程,经过相似变换导出了新的相似准数。该组相似准数可保证试验模型与原型能量集聚、转移和释放规律相似。结合两组相似准数,在保证能量模型相似的基础上,考虑煤岩变形破坏规律相似,确定了煤与瓦斯突出物理模拟相似准则。与前人的物理模拟试验结果进行对照,验证了相似准则的合理性。     

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。     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

含瓦斯煤体力学特性实验研究

应用了胡少斌博士建立的含瓦斯煤体力学特性测试系统,进行了含瓦斯煤全应力-应变实验和含瓦斯煤吸附膨胀实验。实验结果表明,在有效围压一定的条件下,含瓦斯煤体的力学特性的影响与其瓦斯压力有关,瓦斯压力越大,煤体的弹性模量越低,抗压强度越低,抵抗变形的能力越弱;煤体中冲入吸附性越强的气体,对煤体力学特性影响越大,煤体抵抗变形的能力越弱;在固定轴向载荷和有效围压的条件下,煤体内瓦斯压力越大,煤体膨胀变形的速率越快,并且达到最终破坏的形变量也越小;吸附瓦斯和游离瓦斯的存在加速了裂纹劈裂破坏,使煤体更容易发生剪切滑移破坏。     

煤吸附和解吸瓦斯过程中温度变化研究

介绍了通过实验方法测定瓦斯在吸附和解吸过程中的温度变化，由实验结果可知瓦斯吸附过程是放热过程，在吸附和解吸过程中，温度变化幅度随压力变化幅度的增加而增加；吸附能力越强的瓦斯气体，在被吸附时放出的热量越多，解吸时吸收的热量也越多。     

含瓦斯煤的渗透率演化模型及其影响因素研究

为了研究瓦斯抽采过程中煤体渗透率的变化规律,推导建立了考虑吸附膨胀应力的含瓦斯煤的孔隙率模型和含瓦斯煤的渗透率演化模型,通过三轴应力条件下的含瓦斯煤渗透率实验对该模型进行了验证,两者吻合度较高。基于该模型研究了在孔隙压力卸载状态下煤的弹性模量、初始孔隙率、吸附性常数、吸附膨胀应力系数等对渗透率的影响规律。结果表明：在气体卸压过程中,煤的弹性模量越小,其渗透率的变化率波动就相对越大;煤的初始孔隙率越小,其孔隙率的变化率越大,进而渗透率的变化率也就越大;煤的吸附膨胀应力系数对渗透率的影响作用与Langmuir吸附常数类似,其值越大则气体解吸所引起的渗透率增大就越强,渗透率下降就越缓慢。     

含瓦斯煤渗透性影响分析

以屯兰矿8#煤层低渗透含瓦斯煤为研究对象,采用电液伺服渗流装置进行了轴压、围压与瓦斯压力的交叉试验,以分析含瓦斯煤渗透性影响因素及其重要程度.结果表明,在恒定的应力场中,含水率的变化对于煤体渗流特性影响很大,渗透率的变化与含水率呈现负指数函数形式,与轴压、围压也呈现负指数函数变化;通过比较拟合函数中的拟合系数a发现在含...     

不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的渗透特性试验研究

为探讨瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响,通过含瓦斯煤的三轴剪切试验,获得试件在进行三轴渗流试验时始终处于稳定应力状态的轴向应力和围压的合理取值,在此基础上,以贵州松河煤矿8号煤为剖析对象,利用自主研制的出口压力可调的三轴渗透仪进行了有效应力和温度恒定、不同瓦斯压力条件下的三轴渗流试验。结果表明:当瓦斯压力恒定时,含瓦斯煤试件的抗剪强度随着围压的增加而增加;当有效应力、温度和试件两端压差恒定时,渗透率以指数关系随着间隙气压的增加而下降;当有效应力、温度和间隙气压恒定时,渗透率随着两端压差的增大而减少。试验结果为地面煤层气开发和井下瓦斯抽采提供了有力的技术支撑。     

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。     

利用瓦斯解吸特征指标预测煤与瓦斯突出的实验研究

理论分析了掘进工作面瓦斯涌出主要受到瓦斯含量、煤体物理力学性质的影响,并通过实验室煤样解吸试验,研究了同一煤质、不同瓦斯压力、不同粒径、不同煤体力学性质的煤样在瓦斯解吸过程中存在的显著差异,指出瓦斯解吸特征指标α可以较好地反映煤体的瓦斯含量、煤体物理力学性质的变化情况。通过现场实例验证了瓦斯解吸特征指标α对于预测预报煤与瓦斯突出危险的可靠性。     

含瓦斯煤的三轴渗透率实验现状研究

煤层瓦斯渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数,也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数。含瓦斯煤的渗透率可由多种方法获取,其中实验室测定是渗透率研究的主要手段之一。为了更加系统地了解国内含瓦斯煤的三轴渗透实验的研究现状,归纳了前人利用型煤、原煤试件进行的不同应力、不同温度及不同瓦斯压力等条件下的渗透实验,总结了各个实验的结论和规律,并对今后含瓦斯煤渗透率实验的研究方向提出见解。