煤与瓦斯突出三维模拟实验研究

从力学模型入手，按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程，得出了突出强度同瓦斯压力、煤型强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型，分析认为，应力和煤的力学性质是决定突出强度的主要因素。     

基于层次分析法的煤与瓦斯突出预测研究

为了对煤与瓦斯突出进行预测,采用层次分析法研究了煤与瓦斯突出预测方法,分析了煤与瓦斯突出因素,对煤与瓦斯突出瓦斯压力和瓦斯含量临界值进行了确定。建立了煤与瓦斯突出的相关指标的层次分析模型。研究得出,某矿5号煤层的煤层瓦斯压力指标临界值为0.68 MPa,5号煤层瓦斯含量指标临界值为10.8 m³/t;影响煤与瓦斯突出的指标依次为煤的破坏类型和坚固性系数、顶板强度和厚度、煤层厚度、瓦斯压力、地质构造、瓦斯含量和埋深。研究为类似条件下煤与瓦斯突出预测提供了技术支持。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出强度影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出强度的影响,改进一套煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加气体压力传感器和温度传感器。研究煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力、温度变化,分析突出过程中各参数的演化规律。进行瓦斯压力分别为0.60、0.80、0.90、1.00 MPa的煤与瓦斯突出模拟试验。     

基于数据挖掘的煤与瓦斯突出实时预警研究

为提高工作面煤与瓦斯突出预警的准确率与时效性，利用工作面瓦斯涌出特征与突出“三要素”的之间的变化关系建立了以地应力系数、瓦斯压力系数、乘幂系数、变动率及离散率为基础的实时预警指标体系；将K-means聚类、FOA及RF三种算法结合构建基于数据挖掘的煤与瓦斯突出实时预警模型探究实时预警指标与煤与瓦斯突出的潜在发生规律，并通过模型的智能寻优及训练输出最优预警等级；现场应用结果表明：所建预警指标敏感性较好，预警模型的运算时间为0.118s，在本次实例应用中提前4小时发出煤与瓦斯突出危险级别预警，预警等级与现场突出实际情况较吻合，且与K1值、钻粉量S具有较好的一致性，实现工作面煤与瓦斯突出实时、准确预警。     

保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则

针对传统的保护层开采保护范围的残余瓦斯压力判别准则在实际应用中的局限性,结合某煤矿上保护层开采工程,提出了一种新的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则。根据煤与瓦斯突出的固气耦合失稳理论,通过引入煤体孔隙率与渗透率的动态变化模型,建立了有限变形下煤与瓦斯突出的固气动态耦合失稳模型;针对该工程实例,得到了被保护层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值,从而建立了以极限瓦斯压力值为判定值的保护层开采保护范围的判别准则。研究结果表明,该工程的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则的判定值为0.25 MPa,该准则反映了地应力、瓦斯压力与煤的结构对煤与瓦斯突出的综合作用。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验,实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测.实验结果表明:煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程,期间瓦斯压力存在多次上下波动;突出过程...     

平禹四矿特大型煤与瓦斯突出事故地质条件分析

以瓦斯地质学理论为依据,分析平禹四矿12190工作面运输巷掘进过程和工作面切眼发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故,结合平禹四矿所处区域地质构造,分析工作面突出区域的煤层埋深、瓦斯含量、压力、煤的物理力学性质,对煤与瓦斯突出发生的原因进行分析认为:煤层埋深是影响煤层的主控因素,突出区域存在瓦斯包为连锁反应提供膨胀能。综合分析得出,平禹四矿12190工作面发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故是地应力、瓦斯压力与构造煤综合作用的结果。     

基于熵权-属性数学的煤与瓦斯突出危险性预测

为准确预测煤与瓦斯突出危险性,以瓦斯、地质、煤体 等因素作为煤与瓦斯突出危险等级评价指标,基于指标临界 值及分级数方式,结合熵权法和属性数学理论构建煤与瓦斯 突出危险等级综合评判模型。实例研究结果表明:某煤矿工 作面煤的破坏类型、煤普氏系数、瓦斯压力的权重占比大,分 别为:0.1360,0.1083,0.0994;耦合模型下计算出该工作面 煤与瓦斯突出λ 为0.5567,预测结果符合C2 等级为“一般突 出危险性”,与现场瓦斯动力现象相一致,验证了本文所建立 的模型用于矿井煤与瓦斯突出预测的可行性和有效性。     

基于失稳爆析的瓦斯突出机理研究

煤与瓦斯突出事故属于我国煤矿生产中的多发事故,但目前国内外对煤与瓦斯突出机理的认识尚不统一,通过对煤与瓦斯突出事故发生时现象及原因的统计分析,提出了“煤层失稳—瓦斯爆析”的煤与瓦斯突出机理,认为“外力扰动引起煤层单元体平衡应力骤增,突破煤层自身抵抗能力发生失稳而产生脆性变形,造成煤层单元体吸附瓦斯爆炸式解吸,爆析后有限空间产生的瓦斯压力导致煤储层压力（平衡应力）剧增,再次突破煤层本身抵抗能力发生失稳”,这一现象循环往复,最终导致煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出是在失稳指数、瓦斯爆析含量临界值“双指标”超标时,在外力诱导下而产生的瓦斯动力现象。煤与瓦斯突出防治应从降低煤层瓦斯爆析含量、增大煤层失稳指数和合理规避外力作用这3个方面进行,并提出了具体实施方法。     

不同煤体结构组合的煤与瓦斯突出临界瓦斯压力

基于能量理论,分析了瓦斯突出瞬间能量的变化,构建了包括煤岩弹性能、瓦斯膨胀能在内的煤与瓦斯突出的正效应数理模型及煤岩抵抗瓦斯突出能量的负效应模型。根据煤岩应力应变试验,拟合得出了煤岩不同变形阶段力与变形量之间的关系,结合正、负效应耦合模型,计算出了寺河矿不同煤体结构组合下煤与瓦斯突出发生的临界瓦斯压力值。结果表明：在其他条件相似的情况下,随着软煤比例的增加,临界瓦斯压力值呈指数减小,煤与瓦斯突出的可能性大幅增加。利用该方法可以对煤与瓦斯突出临界值进行快速判断,从而采取有效措施。     

深井瓦斯煤层采动扩容致灾力学机理

为揭示深井瓦斯煤层扩容致灾的内在力学机理,从宏观和细观角度对含瓦斯煤扩容过程的力学特征进行了系统研究。研究表明,受采动应力作用的工作面煤层存在扩容缓变和扩容急变两种力学状态;扩容缓变区煤层累计扩容量缓慢增加、瓦斯压力随采动应力增大而增大;扩容急变区煤层累计扩容量激增导致煤层瓦斯压力突变降低,易诱发动力灾害。含瓦斯煤扩容行为致使瓦斯压力突变,初始瓦斯压力增大导致扩容应力临界值降低、煤体扩容率明显增加、扩容区瓦斯突变压力梯度显著增大,含瓦斯煤失稳致灾敏感性增强。构建了含瓦斯煤瓦斯压力和采动应力耦合作用力学模型,表明工作面煤层瓦斯压力受控于采动应力,且呈指数正相关性。揭示了工作面煤层瓦斯压力受控于采动应力的扩容致灾力学本质。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

非均质煤层瓦斯渗流的SPH方法模拟研究

应用光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法对煤层瓦斯渗流进行模拟研究。针对非均质煤层瓦斯瞬态渗流问题,利用Fortran语言编制了变系数瓦斯渗流偏微分方程的求解程序,通过虚粒子法处理边界条件,构建了无网格性质的SPH瓦斯渗流模型。进行了不同原始瓦斯压力和透气性系数时常系数渗流方法下结果的误差分析,同时考虑透气性系数受矿山压力及Weibull分布影响的非均质煤层,分析了非均质煤层中瓦斯压力及涌出量的变化规律。模拟结果表明：应用SPH方法能很好的模拟煤层的瓦斯渗流;矿山压力影响以及透气性系数按Weibull分布赋值的非均质煤层都会导致瓦斯渗流的非线性。     

本煤层顺层钻孔瓦斯抽放及消突效果考察

为了消除采煤工作面煤与瓦斯突出危险,在鹤壁煤电股份有限公司十矿1307工作面采用了本煤层顺层钻孔进行抽放,并根据《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿安全规程》采用残余瓦斯压力法、残存瓦斯含量法和统计煤层瓦斯预抽率对工作面瓦斯抽放进行消突效果考察,对工作面安全生产起到一定的指导意义。     

马依西一井3~#煤层瓦斯含量预测

煤层瓦斯含量预测资料,作为矿井通风系统设计、防突设计及瓦斯防治措施的依据,预测的准确度将直接影响矿井通风设备、巷道断面、瓦斯抽采设备等参数的合理确定。马依西一井为新建矿井,而3#煤层为首采煤层,关于该煤层的瓦斯含量资料相当匮乏,因此引入数量化理论对瓦斯含量与各地质因素关系进行研究。用数学地质模型预测的结果与实测值相比较,误差较小,证明了该方法的有效性。     

煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论

根据煤体变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理，提出了煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论，即突出是含瓦斯煤在体采掘活动影响下，局部发生迅猛，突然破坏而造成的，是应力、瓦斯及煤质３个主要因素综合作用的结果。采用Ｄｉｒｉｃｈｌｅｒ势能量小原理作为突出发生准则，建立了瓦斯对影响的本构关系及煤和瓦斯突出固流耦合的数学模，并用有限元法进行数值模拟，结果表明，采深和瓦斯压的增加都将使突出发生的危险增加。     

瓦斯压力对急倾斜煤层放顶煤的作用机理分析

应用煤岩流体力学理论分析了煤体内孔隙瓦斯压力对急倾斜煤层顶煤破碎的作用 ,孔隙瓦斯压力能降低煤体强度和弹性模量 ,利用其作用于煤体的开裂模式 ,使顶煤产生层裂 ,可显著改善顶煤的可放性     

采动条件下煤层瓦斯赋存状态变化以及CH4对煤体温度的影响

采动条件下,尤其是在深部开采的条件下,采动引起煤层赋存状态的变化,自然引起煤中瓦斯赋存状态的变化。在煤层赋存的瓦斯量中,通常吸附瓦斯量占80%~90%。随着瓦斯压力的增大,瓦斯含量也相应地升高。相应的在相同的瓦斯压力下,随着温度的升高,瓦斯含量降低。在瓦斯压力比较低时,吸附瓦斯量占绝大部分;随着瓦斯压力的增大,吸附瓦斯量渐趋饱和,而游离瓦斯所占的比例则逐渐提高。在深部地层中,当瓦斯压力较高时,煤层和岩层孔隙中所含有的游离瓦斯量往往可以达到相当大的数值。而随着煤中游离瓦斯含量的增加,CH4和CO2(主要是CH4)对煤体的升温起到了促进作用,增大了煤体发生自燃的可能性。分析结果对我国井工深部开采瓦斯管理具有理论指导意义。     

多煤层系统的煤层气运移模型研究

扩散和渗流是煤层气在煤层中流动的基本形态。在多煤层系统煤层孔隙压力梯度的驱动下,临近层煤层气会越过弱透气夹层向开采煤层的采场、采空区或采气钻孔迁移并涌出,这就形成了多煤层系统的煤层气越流。通过对三者的综合认识,建立了多煤层系统的煤层气整体运移模型,为解决煤矿的实际工程问题提供了更符合实际的理论。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。