煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明：煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。     

红外测温仪用于煤样瓦斯解吸与温度关系的测量研究

通过对八个不同煤样,在注人不同压力的瓦斯,进行瓦斯解吸与温度关系的实验。揭示了瓦斯赋存量相近的煤,解吸时引起的煤体温度变化也相近;瓦斯赋存量高的煤,解吸时引起的煤体温度变化量也大,这意味着煤与瓦斯突出的危险也越大。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象,开展了不同瓦斯压力条件下的煤体吸附-解吸变形试验。研究结果表明:含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III等3个阶段;煤体的吸附-解吸变形具有明显的各向异性特征,但横纵向变形量比值随时间和压力变化不明显,趋于定值;含瓦斯煤体体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加,吸附/解吸时间越长,线性斜率越大;含瓦斯煤体吸附-解吸变形不可逆,残余变形量随气体压力增加而增大,且纵向变形对煤体残余体积变形贡献相对较大。     

煤对瓦斯吸附特征研究

通过分析煤对瓦斯的吸附作用,指出温度和瓦斯压力对煤体的吸附量影响显著,瓦斯压力越大,温度越低,吸附量越大。吸附温度对吸附常数a,b都有显著影响a,随温度的升高而降低。煤体放散瓦斯的速度符合文特式和孙重旭式,在初期,瓦斯放散的速度极快,并迅速衰减,决定突出强度。     

汪家寨煤矿上保护层开采区域性防治突出效果考察及分析

汪家寨煤矿采取上保护层开采的区域性防治煤与瓦斯突出措施,为了有效考察防突效果,实测出被保护层残余瓦斯压力、煤体变形量等参数,通过采用理论分析和现场试验相结合的方法展开探讨分析,结果表明:保护层开采后,被保护层残余瓦斯压力下降到《防治煤与瓦斯突出规定》要求的安全开采范围;被保护层煤体绝对变形量3~55 mm,相对变形量0.49#10-3~13.18#10-3;保护层开采卸压效果明显,确保了被保护层安全开采的技术条件。     

瓦斯突出及渗流物理试验研究进展

系统综述了前人研究煤与瓦斯突出的物理试验方法及理论成果,得出突出物理模拟试验分为瓦斯压力破膜突出模拟试验、人工缓慢干扰突出模拟试验、点火爆炸气压突增模拟试验、瞬间卸压突出模拟试验、间接突出试验5种方案;渗流试验由单一影响因素向多影响因素综合分析,并得到各因素影响渗流变化量的规律。认为目前该类试验研究为静态-突出模拟而非动态-突出模拟;没有研究机械振动作用下含瓦斯煤体渗流特性;没有研究突出前后瓦斯渗流规律;未系统分析煤体力学性质、瓦斯解吸吸附、渗流、煤体变形特征与突出破坏特性间的关系,以及机械振动对煤体强度、瓦斯解吸吸附、渗流、突出的影响。     

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.     

煤体吸附瓦斯与煤体变形量的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和变形测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,对取自象山、燎原和桑树坪井田的3、5和11煤的试验样品进行煤体吸附瓦斯与变形量关系的试验。结果表明:煤体在同等条件下的吸附性随着外部压力的增加而逐渐减小;自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;两种状态下的煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快。     

《煤矿安全》编辑委员会北大核心

煤层,其干燥基水分为2.33%,灰分为7.46%,挥发分为6.04%.取回煤样后在实验室加工成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的标准正方体试件. 1.2 实验系统 为了实时监测煤样试件在受力变形破坏过程中瓦斯的运移规律,自行设计了1套煤与瓦斯突出模拟实验装置,实验装置原理如图1.装置主要由突出模拟系统、瓦斯吸附系统、压力加载系统及微机监测与数据采集系统等组成.突出模拟系统主要由突出模具和突出口组成,其中,突出口可以模拟低渗透性突出煤层石门揭煤条件下的主动突出;瓦斯吸附系统用来为实验煤体吸附瓦斯;压力加载系统主要由液压加载泵和存储式数字压力表组成,通过液压加载泵对实验煤体进行压力加载,用来模拟含瓦斯煤在受力作用下的变形破坏过程,存储式数字压力表用来实时记录加载压力;微机监测与数据采集系统主要用来监测含瓦斯煤在应力作用下的变形破坏过程及数据采集等.     

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。     

高瓦斯综放工作面超前支承压力与瓦斯涌出关系分析

工作面前方煤体内的瓦斯涌出量是整个工作面瓦斯涌出的重要组成部分。煤体内的瓦斯压力变化直接影响着瓦斯渗流速度,而工作面前方煤体的瓦斯压力变化又受煤体应力的影响,因此工作面超前支承压力与前方煤体瓦斯涌出存在着一定关系。对工作面前方煤体内瓦斯涌出与超前支承压力的关系进行了监测,通过监测结果进行分析并结合数值模拟,对超前支承压力与瓦斯涌出量的变化关系进行了分析。     

煤粒吸附瓦斯过程中的温度变化研究

为了更好地揭示煤吸附瓦斯过程中温度变化规律,设计完善了煤体吸附瓦斯温度测试系统,对煤体吸附瓦斯过程中的热效应进行了实验研究。实验结果显示,煤体吸附瓦斯过程中温度升高,吸附过程中释放能量;温度随时间的变化呈指数函数关系;吸附平衡压力越大,温度变化量和温度变化梯度越大;环境温度越高,吸附过程中温度变化量越小。     

煤体循环吸附-解吸变形规律的试验研究

在井下煤炭开采和瓦斯抽采过程中,伴随着瓦斯的吸附-解吸,煤体会产生变形效应。采取试验方法,利用自主研发设计的煤体循环吸附-解吸变形测试试验装置,分析了煤体循环吸附-解吸CO_2气体的变形规律。试验结果表明:煤体在循环吸附-解吸下的变形呈现出各向异性的特点,但在平行层理和垂直层理2个方向上的变化趋势一致。随着循环次数的增加,各次吸附导致的煤体最大变形量增大10%左右。在同一次吸附-解吸中,垂直层理方向煤体的变形速率比平行层理方向的快。在1 MPa压力条件下,煤体的残余变形量与循环次数呈线性关系,即:ε_(rd)=kn-a。随着试验的进行,煤体结构内损伤增多,煤体强度降低。     

不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验研究

使用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验装置开展了不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以分析石门揭煤时含瓦斯煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出发生发展的影响。分析结果表明：突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,所以,石门揭煤时煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出有着一定的控制作用,合理设计揭煤工艺控制煤层新暴露面面积可有效防治煤与瓦斯突出;突出口径影响破断煤体中瓦斯的放散,使得煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同;突出口径越小,煤与瓦斯突出持续时间越长,瓦斯压力降低越慢,瓦斯对煤体的粉碎性越不明显,突出强度也越小,也因此改变了突出时温度变化量,结果在某种程度上说明了突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和抛出特性。     

含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

为了研究含瓦斯煤体渗吸水变形特征,利用自主设计搭建的承压瓦斯自然吸水实验系统,开展煤体在0.5、1.0、1.5、2.0 MPa瓦斯吸附平衡压力下的自然渗吸水实验。实验结果表明:气体吸附阶段,瓦斯压力越大,煤体横、纵变形量越大,纵向变形量约为横向变形量的2倍;自然渗吸阶段,煤体横、纵变形量均大于同一瓦斯压力下单纯气体吸附过程,实验系统环境压力值小幅升高,压力上升最大值为0.013 MPa,表明水渗吸同时存在瓦斯解吸过程;卸压泄水阶段,不同瓦斯压力下煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%,体应变和初始瓦斯压力二次相关,煤体体应变残余变形值较大,表明水渗吸作用后含瓦斯煤体变形的不可逆性和破坏性。     

煤体吸附过程中的变形-渗透特性试验研究

采用自主研制的煤岩三轴变形—渗透试验台,针对取自山西沁水煤田3#煤层的试验煤样进行煤体吸附过程中的应力应变和渗透特性试验研究。结果表明:自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快;在同等的瓦斯吸附压力状态下,吸附量及其对应的煤体渗透率随轴压和围压的上升而逐渐下降,下降规律接近线性;在相同的轴压和围压的组合下,吸附瓦斯的煤体渗透率随瓦斯压力的增加而逐渐增加,规律是线性的。