煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力作用机理探讨

基于煤岩破裂损伤理论和气固耦合方法,针对不同地应力和不同瓦斯压力条件,采用RFPA2D-Flow数值计算软件对煤与瓦斯突出发生、发展过程进行数值研究,获得了煤体裂纹孕育、扩展演化规律及突出孔洞变化特征,并结合红阳二矿、西马煤矿突出实例进行验证分析。研究表明:地应力与煤与瓦斯突出发生所需的最小瓦斯压力呈线性反比关系,地应力越高突出所需的瓦斯压力越小;高地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在剪-拉应力作用下,形成以"–"型和"I"型裂纹组成的网格型裂纹,宏观破坏呈楔形分布,而较低地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在拉应力作用下,形成"I"型裂纹,宏观破坏呈环状分布;突出过程中地应力的作用使煤体破坏以楔形方式发展,瓦斯的作用使煤体破坏以弧形方式发展,突出孔洞的最终形状由地应力和瓦斯共同决定。     

三维应力作用下煤与瓦斯突出模拟试验及机理分析

煤与瓦斯突出是煤矿事故中最为剧烈的动力灾害之一,利用自主研制的"三维加载煤与瓦斯突出模拟试验装置"对煤与瓦斯突出孕育及发生过程进行了三维模拟试验,并进一步探究和分析了煤与瓦斯突出产生机理。研究发现:煤体内部瓦斯压力随体积应力的增大而增大,并且与之有很好的相关性,直至突出发生;建立了煤体应力与瓦斯压力综合作用的突出判断准则,且与试验结果吻合较好,拟合程度较高;提出了煤与瓦斯的突出是一个综合作用的过程,不仅受地应力、瓦斯压力和煤体强度的影响,还与突出口煤岩体抵抗强度有关。     

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。     

含水率对煤与瓦斯突出强度影响的试验研究

为了获得含水率对煤与瓦斯突出强度的影响规律,利用自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统,在恒定瓦斯压力、轴向应力及煤样成型压力等条件下,进行了不同含水率煤体的煤与瓦斯突出模拟试验;同时提出了包含突出煤量和最远突出距离二元信息的数学方程,用于表示煤与瓦斯突出的相对突出强度。试验结果表明:自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统的试验结果和现场煤与瓦斯突出实际状况相吻合;在轴压8 MPa、瓦斯压力0.8 MPa试验条件下,得出了含水率和相对突出强度呈二次曲线关系;煤体的含水率愈大,则相对突出强度愈小,发生煤与瓦斯突出的可能性也越小。     

平山矿煤与瓦斯突出相似模拟实验研究

以平山矿3#煤层400 m处煤层深度为研究对象,以煤与瓦斯突出机理和煤体孔径、渗透率与煤体吸附规律对突出的影响为基础,采用煤与瓦斯突出模拟实验装置,在不同瓦斯压力条件下,进行煤与瓦斯突出相似模拟实验。实验验证了煤与瓦斯在矿井下发生突出动力灾害现象的临界瓦斯压力为0.5~0.75 MPa,同时说明瓦斯气体对煤样在突出时有破坏和粉碎作用。     

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加两个气体压力传感器和两个温度传感器,进行突出口径分别为10mm,30mm,50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明:在0.75 MPa瓦斯压力条件下,突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出,突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出,突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少,突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态,突出口径越大,煤体突出的距离越远,破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6~5.0mm范围内的煤颗粒比例减小,而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加,体现了突出过程中的破碎功,具有较强的粉碎性。突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响,使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大,瓦斯压力降低越快,瓦斯对煤体的粉碎性越明显,突出强度也越大,突出过程中煤体温度也发生变化,说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。     

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。     

突出危险煤吸附瓦斯后变形规律的研究

通过实验室模拟方法，研究有突出危险煤吸附瓦斯后的变形量随瓦斯压力变化的规律，实测到不同瓦斯压力下煤体所发生的变形量，分析了煤体吸附瓦斯后煤质对变形量的影响；通过回归分析，找出突出危险煤的瓦斯压力和煤体变形量的关系，并依据煤体的变形量及煤层瓦斯压力的变化，为预抽煤体瓦斯、防止煤与瓦斯突出提供一定的理论依据     

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.     

煤的失稳与瓦斯突出机理的对比分析

分析了煤在高的支承压力下的破坏规律和应力应变特征;分析了瓦斯在煤基多孔介质中的运移条件,并给出了其扩散运移的影响因素和基本方程;分析了瓦斯的运移和煤体破坏的相互影响,指出了煤体所处的极限应力平衡状态和瓦斯的压力梯度增高是发生煤与瓦斯突出的前提条件,给出了系统稳定性判据和能量判据;对比分析了煤与瓦斯突出、冲击地压发生的机理差异,揭示了爆破诱发煤与瓦斯突出的动态响应过程.     

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。     

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。     

瓦斯压力在线监测技术在揭煤巷的应用研究

有效监测预警是煤矿瓦斯突出灾害防治的重要环节,我国大多数煤矿主要采用不连续的直接指标法和连续的间接指标法对瓦斯突出灾害进行监测预警,现场缺少瓦斯突出灾害连续直接监测技术。为了获得揭煤巷煤层瓦斯抽放过程中的瓦斯压力变化特征,设计了以连续监测、直接监测为核心的煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,采用分区布置多测点实时监测方法,验证了该系统的可靠性和监测数据的准确性,获得了瓦斯压力与抽放时间关系规律。研究表明:煤层瓦斯压力变化与抽放时间、瓦斯解吸状态相关,随着抽放时间延长,煤层瓦斯压力总体上呈降低趋势;随着瓦斯解吸量的增加,煤层瓦斯压力总体上呈升高趋势;随着抽放时间延长,抽放区域瓦斯压力为0.07~0.20 MPa,已低于突出临界值0.74 MPa,验证了煤层瓦斯抽放时间是防治瓦斯突出灾害的重要指标。研究可为煤矿瓦斯突出灾害有效监测预警和防治提供理论基础和技术手段。     

大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统研发

采用物理模拟试验开展多种组合条件下煤与瓦斯突出定量化模拟是目前研究煤与瓦斯突出机理与规律的主要研究手段,以综合作用假说、CSIRO突出模型为理论依据,根据推导建立的煤与瓦斯突出相似准则,研发了可考虑不同地质条件、地应力、煤岩体强度、瓦斯压力和施工过程的大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统;系统由模型反力与空间密封单元、高地应力梯度加载智能控制单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、巷道微型掘进与高速记录单元和多元信息瞬态获取五大关键单元构成。可实现最大尺寸为1.5 m×1.5 m×3 m(长×宽×厚)的试验模型真三维梯度加载,系统最大加载能力60 MPa,模型厚度方向可按0.6 m倍数调节,系统最大充气压力3 MPa,最大气体充填速度360 L/min,微型光纤光栅传感器最大采集频率500 kHz,巷道最大掘进速度10 cm/min。各模块协同工作,可实现三维气固耦合条件下石门揭煤诱发煤与瓦斯突出试验模拟,为探索不同组合因素下煤与瓦斯突出发生条件,揭示突出机理提供了定量化模拟平台。     

不同瓦斯压力的煤在单轴受压条件下温度变化规律

为了利用煤体温度预测技术预防煤与瓦斯突出灾害,本文依据热力学、渗流力学、岩石力学等学科的基础理论以及煤与瓦斯突出假说,构建了含瓦斯煤的热流固耦合模型。利用COMSOL软件对含瓦斯煤体的单轴加载过程进行数值模拟,主要对不同瓦斯压力状态下的煤体受压后表面的温度变化规律进行研究。结果表明,当煤体内瓦斯压力为0.1MPa时,即煤体内不含瓦斯对煤体施压,煤体表面温度呈上升趋势;当瓦斯压力升高至0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa时,煤体表面温度曲线表现为下降趋势,并且随着瓦斯压力越大,温度下降幅度也越大。温度的下降速率随着时间推移呈减缓状态,当瓦斯压力不大时表现得更为明显。     

基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

为实现瓦斯隧道安全快速有效地揭煤,以正习高速公路天城坝隧道揭煤工程为背景,分析了水力压裂大范围增加煤层透气性原理与增透效果影响因素,基于水力压裂增透技术建立了多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术体系,探讨了以超前探测、初探、精探、区域瓦斯防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等为核心的揭煤防突流程,优化了瓦斯隧道水力压裂防突技术...     

煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值确定方法的探索

煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值的确定一直是影响煤矿安全生产的技术难题,未确定瓦斯压力临界值之前,矿井一般采用《煤与瓦斯突出规定》(以下简称《规定》)的参考值0.74 MPa。针对这一局限性,结合煤与瓦斯突出综合假说,应用弹性力学与介质力学的理论成果建立了煤与瓦斯突出的物理力学模型,提出了一种新的瓦斯突出压力临界值的确定方法。研究结果表明,该方法具有广泛适用性,克服了一味照搬《规定》的盲目性,对矿井防突具有一定的指导意义。     

注液冻结法在石门揭煤中防突作用的可行性研究

根据人工冻结工程实践和注液冻结法的防突原理,通过冻结成型煤样力学实验,获取冻结煤层抗压强度等力学参数,定量分析了突出煤层注液冻结后力学性能和卸压区安全宽度的变化。根据煤层瓦斯含量公式,计算出不同冻结温度下煤层瓦斯压力。从降低煤层瓦斯压力、提高煤层力学性能、增大卸压区强度及减小瓦斯突出危险系数等方面论证了注液冻结法作为石门揭煤防突方法的可行性。