煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究

对煤与瓦斯突出过程中煤体质点内的能量耗散过程用热力学定律进行了分析；论证了由地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，为谋体内瓦斯能的释放创造了条件；在突出过程中起决定作用的是煤体本身释放的初始释放瓦斯膨胀能．通过突出模拟及测定表明，受地应力破坏后的含瓦斯煤体在卸压初始时刻确实有一个释放瓦斯膨胀能的能量峰，并且该能量峰的大小与揭煤时的动力现象显著与否密切相关．     

煤岩破坏过程弹性能与瓦斯膨胀能演化特性试验研究

煤与瓦斯突出灾害的本质是能量演化至灾变的过程,为了揭示突出过程的能量演化机制,以煤岩试件为对象,试验测定了不同破坏程度煤岩试件的弹性能和瓦斯膨胀能,结果表明:对试件加载时,输入的总能量一部分转换为弹性能,一部分转换为耗散能,峰值强度处弹性能占比约为70%,峰值强度后能量释放,弹性能急剧减小;0.8 MPa气体压力下,瓦斯膨胀能比煤体弹性能高1个数量级以上;峰值强度是弹性能和瓦斯膨胀能突变点。峰值强度处弹性能急剧降低,而瓦斯膨胀能却突增25%以上。由于瓦斯膨胀能是主要能量,这种能量的突变对煤与瓦斯突出的影响是巨大的。     

煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能影响的试验研究

为研究煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能的影响,对薛湖煤矿二2煤层不同粒径(0.5~1、1~2、2~5、5~10、10~15 mm)的煤样在同一温度条件下测定它们的初始释放瓦斯膨胀能。结果表明,任一粒径的煤样均随瓦斯压力的增大,具有的初始释放瓦斯膨胀能增大;在相同的瓦斯压力条件下,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与平均粒径大致成负指数下降的关系,煤样粒径越大,初始释放瓦斯膨胀能越小,反之亦然。所以,煤体在地应力作用下破坏后平均粒径越小,发生突出的危险性越大。研究结果证实了降低煤层瓦斯压力和通过煤体固化提高煤体强度均可降低煤层突出危险性。     

受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明：突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力...     

采掘空间前方集中应力对煤与瓦斯突出的影响

本文从力学角度出发建立了一个煤与瓦斯突出的平衡方程。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质综合作用的结果,平衡破坏就会发生突出,且具有一定的方向性。突出的强度决定于煤体中贮存的弹性潜能和瓦斯膨胀能的大小及其释放条件。     

采掘空间前方集中应力对煤与瓦斯突出的影响

本文从力学角度出发建立了一个煤与瓦斯突出的平衡方程。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质综合作用的结果;平衡破坏就会发生突出,且具有一定的方向性。突出的强度决定于煤体中贮存的弹性潜能和瓦斯膨胀能的大小及其释放条件。     

平顶山矿区突出能量分布规律及其控制因素

根据平顶山矿区内部分矿井实测三向应力、瓦斯含量、压力值计算了各矿区煤层弹性能及瓦斯膨胀能,并分析了其分布规律及特点,结合平煤矿区3次地质运动及矿区内地质构造特性,得到了突出潜能的主要控制因素并进行突出危险性划区。结果显示:弹性能及瓦斯膨胀能随埋深增加而增加,受地质构造控制作用显著;自重应力场控制区域煤层弹性与瓦斯膨胀能远小于构造应力场控制区域;构造应力控制区域随埋深增加构造控制作用逐渐减弱,转变为自重应力控制作用;自重控制区域煤层单位体积煤体瓦斯膨胀能与弹性近似相等,而构造应力控制区域膨胀能远大于弹性形;地质构造控制着矿区突出潜能的分布,是矿区突出主要控制因素;锅底山与九里山断层间区域危险性最小,锅底山与李口向斜之间突出危险性偏高,而李口向斜东南部区域突出危险性最高。通过对矿区突出点分布情况分析证明了突出危险性划区的正确性。     

初始释放瓦斯膨胀能测定技术

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标。研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,分析了现有初始释放瓦斯膨胀能测定技术的现状。研究表明,实验条件的不一致性是导致现有技术在准确测量及精密测量中存在不足的主要原因,由此提出了将"单罐系统"改为"双罐系统"的设计构想,并对原有测定仪器进行了改进。     

基于动态加载方式的煤与瓦斯突出试验

针对煤与瓦斯突出的特征,分析了膨胀剂作为加载方式的试验方法。以浆体形式装入受限空间内的膨胀剂发生水化反应后体积膨胀,对周围介质可以产生50 MPa以上的压力,其压力增加过程具有瞬间突变的动力特征。煤与瓦斯突出是煤层中储存的弹性应变能在应力条件改变时的突然释放。试验将膨胀剂置于煤体中,依靠膨胀剂加载的动力特征再现了煤与瓦斯突出的物理过程。结果表明,受限空间膨胀剂内部加载的试验方法可以真实地营造煤体的受力状态和煤体突出的边界条件,是研究煤与瓦斯突出问题较为理想的新的试验方法。     

初始释放瓦斯膨胀能测定原理与应用

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可以有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标.研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,提出了由"单罐系统"改为"双罐系统"的设计构想.利用改进后的测定技术对从河南大平煤矿13051工作面和16071工作面采集的煤样进行了实验研究,得到了其初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的变化曲线,并对两工作面进行突出危险性预测.结果表明,大平煤矿两个工作面在生产中均有突出危险性,与实际情况一致.     

初始释放瓦斯膨胀能测定原理与应用

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可以有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标．研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,提出了由“单罐系统”改为“双罐系统”的设计构想．利用改进后的测定技术对从河南大平煤矿13051工作面和16071工作面采集的煤样进行了实验研究,得到了其初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的变化曲线,并对两工作面进行突出危险性预测．结果表明,大平煤矿两个工作面在生产中均有突出危险性,与实际情况一致．     

初始释放瓦斯膨胀能测定原理与应用

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可以有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标．研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,提出了由“单罐系统”改为“双罐系统”的设计构想．利用改进后的测定技术对从河南大平煤矿13051工作面和16071工作面采集的煤样进行了实验研究,得到了其初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的变化曲线,并对两工作面进行突出危险性预测．结果表明,大平煤矿两个工作面在生产中均有突出危险性,与实际情况一致．     

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.     

煤层释放瓦斯膨胀能研究

针对煤与瓦斯突出危险性预测问题,对煤层释放瓦斯膨胀能进行了深入研究。根据瓦斯膨胀能基本计算方法,以煤层瓦斯流动压力场分布规律为基础,分别建立了煤壁释放瓦斯膨胀能和钻孔释放瓦斯膨胀能理论方程式;并应用 MATLAB 数值模拟软件,进一步对钻孔释放瓦斯膨胀能进行了分析计算。结果表明：钻孔释放瓦斯膨胀能在释放时间前3s内下降急聚,且该能量大小受煤层瓦斯压力影响最大,受透气性系数影响次之,受瓦斯含量系数影响最小。钻孔释放瓦斯膨胀能真实反映了实际煤层瞬间释放瓦斯的能力,矿井在煤层瓦斯压力测定时,通过实测钻孔释放瓦斯膨胀能,可以准确预测煤层突出危险性。     

构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明：与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1～1.3,原生煤的幂指数主要为1.7～1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声...     

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析.结果 表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中...     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

通过模拟实验方法测定在煤与瓦斯突出过程中的温度变化，用测定结果来证实突出强度不同，煤体温度变化也不相同，瓦斯压力越大，煤体下降的温度越大，在煤与瓦斯突出过程中，瓦斯的膨胀做功过程并非绝热过程，而是一个接近于等温的多变过程，为从热力学角度研究煤与瓦斯突出机理提供了帮助。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则

基于煤与瓦斯延时突出机理,分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出动力源,阐述了地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质在延时突出过程中的作用及地应力、瓦斯压力时含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系、并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.分析结果表明,煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量,作用力大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等;作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力,瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量.因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.在此基础上,提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则,即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.     

煤粒初始释放瓦斯膨胀能的影响规律 与温度效应分析

煤体瓦斯膨胀能对预测煤与瓦斯突出具有重要意义,在前人基础上优化改进研发了新型初始释放瓦斯膨胀能测定仪,仪器具备可更换的渐缩喷口(面积3.39,2.26,1.13 mm2)、快速释放机构和高精度高灵敏度传感器与采集仪,实现了高压气体密封,快速释放和气压、温度数据同步高速采集,提高了瓦斯膨胀能测定结果的精确度。利用仪器开展了不同粒径煤样、不同吸附瓦斯压力、不同喷口面积条件下初始释放瓦斯膨胀能试验。发现0.5～1.5MPa吸附压力下,测到的瓦斯膨胀能在10.45～55.55m J/g之间,瓦斯放散导致煤样温度下降了0.3～1.2℃,且吸附压力越高,温度下降越大,原因是瓦斯气体降压吸热和解吸吸热,其中解吸导致的降温最大0.5℃。膨胀能的影响规律如下:1)瓦斯压力越大,瓦斯膨胀能越大,两者呈线性关系;2)相同气压下,喷口面积越大,对应的瓦斯膨胀能越小,且喷口面积越大,膨胀能与气压曲线斜率越小,喷口面积为1.13 mm2时,斜率为36.56,喷口面积为3.39 mm2时,斜率仅为25.72;3)煤样粒径越大,瓦斯膨胀能越小,瓦斯膨胀能W与煤样平均粒径d成负指数下降的关系,且喷口面积越大,对应的相关系数a,b,k越小,即瓦斯膨胀能越小。新型初始释放瓦斯膨胀能测定仪为预测煤与瓦斯突出提供了科学手段。     

二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能研究

对同一个煤样分别充入不同压力的二氧化碳/甲烷/氮气进行初始释放瓦斯膨胀能测定试验,研究二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,并分析二氧化碳/甲烷/氮气条件下的煤层突出危险性。结果表明:对于同种气体,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与吸附平衡压力均成正相关关系,吸附平衡压力越大,煤样的初始释放瓦斯膨胀能越大,煤层突出危险性越大;对于不同气体,在吸附平衡压力相等的情况下,充二氧化碳的煤样具有较大的初始释放瓦斯膨胀能,突出危险性较大,充甲烷的次之,充氮气的最小。这一结论可以为解释煤矿现场突出和实验室突出模拟过程中的一些现象提供重要的依据。