巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力−应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明：(1) 含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2) 当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3) 能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4) 围压16、20 MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5) 煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

     

煤与瓦斯突出预报的模糊聚类相似分析法

影响煤与瓦斯突出的因素多数是定性的或是模糊相似，采用模糊聚类分析方法对煤炭与瓦斯突出程度进行分析，建立模糊模式；应用模糊相似选择原理进行评价，以模糊模式为评价对象，以待预报样本为参考对象，根据模糊模式与以待预报样本的相似程度进行预测预报。哪一模式与预报样本最相近，等待预报样本即属于那一突出类型。采用模糊聚类及模糊相似原理2种方法结合分析预测，不仅克服了模糊聚类单一分析方法的不确定性，使定性预报转为定量预报，而且提高了预报效果的准确程度。实例分析表明，这是预报煤与瓦斯突出危险程度的一种较好的方法。     

煤瓦斯突出研究现状及其研究方向探讨

本文通过学习总结煤炭行业近200年来对煤瓦斯突出的研究成果和工作经验, 了解其具体的研究思路方法、研究历史发展过程、研究现状及存在的关键问题, 探讨采用地质力学理论方法进行煤瓦斯突出研究的可能性与可行性.      

应用瓦斯地质单元法预测煤与瓦斯突出

本文阐述了瓦斯地质单元法的理论依据，介绍了瓦斯地质单元法的基本思想和具体操作程序，考察了主要瓦斯地质指标的应用价值，评价了其预测效果和应用前景。最后给出了应用实例。     

地应力和瓦斯压力作用下深部煤与瓦斯突出试验

基于目前煤与瓦斯突出模拟试验均为人为控制突出口打开的实际情况,自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压,实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾矿为例,试验模拟了煤层开采深度分别为900、 1 100、1 300 m时,突出煤层临近工作面区域在地应力和瓦斯压力共同作用下诱导发生煤与瓦斯突出全过程。试验利用轴压、围压模拟地应力作用,孔隙压模拟瓦斯压力作用。经相似理论计算确定了3种开采深度下轴压和围压值、孔隙压逐级增加得到了突出时瓦斯压力,并拟合了关系曲线。研究结果表明：开采深度、轴压、围压、瓦斯压力与突出距离、突出强度间均呈幂指数增加规律。随深度增加,地应力与瓦斯压力对突出影响增量逐渐减小。瓦斯压力对突出影响作用存在3阶段特征,分别为急剧影响增加阶段、稳定影响增加阶段和缓慢影响增加阶段,确定了瓦斯压力对突出影响变化率最大值,即瓦斯压力变化异常区与稳定区分界点为0.75 MPa,对应开采深度为350 m,与前人理论分析结果基本吻合。由此可以推断,随深部开采,地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加,但强度和破坏程度增加率将趋于平缓。所得结论对该矿深部煤与瓦斯突出机制认识和预测防治具有参考意义。     

煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应

为探讨煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应,利用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统和配比而成的中硬度的大型煤样,在煤样的含水率、配比方案、煤样成型压力等参数均恒定的条件下,恒定3种轴向载荷时,开展了5种不同瓦斯压力梯度的煤与瓦斯突出的相似模拟实验。实验表明,煤与瓦斯相对突出强度存在一个瓦斯压力阈值,超过此阈值时,随着瓦斯压力的增大则相对突出强度大大增强,且相对强度与瓦斯压力呈现正指数的关系;瓦斯压力作为突出发生的动力并对突出煤粉有一定的粉碎和搬运作用,可形成腹大口小的倒梨形突出孔洞;轴向应力对中硬度的含瓦斯煤岩体的突出具有正作用。     

湖南利民矿井煤与瓦斯突出特征及其防治对策

利民煤矿煤与瓦斯突出具有典型的分区分带性，在突出过程中地应力显现强烈，且突出预兆，时间和量级三者之间存在着内在的相关性。通过这些研究，提出了本矿井今后防突措施。     

基于相似模拟和地质力学模型试验的突出装置研制及应用

国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机制进行了大量的研究,但使用的均是型煤试验,很少涉及地质构造对突出的影响,而且数据监测均未深入到煤体内部。基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路,在实验室搭建了综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台。该试验平台包括试验箱体和反力架、液压加载系统、密封系统、试验监测系统;设计了线充气和面充气系统,用来模拟煤层的瓦斯赋存差异。同时,利用该试验平台进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验,研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律,以及突出过程中煤层内瓦斯压力和声发射的变化规律。结果表明,在巷道开挖过程中,掘进工作面前方存在明显的应力集中,且越靠近构造软煤应力集中现象越明显;突出发生的瞬间,在突出点附近的位移产生了突变;在突出发生前,声发射信号有一次降低;掘进工作面前方煤岩体应力释放,煤体裂隙增大,为瓦斯的快速放散提供了条件。     

瓦斯在煤基多孔介质中运移及煤与瓦斯突出机理

分析了瓦斯在煤基多孔介质中的运移条件;推导和讨论了瓦斯在煤基多孔介质中运移扩散的基本方程和影响因素;分析了煤与瓦斯突出产生的机理和渗透力学条件。提出瓦斯在煤基多孔介质中的运动是孕育煤与瓦斯突出的前提,而瓦斯压力梯度与浓度梯度的存在是驱动瓦斯在多孔介质中运动的内动力;煤与瓦斯突出的危险性主要取决于瓦斯压力梯度及其变化量的大小,而和瓦斯的绝对压力大小没有直接关系。煤与瓦斯突出的条件是由煤基多孔介质中瓦斯压力梯度的大小和煤体固体骨架的抗剪强度大小所决定。低渗透性的构造煤因对瓦斯运移阻力较大而容易形成瓦斯压力梯度的增加,从而更易于发生煤与瓦斯突出。     

煤与瓦斯突出物理模拟试验中甲烷相似气体的探索

当前煤与瓦斯突出物理模拟试验多采用二氧化碳代替甲烷,导致试验结果偏差较大。为了保证模拟试验相似性并规避甲烷气体带来的安全风险,提出了甲烷相似气体的概念。基于瓦斯在突出过程中的作用机制和相似准则,结合煤与瓦斯突出防治规定,建立了以瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质为参数的相似指标。初步采用二氧化碳体积分数为20%、40%、60%、80%的二氧化碳和氮气二元混合气体作为甲烷相似气体的筛选气体。按照相关规范,分别测定了甲烷和筛选气体的相似指标参数值,确定了与瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质接近的混合气体组分分别是二氧化碳体积分数为60%、35%、45%和54%。相关性分析结果表明,上述4种配比气体与甲烷性质相关性高,可以作为相似气体的待定气体。采用待定气体和甲烷进行了模拟试验,结果表明,二氧化碳体积分数为45%的混合气体的突出现象和突出临界值与甲烷接近,与甲烷相似性高。     

水库型滑坡模型试验相似材料的研制及应用

相似材料的研制是滑坡模型试验的关键。在相似材料的研究基础上,通过大量的配比试验,结合模糊综合评价法对不同配比材料的相似性进行比较,研制出同时模拟物理力学性能相似和渗流作用相似的水库型滑坡相似材料,这种材料由标准砂、滑体土、膨润土和水溶液混合而成。同时通过库水作用下滑坡模型试验评价该材料的相似效果,记录水位升降过程中坡内的孔隙水压力变化、渗流变化、滑面形态及裂缝形成发展过程。试验结果表明,库水对岩土体物理力学性质的弱化和坡内指向临空面的渗透压力是滑坡产生的主要诱发因素;水库型滑坡的破坏模式为有多级滑面的牵引式破坏;试验观测的浸润线与理论计算结果基本吻合。该相似材料的物理力学性能和渗流效果均能达到试验相似要求,模拟库水作用下滑坡变形破坏过程的效果良好,是一种比较理想的水库型滑坡模型相似材料。研究结果为进一步开展大型水库型滑坡模型试验提供了科学依据。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

石门揭煤突出模拟实验台的设计与应用

基于石门揭煤过程中采掘应力场与瓦斯突出关系研究的需要,针对目前石门揭煤突出模型还处在实验室研究的阶段,而大部分都未能综合考虑瓦斯压力、地应力、煤的物理力学性质等对突出的影响,研制出一套能够综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的石门揭煤突出模拟试验系统。为取得准确、客观的试验效果,进行了密封、快速开启装置及氮气平衡系统等关键技术的设计,介绍了试验系统的主要组成结构、功能。利用该实验台进行石门揭煤突出试验,试验结果反映出在突出过程中地应力和瓦斯压力的变化情况,可为研究和揭示煤与瓦斯突出机制、突出过程中地应力和瓦斯压力的变化规律提供新的技术手段。     

地应力测量在煤与瓦斯突出灾害研究中的应用

为减轻和防治煤与瓦斯突出灾害,对红菱煤矿进行了地应力测量、岩石力学参数测试和瓦斯气体压力量测,以及地质构造分析。在此基础上,应用突出破坏判断准则,提出了煤层稳定性评价的定量指标,从区域上预测了煤与瓦斯突出的潜在危险区,与现场实际情况吻合较好。提出了区域性与局部相结合的防突措施,取得了良好效果,表明区域煤与瓦斯突出潜在危险区预测对区域性防突措施的选择具有一定指导意义。     

煤与瓦斯突出能量条件及突出强度影响因素分析

针对煤与瓦斯突出机制尚不明确的问题,在前人研究的基础上对煤与瓦斯突出强度的影响因素做进一步分析。通过三维突出模型的构建和不规则突出孔洞体积的求解,得出了突出煤体释放的弹性势能,结合突出过程中瓦斯内能和突出后能量的分析,得到煤与瓦斯突出发生的能量条件模型与突出强度预测模型。在统计10次瓦斯突出事故的基础上,运用能量条件模型与强度预测模型进行计算分析,得出突出前、后能量基本相等,突出强度预测值与统计值相差无几的结论,从而验证了该模型的合理性,为从能量角度进行煤与瓦斯突出的研究提供了量化手段。利用该能量条件模型进行了中梁山煤矿和化处煤矿突出实例的突出强度影响因素分析,结果表明,煤层的地应力和瓦斯含量是突出强度的主要影响因素,坚固性系数和进尺对突出强度的影响程度相对较小;突出强度对瓦斯含量变化的敏感度大于对地应力变化的敏感度。     

煤与瓦斯突出的激发和发生条件

从影响煤与瓦斯突出的地应力、瓦斯、煤岩物理力学性质和地质构造因素出发,提出把煤与瓦斯突出的过程划分为突出源的形成发展、突出的激发和发生三个阶段。以南桐煤矿典型突出事故为例,用演绎法探讨了突出激发与发生的条件。结果表明,一切由振动产生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激发条件,并根据充瓦斯煤的损伤蠕变方程,得到了预测延期突出的时间。根据突出过程中的能量转换关系,得到了突出的起动速度和瓦斯临界压力表达式,对煤与瓦斯突出发生涉及的几个难点问题进行了讨论。揭示了煤与瓦斯突出的主要能量是瓦斯膨胀能,突出时喷出的瓦斯由多个来源的瓦斯组成,且地质构造区在采矿过程中容易形成有利于突出的源。     

热模拟实验中低变质煤的突出参数变化特征

为了研究瓦斯突出煤体的演化过程,采用煤化变质热模拟实验装置对煤样进行热模拟实验,分析不同实验温度条件下煤样的产气量、气体组分及加热前后煤体结构性能参数的变化规律。结果显示：在较高的实验温度下（450℃）产生的气体总量比较低温度（200℃）下大得多,前者的产气量几乎是后者的10倍,且相应的煤挥发分、坚固性系数和瓦斯放散初速度变化了5~7倍;350℃左右是低变质煤热解大量产生CH₄和焦油的临界温度,且在此温度时,低变质煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度值已经超过突出煤层鉴定指标。由此认为,温度能改变煤体化学结构并产生瓦斯气体,且大量瓦斯气体的生成改变了煤的物理结构,其综合作用表现为煤体更易破碎,其突出危险性增加。