考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型

矿井瓦斯是煤岩体赋存环境因素之一,同时也是影响煤岩力学性质的主要因素,研究基于煤岩损伤统计特征及Drucker-Prager破坏准则,分析得出了煤岩单轴压缩载荷作用下损伤演化本构模型,基于煤岩弹性波速相关理论建立了孔隙瓦斯对煤岩力学性能劣化损伤力学模型,并在此基础上得出了考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型;以原煤及型煤试样为研究对象,开展了不同孔隙瓦斯压力条件下煤岩单轴压缩破坏实验,基于实验研究结果对模型进行了验证。研究结果表明所建立的模型可以很好的反映孔隙瓦斯作用下煤岩单轴压缩载荷条件下的应力-应变关系。     

Experimental study on the influence mechanism of gas seepage on coal and gas outburst disaster

By using the self-developed triaxial servo-controlled seepage equipment for thermo-fluid-solid coupling of coal containing gas and the self-developed coal and gas outburst simulation test device, experiments to study the influence mechanism of gas seepage on coal and gas outburst disasters. The results show that: (i) gas seepage decreases the strength of coal containing gas and accelerates its failure process; (ii) under the same gas pressure, the confining pressure is larger, the more difficult the gas flows and the greater the intensity of coal containing gas is; (iii) in the process of coal and gas outburst, the greater the vertical ground stress is, the more powerful the outburst will be; (iv) the influence mechanism of gas seepage on coal and gas outburst disasters is as follows: firstly, gas seepage weakens the mechanical properties of coal body, which makes it much easier for coal and gas outburst to occur; secondly, on the same effect of external force, it will be easy to form a high gas pressure zone in the coal body under the difficult condition of gas seepage, and accumulate more gas compression energy, which is the energy source for coal and gas outburst, and it is also the main dynamic source to throw and grind the coal.     

贵州井下煤层爆破地震波特征及其影响

贵州省煤层赋存条件差,煤矿地质条件复杂。由于煤矿井下爆破采掘适应性强、初期投资小等特点,适应于地质条件复杂、断层多的源赋存复杂条件的中小型煤矿,因此目前贵州煤矿井下煤层采掘多采用爆破作业方式。但井下煤层爆破作业易引发煤尘、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等矿山灾害,因此研究煤矿井下爆破规律及其对煤矿各方面安全的影响是十分必要和迫切的。通过比较选用小波包分析方法,对现场实验的井下煤层爆破地震波信号进行分析,得出其能量、频率等特征,并分析了其对前方煤体瓦斯抽放量及瓦斯压力的影响规律。     

GRNN模型在煤与瓦斯突出及瓦斯含量预测中的应用

煤与瓦斯突出的作用机理非常复杂,是诸多因素如地应力、煤层瓦斯、煤体物理力学性质等共同作用的结果。在分析广义回归神经网络(GRNN)的基本原理和算法的基础上,建立煤与瓦斯突出等级以及基于构造复杂程度定量评价的瓦斯含量GRNN模型。然后用收集到的工程实例样本训练和检验该模型。结果表明,GRNN模型具有很好的预测能力和泛化能力,能较好揭示瓦斯含量和诸影响因素间的关系,可用于煤与瓦斯突出判别以及瓦斯含量预测。同时可以看出,光滑因子的合理选取对于提高GRNN模型的预测精度非常重要,因此,在以后的实际应用中需要不断尝试,找出最合理的光滑因子。     

基于自记忆模型的煤与瓦斯突出电磁辐射预测研究

利用实验测定的电磁辐射信号时间序列,用双向差分原理反导出一个非线性常微分方程;以其为微分动力核,运用动力系统数据机理自记忆模式构造自记忆方程并求出自记忆系数;利用该方程预测未来电磁辐射信号的变化,并与现场测定对比分析,用误差分析和距平分析法验证该模型正确性和预测准确率。实例表明:该自记忆模型预测与实测结果是一致的,相对误差均在6.7852%左右,距平符合率为90%;自记忆方法能有效应用于煤与瓦斯突出电磁辐射动态预测中;该模型与电磁辐射预测方法的有机结合能有效地提高预测准确性,从而为煤与瓦斯突出电磁辐射预测技术提供了一种新的研究途径。     

GIS技术在瓦斯动力灾害预测中的应用

GIS系统是一种重要的空间信息系统,可以采集、存贮、管理、描述和分析与空间和地理分布相关的数据,适时地提供多种空间和地貌的信息.本文结合平顶山矿区的生产实际,将GIS技术引入煤与瓦斯突出区域的预测中,建立相应的信息管理系统,提高了信息处理水平.     

近10年我国煤矿瓦斯灾害事故规律研究

针对我国煤矿瓦斯灾害事故多发及防控现状,从事故发生的年度变化、事故类型、事故等级、事故发生的省(自治区、直辖市)和煤矿企业性质等多个方面对2001—2010年2 246起煤矿瓦斯灾害事故进行交叉耦合综合分析,并通过饼图、柱状图、堆积图、趋势图、省(自治区、直辖市)分布示意图等多种图形方式直观明了显示出近10年我国瓦斯灾害事故发生规律。结果表明:煤矿瓦斯事故起数高峰期是2003年,2008年后进入稳定期;事故死亡人数高峰期是2005年,2006年后进入快速下降阶段;瓦斯爆炸是煤矿瓦斯灾害的主要类型,且比中毒窒息和煤与瓦斯突出事故后果更严重,重特大瓦斯事故的发生造成死亡人数急剧增长,全国煤矿瓦斯灾害事故与乡镇煤矿事故的变化趋势呈现出一致性。贵州、山西、黑龙江、湖南、重庆、四川、河南、云南等是煤矿瓦斯灾害防控的重点省(直辖市);乡镇煤矿仍然是瓦斯灾害防控的重点;煤矿企业在加大安全生产基础建设和科技投入的同时,迫切需要强化职工的安全教育,促进煤矿安全可持续发展。     

基于时空分布特征的煤层瓦斯测压准确性研究

为获得真实可靠的现场实测煤层瓦斯压力,实现煤层突出灾害等级科学评价和精准防治,通过理论分析、数值模拟和现场验证相结合的方法,以双重孔隙介质为基础,根据煤层瓦斯流动模型和瓦斯压力恢复曲线,分析煤层瓦斯压力测定的时空分布及准确性,并以桃园煤矿Ⅱ1采区10煤层为例,开展工程验证.研究结果表明:当基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力处于...     

煤层瓦斯流动的数值模拟及在煤壁的应用

研究煤层中瓦斯流动规律对于预防瓦斯突出,改善煤层瓦斯抽放率和煤层气开发利用具有现实意义。根据基本假设,对煤层瓦斯流动规律进行了研究,运用瓦斯运动方程—达西定律(DarcyLaw)、煤层瓦斯含量方程—抛物线方程、理想气体状态方程以及气体流动的连续性方程,建立了煤层单向瓦斯流动的动力学模型,并根据边界条件和初始条件,对动力学模型进行了求解,推导出煤壁单位面积的瓦斯涌出量的计算公式,分析了瓦斯涌出量的影响因素,利用测得的数据,进行了实例计算,并用vc编制了计算机程序。     

辽宁省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与瓦斯分带划分

瓦斯赋存规律认识不清,是导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因。应用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,结合辽宁省煤矿瓦斯地质图编制资料,分析了全省瓦斯赋存构造控制规律,进行了瓦斯分带划分。研究结果表明:印支运动(主幕),在形成一系列EW向、NE向和NW向断裂褶皱带过程中,煤体破坏,形成构造煤。燕山运动,形成了一系列NNE向、NE向的褶皱和逆冲推覆构造,与EW向构造相叠加,构造应力集中,有利于瓦斯突出;同时,岩浆侵入煤系地层使煤变质程度增高,生烃能力增强。喜马拉雅运动时期,挤压作用逐步被拉张取代,拉张裂隙作用有利于瓦斯部分释放。将辽宁省煤矿瓦斯赋存分布划分4个高突瓦斯带,即阜新-铁岭高突瓦斯带、抚顺-沈北高突瓦斯带、北票-南票高突瓦斯带和红阳-本溪高突瓦斯带。     

预抽煤层瓦斯消突效果评价FTA及综合指标优选

针对预抽煤层瓦斯这一区域性防治煤与瓦斯突出措施的消突效果评价,应用事故树分析法(FTA),可根据导致预抽煤层瓦斯后发生煤与瓦斯突出事故的各种可能途径,以及各个诱导因素对事故发生的影响程度,找到可用于消突效果评价的关键因子,进一步分析出评价指标和评价方案.本文构造出了预抽煤层瓦斯后发生煤与瓦斯突出的事故树模型,通过FTA定性分析,得出了预抽煤层瓦斯消突效果评价因子的客观排序,为区域防突措施消突效果评价提供了一种新的理论方法.     

基于近场动力学的煤体单轴压缩全过程损伤演化规律研究*

为了研究煤体受压变形破坏情况,采用近场动力学理论、室内单轴压缩实验及数值模拟相结合的方式,演绎推导PD损伤本构力函数,分别在宏、微观2个方面对煤体损伤规律进行研究。研究结果表明:以近场动力学所推导的本构力函数对于复杂裂隙演化过程的研究具有独特优势,煤体受到外荷载作用后内部微结构会产生不同程度的损伤,损伤过程可分为:压密阶段、微裂纹的萌生扩展阶段、断裂破坏阶段;压密阶段后均伴随键的断裂,至破坏阶段时,键几乎完全断裂,导致煤样宏观失稳破坏;模拟模型在受到外载荷作用下,内部能量开始聚集,随着压力的增大,内部能量散开,最终呈“X”型分布,这与实验加载后煤样的损伤效果基本一致,以此来反演煤体内部微结构变化从而得到煤体损伤规律切实可行。     

基于能量理论的煤与瓦斯突出机理探讨

为研究煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源,根据理想气体状态方程,推导了采场围岩瓦斯突出过程中的瓦斯压力、瓦斯含量与对外做功的关系,基于弹塑性力学,阐明了岩体弹塑性状态转化前后应变能释放机理。研究结果表明:煤与瓦斯突出是瓦斯势能与煤岩体弹性能共同作用并转化为煤岩体动能的结果;瓦斯势能释放值与释放路径无关,而与瓦斯压力和瓦斯含量相关,与煤壁前方塑性区扩展规模相关;将其应用至1次特大型煤与瓦斯突出事故中,核算的突出煤量、瓦斯含量和煤体抛出速度基本吻合于实际结果;基于理论分析提出了煤与瓦斯突出的3项防治措施,一是通过钻孔卸压或瓦斯抽放减小瓦斯压力,二是增加极限平衡区距离或减小截深,三是避免高瓦斯巷道或工作面出现蝶形塑性破坏。     

煤与瓦斯突出危险性的未知权重多属性综合评价模型

将集对分析理论和变异系数法相结合,构建煤层突出危险性综合评价模型。首先,模型选取煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标△P、煤的坚固性系数f、煤层瓦斯压力队综合指标D和综合指标K作为评价指标。其次,为避免权重赋值的主观性,采用变异系数法确定指标权重,以提高权重的客观性和适应性。然后,利用综合评价准则判断煤与瓦斯突出危险性等级。研究结果表明：采用该模型的评价结果与实际情况基本一致,从而验证了模型的合理性与可行性。     

地面水力压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析

为了研究高河煤矿地面压裂钻井作业对井下煤层瓦斯抽采效果的影响,以3#煤层E2307工作面为主要考察对象,对水力压裂前后煤层渗透率、抽采瓦斯浓度和纯量进行统计分析。研究结果表明:地面压裂钻井水力压裂后煤层反演渗透率提高了13倍以上;压裂后瓦斯浓度最大增幅为122%,最小增幅为34%,平均增幅为71%,同样,瓦斯纯量也有大幅度的提高。研究认为高河煤矿地面水力压裂作业对其高瓦斯含量、低渗透性煤层具有良好的应用前景,对同类煤矿及煤层提高瓦斯抽采效率,预防井下瓦斯动力灾害具有积极的借鉴意义。     

人工神经网络在煤与瓦斯突出预测中的应用

由于煤与瓦斯突出发生机理的复杂性,传统预测方法的应用受到很大的限制,而人工神经网络理论以其高度非线性映射的特性为解决这一问题提供了新的途径。以突出预测指标为基础,利用多层反向传播神经网络(BP网络)模型实现对突出危险性的预测。实例分析表明,模型精度很高,可用于工作面煤与瓦斯突出危险性的预测。     

加卸载下含水率对含瓦斯煤岩损伤变形的影响分析

采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置对不同含水状态煤样进行了加卸载下三轴变形与渗流特性的试验研究。研究结果表明:含水率越高,煤样的三轴强度越低,失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快,且塑性变形增强,脆性破坏减弱,瓦斯流量增加越小;含水率的增加能够使得煤岩破坏时积聚的弹性能减少,并且释放速率更加缓慢,更多的消耗于塑性变形中,这有助于预防煤岩破坏时由于弹性能的突然释放而导致的大型煤与瓦斯突出事故的发生;基于Logistic方程和能量耗散理论,建立了煤岩损伤演化数学模型,通过对试验数据的拟合分析,两者吻合程度较高,能够为煤岩损伤破坏提供预测。研究结果对于具有煤与瓦斯突出危险性的煤层进行注水消突具有理论指导意义。     

地质动力区划预测煤与瓦斯突出

为了确定煤与瓦斯突出矿井的突出危险区域,威胁区域和安全区域,提出基于地质动力区划的多因素模式识别概率预测方法预测煤与瓦斯突出的新思路。以鸡西滴道矿立井为研究对象,利用地质动力区划方法确定不同尺度和级别构造运动的特征,建立板块构造学说与矿井工程实际的联系,将对矿井煤与瓦斯突出产生影响的因素为参数,采用多因素模式识别概率预测方法划分研究区域内的危险区域。研究表明该方法对煤与瓦斯突出区域预测的合理性与有效性,可以在实际工程中应用推广。     

瓦斯压力对煤与瓦斯射流突出能量的影响

瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,其与突出能量的关系尚不明确。将煤与瓦斯突出视为煤-瓦斯气固两相射流突出,在分析煤与瓦斯射流突出过程的基础上,建立了煤与瓦斯射流突出数值模型,给出了突出能量表达式。通过理论分析、数值模拟相结合,得到了瓦斯压力对煤与瓦斯突出能量、突出强度、瓦斯涌出量等参数的影响规律。结果表明,突出发生时,突出能量具有波动性,即以突出口为界存在能量集聚骤升区和能量释放衰减区。能量集聚骤升发生在突出孔洞至突出口段,瓦斯-煤两相流突出速度成倍增大;能量释放主要发生在突出口附近和巷道中,瓦斯-煤两相流突出速度逐渐减小。煤与瓦斯射流突出产生强烈涡旋,在顶板、底板处尤为显著,与现场观察到的突出后顶板有摩擦和划痕、底板突出煤粉有分选现象一致。瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。计算得到的煤与瓦斯射流突出能量量级与前人结论基本吻合,结果可为煤与瓦斯突出能量预测提供参考。     

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。