煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。     

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。     

构造煤孔隙结构与瓦斯耦合特性研究

利用压汞法、低温氮吸附法、瓦斯等温吸附和解吸试验对平煤八矿构造煤和共生原生结构煤进行综合分析,探讨了构造煤孔隙结构与瓦斯耦合特性.结果表明,构造煤以微孔为主,中孔和大孔相对发育且含较多细颈瓶孔,孔隙连通性差.与共生原生结构煤相比,构造煤各孔径阶段的孔容和孔比表面积都有所增加.构造煤比表面积的增加具有阶段性,即孔径＜ 1.2 nm时为慢增加阶段,孔径=1.2 ～ 4.9nm时为快增加阶段,孔径＞4.9 nm时为稳定阶段.构造煤极限瓦斯吸附量a的增大与比表面积快增加阶段关系密切,但小于其BET比表面积的增幅.瓦斯解吸初期0～2 min内构造煤瓦斯解吸速度和解吸量明显大于共生原生结构煤,与中孔和大孔的变化一致,2 min以后瓦斯解吸迅速衰减.低煤体强度、高瓦斯含量的构造煤以气-煤共溶体形式储集更多弹性潜能,突然卸压时瓦斯膨胀能迅速释放,煤层中发育的构造煤增加了煤与瓦斯突出的危险性.     

石门揭煤工作面煤与瓦斯突出预测的理论分析

目前,我国石门揭煤工作面突出事故仍时有发生。为了研究石门揭煤工作面煤与瓦斯突出(以下简称"突出")预测问题,首先,根据工作经验指出我国《防治煤与瓦斯突出规定》中2种预测方法(综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法)存在的不足,即预测指标缺乏理论依据、临界值往往难以通过试验考察确定;其次,建立了石门揭煤工作面突出预测的物理模型,认为突出主要是爆破卸压增渗与瓦斯渗流产生的剪应力达到了煤体的剪切强度所致(突出的必要条件而非充要条件);第三,采用变分法求解强非线性一维平面瓦斯渗流偏微分方程,获得包括非线性特性的自模拟解(近似解析解);最后,利用自模拟解等建立了石门揭煤工作面突出预测的临界条件,得到了瓦斯压力的临界值p0max与煤的坚固性系数f的平方成正比的结论。介绍了俄罗斯现行防突指南中的临界条件(p0max1.4f2)及有关情况,建议作为综合指标法等的辅助指标用于石门揭煤工作面突出预测,也可供斜井、立井揭煤工作面突出预测参考。     

混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响

在单一煤体吸附瓦斯的基础上,选用某煤矿硬煤和软煤,按照不同的厚度比进行分层混合,模拟煤层中软分层。运用Langmuir单分子层吸附理论,对混合煤样中软分层的吸附性质及其存在对煤与瓦斯突出的影响进行了研究。实验中利用自行研制的高压瓦斯吸附仪,对不同厚度比的混合煤样吸附瓦斯气体的等温吸附曲线、吸附常数a、b进行了实验分析,并得出了吸附量随压力的变化形态和吸附常数a、b随硬煤和软煤厚度比的变化形态。分析结果发现在软分层与其上覆硬煤层厚度近似相等时,发生突出的危险性最大,并通过理论分析说明了软分层的存在,煤层易发生煤与瓦斯突出的原因。可为煤与瓦斯突出机理的研究提供理论基础和思路。     

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。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

基于多因素模式识别的煤与瓦斯突出预测研究

采煤工作面煤与瓦斯突出是由煤层自然条件和工程扰动共同作用决定的,充分考虑煤层原始赋存条件和人类工程活动对煤与瓦斯突出的影响,建立多因素模式识别准则和方法,应用VBA技术完成了工作面煤与瓦斯突出危险性动态预测系统开发。以平顶山十矿己15-24080工作面为研究对象,将瓦斯含量、瓦斯压力、采动应力等因素作为工作面煤与瓦斯突出的主要影响因素,运用多因素模式识别方法实现了对工作面煤与瓦斯突出危险性分单元概率预测,且能够随着工作面不断推进进行动态预测和分级管理。研究结果表明:突出危险性预测结果与现场实况有较好的一致性,对煤矿安全开采具有良好的指导作用。     

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。     

煤矿瓦斯爆炸事故的防治对策

我国煤矿日趋严重的瓦斯爆炸事故灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约矿井生产的发展，给煤炭企业带来沉重的负担，从安全科学的角度及其事故原因分类出发，提出了防治我国煤矿瓦斯爆炸事故的对策。     

矿井采煤面瓦斯爆炸事故树分析

根据矿井采煤面瓦斯爆炸的一些典型事故，概括出了导致瓦斯爆炸的基本事件。应用事故树分析中的最小割集和结构重要度，对矿井采煤面瓦斯爆炸事故进行了研究。结果表明，严格控制瓦斯浓度，杜绝一切火源，是预防矿井瓦斯爆炸的基本途径，这对指导煤矿安全生产具有重要意义。     

不同机制条件下的煤层瓦斯流动方程研究

气体流动可分为连续流、滑流、过渡流、自由分子流,为研究不同流动机制下的煤层瓦斯流动规律,在充分考虑了不同扩散机制和滑移边界条件后,建立了适用于不同流动机制的煤层瓦斯流动方程,深入分析了视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数的变化关系。研究结果表明:所提出的煤层瓦斯流动方程能准确描述包括达西流、滑流、自由分子流、过渡流在内的气体流动行为。瓦斯气体在煤层孔隙、裂隙中流动过程中浓度扩散和粘性流同时存在,当Kn<0.01时,粘性流起主导作用,瓦斯流动满足渗流方程;当Kn>10时,浓度扩散起主导作用,瓦斯流动符合扩散方程;在Kn的其他范围内,煤层孔隙裂隙中瓦斯流动以滑流、过渡流为主,在对之进行评价时应同时考虑扩散项和渗流项。研究结果可为揭示煤层瓦斯流动机理、提高煤层瓦斯抽采率和煤层气的产量预测准确度提供新方法和新途径。     

煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征实验研究

为了探究煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征,利用自主研制的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出过程中煤体层裂结构特征、煤体裂隙厚度演化特征和煤体质点运动演化特征。研究结果表明:在轴向应力0.9 MPa、瓦斯压力0.4 MPa时,煤体层裂发展时间持续85 ms,煤体共计出现11处裂隙。层裂从煤体后方的弱构面出现并向前方发展,其位置大多集中于突出腔体中后部,煤体层裂形式均为纵向贯通,在第9处出现最大纵向断裂裂隙。煤体裂隙总厚度约为75.6 mm、单处裂隙平均厚度约为8.4 mm,二者均呈现随时间递增的趋势。层裂过程中煤体单处裂隙厚度并不都是沿程递增的,部分煤体中部裂隙厚度呈现先增大后减小的特征。煤体的运动表现为靠近突出口端的运动速度更快、运动距离也更长。研究结果可为揭示煤与瓦斯突出层裂机制提供参考。     

Investigation into the nonlinear damage model of coal containing gas

By taking the nonlinear deformation properties of coal into consideration, the nonlinear constitutive equation was founded. And in view of the compressible property of gas, the idea of compressive energy of gas was introduced. According to the continuous damage theory and mesoscopic damage theory, it is assumed that the damage variable has a power function relation with the porosity. By applying the thermodynamics energy conservation laws, a new nonlinear damage constitutive model of coal containing gas was deduced, and the correctness of the new model was verified by comparing with the former experimental results. This model can provide theoretical reference for understanding and solving these dynamic gas disasters such as coal and rock outburst. Moreover, based on this theory, prevention and control measures will be adopted to deal with the dynamic gas disasters according to ever-changing mining conditions.     

新安煤田煤与瓦斯突出特征及防治措施

为解决新安煤田煤与瓦斯突出影响因素众多和防治难度较大等问题,运用瓦斯地质理论分析了新安煤田煤与瓦斯突出特征及控制因素,并提出了有针对性的煤与瓦斯突出防治措施。研究表明:地质构造是控制新安煤田煤与瓦斯突出分布的主要地质因素;构造应力是控制新安煤田煤与瓦斯突出的主要动力因素;新安煤田煤与瓦斯突出吨煤瓦斯涌出量较大,是增加煤与瓦斯突出发生可能性及危险性的重要因素。基于此,从突出危险性预测、防治突出措施及安全防护措施等三个方面提出了多项煤与瓦斯突出防治措施。     

基于地层条件下煤层瓦斯流动模拟研究

为了研究地层条件下瓦斯流动特点,通过建立瓦斯吸附-解吸、扩散和渗流综合流动数学模型,分析不同埋深条件下瓦斯流动机制,并模拟吸附层和滑脱效应对瓦斯流动的影响。结果表明:随煤层埋深增加,部分纳米孔隙内瓦斯流动机制由扩散过渡到渗流,这有利于瓦斯运移;在煤层深部,瓦斯吸附层和滑脱效应对瓦斯渗流作用影响不大;随埋深增加,瓦斯吸附层对瓦斯运移影响逐步增大,而滑脱效应则逐步弱化;在埋深相同时,两者对瓦斯运移的影响都随孔隙直径增大而减小。研究有助于深入了解瓦斯在深部煤层流动的机制,提高深部煤层瓦斯抽采效果。     

开拓新区煤与瓦斯突出危险性区划技术

煤与瓦斯突出严重地影响着矿井的安全生产,必须做好防治工作。防治工作的基础是准确地预测煤与瓦斯动力现象。该文通过考虑影响煤与瓦斯突出的定量和定性因素,建立了开拓新区煤与瓦斯突出综合评价的模型,该模型经在矿井应用,证明该技术可靠易行。     

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.