煤与瓦斯突出中单个煤壳解体突出的突变理论分析

在煤与瓦斯突出中,煤体自组织地形成最具抗力的球盖壳形式来抵抗被突出,煤壳一旦解体便丧失承载能力,高位势煤岩系统中与单个煤壳突出相应的各种能量得以释放。根据反映煤岩破坏特性的塑性变形局部化理论,导得突出前煤壳形变、位移时相应于偏应力的功、能增量关系,建立了煤壳失稳解体的突变模型,并对由于偏应力作用导致煤壳失稳解体机制进行了研究,给出失稳瞬间释放的偏应力应变能表达式、煤岩系统体积应变能释放量表达式和孔隙瓦斯粉碎解体后的碎煤及与煤层瓦斯渗流形成瓦斯-煤粉两相流描述。所得结果可深化对煤、地应力与瓦斯压力三因素对煤与突出演化规律综合作用的认识。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区及增透半径研究

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研究钻孔围岩的塑性区特性,基于广义平面应变理论分析围岩应力分布,比较几种常用强度准则（MC、Mises、D-P、MLC、SMP）的适用性和精确性,对比试验结果表明,MLC准则能较好地表征岩石的真三轴强度特性。基于MLC准则推导了围岩塑性区半径公式,分析偏应力、中间主应力、岩石内摩擦角、岩石黏聚力和钻孔半径对增透半径的影响,结果表明,增透半径随着偏应力的增大而增大,随中间主应力的增加先减小后增大,随岩石内摩擦角、岩石黏聚力的增加而逐渐减小,随钻孔半径的增加而线性增大。研究结果可为实际工程中巷道支护、煤层瓦斯抽采等技术的参数设计等提供重要参考。     

广义平面应力条件下径向渗流的液固耦合

考虑了多孔介质渗透率随孔隙变化的特点,建立了基本方程;对于广义平面应力条件下的径向渗流问题,提出了解耦方法,并求出了耦合条件下的孔隙压力及介质应力、应变、位移的解析解。实例计算表明,耦合效应不容忽略。      

煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一。近年来,随着采掘深度不断增加,地应力与瓦斯压力不断加大,突出次数也日益频繁,同时由于煤矿井下开采活动,使煤岩体中地应力场发生变化,在掘进工作面或回采工作面前方形成由卸压区、应力集中区和原始应力区组成的三带,给煤与瓦斯突出的预防与治理带来更大的困难。以天府三汇一矿为工程背景,基于相似理论试验模拟了采动条件下的煤与瓦斯突出过程,并分析了突出过程中气压的时空演化规律。研究结果表明:突出的发展是煤体由突出启动点向周围逐渐破坏并抛出的过程,相对突出强度为8.79%,且突出过程具有阵发性,表现为煤体的间歇式多次抛出和气压的反复升降,其中突出口附近气压的升幅较大,达到69.2%,而远离突出口处气压表现为短时间内急剧下降,之后缓慢下降并逐渐趋于大气压;突出过程中气压等压面近似以突出口为中心呈球面分布,且气体解吸区域近似呈球壳状逐渐向外扩展,球壳的扩展速度约为130 mm/s,球壳附近气压梯度较大。     

瓦斯抽采过程中孔壁的动态响应分析

将含瓦斯煤岩体简化为气饱和的各向同性均质体,基于混合物理论建立了含瓦斯煤岩体的物理方程、几何方程、连续方程和动力控制方程。瓦斯抽采孔的长度远大于直径,将瓦斯抽采过程中抽采负压引起的孔壁的动态响应问题简化为二维平面应变问题,借助Laplace变换和Laplace逆变换分别建立了相关问题的频域和时域解答。以河南省某煤矿的煤岩体瓦斯参数为例,对孔边的动态响应进行了数值计算,分析了无量纲径向位移、径向应力和环向应力等的变化规律,结果表明：径向位移和径向应力等动态响应主要集中在孔边的一定区域内,且该区域随着抽采时间的增大而扩大;孔壁产生波动较大的环向应力,且该环向应力随着抽采负压的增大而增大。     

一种求解应变软化岩体中球腔问题的数值方法

均匀地应力场中球形洞室开挖问题可以简化为空间轴对称问题,为分析和评价球形洞室开挖的稳定性,采用有限差分方法对平衡方程与变形协调方程进行离散,将洞室围岩潜在塑性区划分为一系列的球壳,并考虑岩体的应变软化行为,可以得到满足线性Mohr-Coulomb（H-C）准则和非线性Hoek-Brown（H-B）屈服准则的围岩体塑性区范围及相应的应力与变形分布。计算结果表明,随着离散步的增加,数值解逐渐收敛,文中解与已有文献的结果完全吻合,且计算效率更高。对一组强度参数遵循CWFS（黏聚力弱化与摩擦角强化）规律的围岩体内塑性区范围、变形与应力的分布进行了分析,并与常规的应变软化模型的计算结果进行了对比,CWFS模型的结果更合理一些。     

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

考虑渗流及软化的海底隧道围岩弹塑性分析

在海水渗流的情况下,考虑隧道围岩屈服后强度衰减（塑性软化）的特点,用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了海底隧道围岩塑性软化区半径、塑性残余区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式,并与仅考虑渗流及渗流和软化皆不考虑的其他两种情况进行了对比,研究表明：在渗流和材料软化中,后者对隧道围岩稳定最为不利。分析了不同软化程度对结果的影响,该结果为海底隧道围岩稳定性分析等方面提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。      

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。     

红山煤矿石门揭突出煤层综合防突技术

煤矿井下石门揭煤诱发的煤与瓦斯突出是一种十分复杂的矿井地质动力灾害,严重威胁着煤矿安全高效生产。选取辽宁红山煤矿为工程背景,运用FLAC3D模拟分析矿井南翼瓦斯突出危险区石门揭12煤过程中围岩力学响应特征,揭示石门揭煤突出机理,提出瓦斯预抽措施配以改进金属骨架的综合防突技术方案。研究结果表明:石门揭12煤期间,工作面超前支承压力随石门掘进动态前移,距煤层6 m范围内,工作面前方围岩掘进扰动强烈,煤体出现明显应力集中现象,垂直应力为15~19 MPa,已超过煤体强度。同时,石门工作面围岩变形量急剧增大,顶板下沉位移为15~92.22 cm,煤体弹性变形能积聚;工作面围岩塑性区范围也迅速扩展,在石门中线垂直剖面上的面积为10~50 m2,裂纹贯通形成碎煤射流通道。综合模拟结果可知,石门揭12煤过程中煤体承载较高集中应力和瓦斯压力,且储存大量弹性变形能,极易诱发突出。基于此,在传统瓦斯预抽防突措施的基础上,对现有金属骨架防突技术进行改进,使其同时具备瓦斯预抽、煤体固化和超前支护的综合防突作用,并通过现场应用取得了良好效果,为类似条件石门揭煤防突研究提供重要借鉴和参考。