T型巷道中突出煤−瓦斯两相流动力学试验研究

为了进一步探究突出煤−瓦斯两相流在不同巷道布置方式下的动力学行为,利用多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,开展了T型巷道布置方式下的煤与瓦斯突出试验,得出了两相流运移过程中冲击力与静压的演化特征。结果表明：直线主巷内冲击力随时间呈多峰值震荡衰减趋势,体现了突出过程的脉冲特性,且距突出口越近,冲击力震荡次数越多;分岔两侧支巷内冲击力突出前期呈现两种演化趋势,其一是迅速增大至峰值后缓慢下降,其二是缓慢增大后缓慢下降;距分岔结构中心左侧1 500 mm处出现了较大冲击力值,出现重度危险区域,而右侧则在距500 mm和1 900 mm处。利用突出运移动态图像将整个过程分为单相气流和两相流两个阶段,单相气流阶段中分岔后支巷的冲击力就迅速上升至峰值,而在两相流阶段分岔前主巷的冲击力上升至最高值,存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象。突出过程中,巷道壁面上静压值总体偏低;静压随时间呈间歇式波动发展,且其峰值点自煤层由近及远呈先增大后减小的趋势;距突出口越远,直线主巷内静压出现峰值的时刻越滞后;分岔支巷内静压左右两侧的演化近似,随着时间推进,分岔结构前后静压衰减逐渐增大。     

煤与瓦斯突出煤粉在巷道内运移分布规律试验研究

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋。利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验。结果表明,突出启动后,瓦斯气体携带煤粉以射流状喷向巷道。在0.35 MPa低瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能低,突出煤粉初始加速度小,受重力和阻力影响显著,运移形态以沙丘流和分层流为主,并出现多次“加速?减速”过程,最大速度为34.2 m/s;而在2.00 MPa高瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能高,突出煤粉初始加速度大,能有效克服重力和阻力,运移形态以栓流为主,运移速度降低不明显,最大为71.2 m/s。同时,当瓦斯压力从0.35 MPa增加至0.85 MPa和2.00 MPa时,相对突出强度由36.13%增大至52.39%和63.70%,且煤层瓦斯压力越高,突出煤粉运移距离越远,巷道末端集尘袋内煤粉质量占比越高,分别为65.21%、75.05%和87.17%。此外,突出结束后,突出煤粉粉碎率随瓦斯压力增加依次增大,分别为8.1%、21.5%和28.0%,但是粉碎到临界粒径0.075 mm以下的煤粉较少。最后,计算得到不同瓦斯压力条件下突出煤粉破碎指数分别为0.19、0.44和0.56,与相对突出强度具有较好的线性拟合关系。研究结果对揭示突出致灾机制、制定防灾减灾措施具有一定指导意义。      

受载原煤中瓦斯的扩散规律

为研究受载原煤中瓦斯的扩散规律,以原煤煤样为实验对象,利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合实验系统,在恒温的三轴加载条件下,进行了加载-吸附-解吸-再加载直至煤样破坏过程中的瓦斯解吸实验。研究结果表明,受载原煤的解吸量随时间变化规律符合颗粒煤瓦斯解吸的数学模型;在恒温恒围压下,随轴压的增大,受载原煤瓦斯的解吸量呈下降趋势;当轴压大于峰值强度后,瓦斯解吸量随轴压迅速增大;受载原煤煤样压密、线弹性阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大而线性减小;当煤样处于屈服阶段和峰值破坏阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大呈指数式增长。研究成果对瓦斯抽采,瓦斯突出机理研究有一定的理论价值。      

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。      

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。     

掘进工作面瓦斯流动规律数值模拟分析

研究煤层巷道掘进过程瓦斯流动规律对认识掘进巷道瓦斯涌出规律和瓦斯治理具有重要的理论意义和现实意义。本文通过建立流固耦合模型,考虑煤与瓦斯流固耦合作用,进行了不同掘进长度,掘进工作面瓦斯压力分布规律,瓦斯压力梯度改变以及瓦斯流动规律的数值模拟研究。研究表明,掘进巷道周边煤层瓦斯压力随煤壁暴露时间的增长逐渐降低,采掘活动对工作面前方煤体的影响范围达30m。并且越靠近煤壁瓦斯压力梯度越大,在距离巷帮5m范围内,瓦斯压力变化幅度最大。煤壁瓦斯流速随巷道掘进长度的增加先增加后减小,最后瓦斯流速趋于稳定。掘进工作面瓦斯流动规律的研究为矿井瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产。     

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。     

急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合模型及保护范围

开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一,其关键是保护范围的合理确定。针对急倾斜多煤层上保护层开采有效保护范围的划定问题,基于煤层瓦斯越流理论,根据煤岩层变形与瓦斯渗流的固-气耦合作用,建立了瓦斯渗流场方程和煤岩体变形场方程,得到了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型。以南桐矿区某矿上保护层开采为实例,通过多物理场耦合系统,建立了该矿上保护层开采瓦斯越流几何模型并进行数值计算,获得了上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律,确定了上保护层开采的卸压保护范围。数值计算与现场考察试验结果具有一致性,由此验证了数值计算的合理性。研究结果可以对现场保护范围的划定及卸压瓦斯抽放等提供理论指导,具有实际工程意义。     

地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素的途径与方法

矿井瓦斯突出的三要素是煤体结构、瓦斯含量和瓦斯压力。煤及煤层气地面勘查阶段可以获取煤体结构描述、煤层（总）气含量、甲烷含量、煤层气自然解吸速率和衰减系数、煤层压力、地应力、煤层渗透率等参数。地面钻孔与煤矿井下测取这些参数的方法和原理虽然存在差异,但这些参数都是煤层原地物性特征的反映,故应该利用地面钻孔的实测数据和资料,广泛收录、整理对预测瓦斯突出有益的信息。建议在地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素,将预防瓦斯灾害工作从地质勘查的源头做起。     

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。     

南太行山东麓煤田瓦斯突出主控地质因素分析

根据南太行东麓二1煤层煤与瓦斯突出特征,应用煤与瓦斯突出综合假说,从煤层瓦斯生成、运移、储存的角度,分析研究了岩浆热液作用、地质构造、煤层埋深等因素对煤层煤质、煤层生烃能力、瓦斯含量和压力等煤层瓦斯参数及瓦斯突出因素的影响,确定岩浆热作用对瓦斯突出具有严重影响作用,地质构造、煤层埋深等因素对瓦斯突出具有中等影响作用和一般影响作用,该结论为地质勘探、矿井设计与生产规划、矿井瓦斯防治提供了理论依据.     

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     

低渗煤层注CO2增抽瓦斯数值模拟与应用

针对低渗透性煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低等问题,基于CO₂-CH₄多组分气体竞争吸附作用,开展了注CO₂提高煤层瓦斯抽采率数值模拟与试验研究。首先,建立了考虑气-水两相流与Klinkenberg效应的煤层注CO₂促抽瓦斯流-固耦合模型,利用COMSOL软件进行了煤层注CO₂后煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯抽采率等参数变化规律,并应用于工程试验。结果表明:构建的气-水两相流瓦斯抽采流-固耦合数学模型可靠、合理;注入CO₂抽采煤层气瓦斯压力、瓦斯含量均比未注入CO₂抽采下降速率快;现场试验后,注气抽采条件下瓦斯抽采浓度平均值是未注气条件下的2.02倍,瓦斯抽采纯量是后者的3倍。煤层注入CO₂气体后,瓦斯抽采量增加,显著促进了煤层瓦斯抽采。      

基于Langmuir吸附的瓦斯含量和瓦斯压力的对应关系

为探讨煤层瓦斯含量和瓦斯压力的对应关系,应用Langmuir方程,分析总结了吸附常数测值的影响因素,初步阐述了瓦斯含量和瓦斯压力的内在联系,并进行了不同变质程度煤的相关实验研究和理论计算。研究结果表明:Langmuir吸附常数测试受吸附时间、压力点设置、温度和水分含量等多种因素影响;利用修正的Langmuir方程换算的瓦斯含量或瓦斯压力与煤的变质程度有关,在低煤级阶段表现为高压低含量特点,而高煤级阶段正好相反,瓦斯压力0.74 MPa和瓦斯含量8 m3/t只有在贫煤阶段才近似一致。建议综合考虑地质构造和构造煤发育情况,以实测瓦斯压力为主要依据,针对不同变质程度煤的矿井制定合理的突出预测指标。      

老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸机制研究

为了研究老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸机制,探讨了泥浆钻孔取心过程煤的瓦斯解吸状态,按照煤心管内的煤的瓦斯压力与管壁泥浆压力大小关系得出瓦斯解吸的四个阶段,并系统研究了相应阶段煤的瓦斯解吸特征;在此基础上研究了影响老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸控制因素,从提钻速率、瓦斯压力和粒径等因子深入分析了对泥浆环境煤的瓦斯解吸的影响,得出提钻速率愈小,泥浆环境下瓦斯逸散量愈大;在相同瓦斯压力条件下,煤样瓦斯解吸Q-t曲线呈"S"形态,一定时间后,瓦斯解吸量将不再增加,且瓦斯逸散量与瓦斯压力具有同步增大的趋势;煤样粒径在增加的同时,煤样瓦斯解吸初速度呈现不断减小的趋势,且粒径达到某一数值后,曲线收敛,煤样瓦斯解吸初速度趋于稳定。最后对老虎台矿煤样,在泥浆压力6.00MPa,瓦斯压力2.00MPa,提钻速率0.2m/s条件下开展瓦斯解吸实验,得出煤层瓦斯解吸规律曲线呈"S"形态展布,经多项式拟合得出瓦斯解吸规律Q-t模型。研究结果为地勘时期煤的瓦斯解吸测试,分析瓦斯逸散提供指导。     

我国煤与瓦斯突出机理70年发展历程与展望

煤与瓦斯突出灾害的有效防治一直是我国煤矿安全生产面临的挑战性难题,其前提和基础是对煤与瓦斯突出机理的深入研究。全面阐述我国近70年来在煤与瓦斯突出机理研究领域所开展的工作和取得的成绩,其研究过程分别经历了积极探索阶段(1955—1977年)、理论奠定阶段(1978—2002年)、快速发展阶段(2003—2015年)和稳定发展阶段(2016年至今);基于文献计量学方法和科学知识图谱分析,探讨了突出机理的研究热点和前沿趋势。分别从理论假说、物理模拟、数值模拟3个方面系统总结了我国煤与瓦斯突出机理研究进展：理论假说方面,在综合作用假说的基础上,针对我国煤矿实际情况形成了以流变假说、球壳失稳理论、力学作用假说等为代表的新观点和新理论,奠定了突出理论研究基础;物理模拟方面,围绕突出主控因素、多物理场演化、能量转化与失稳条件、地质构造与构造煤、两相流致灾机制等方面进行了大量的试验研究,基本掌握了突出的发动条件、发展过程、演化规律及影响因素;数值模拟方面,主要开展了突出煤层、地质构造和突出两相流等方面的模拟研究,然而由于突出过程和影响因素的复杂性,仍无法实现突出全过程的模拟分析。目前,已初步形成了具...     

不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明：（1）冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;（2）瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;（3）基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦...     

焦作矿区二_1煤储层物性特征及其对煤与瓦斯突出的影响

焦作矿区的构造煤发育,煤与瓦斯突出严重。基于研究区构造煤物性特征、分布及煤体结构等对煤与瓦斯突出的影响进行了探讨。认为区内二1煤层的煤体结构类型主要为破坏轻微的原生结构煤和破坏严重的糜棱煤,且两者呈分层出现;二1煤的微孔发育,煤体吸附能力强,加之软硬分层的纵向组合关系,煤体强度减弱,渗透性变差,导致瓦斯向顶底板运移难度增大,利于形成高能瓦斯富集带,增加突出的危险性;区域上构造煤分布影响着瓦斯突出的区域分布,局部构造煤分层厚度的突然增加也会增大突出的可能性。