瓦斯突出地球物理场的响应特征

研究了瓦斯突出地球物理场的电磁波和弹性波响应特征,其响应是构成瓦斯突出地球物理场的介质条件所表现出来的。关键层应力墙瓦斯突出机理认为,瓦斯突出煤层由关键层和伴随层构成。关键层和伴随层在空间的分布规律和相互作用体现在物理场的差异上,把关键层（或瓦斯突出煤体）作为地球物理场中的异常体进行研究是可以利用地球物理方法识别的。突出地球物理场响应特征的研究为从地球物理研究瓦斯突出预测理论和方法提供了科学思路。     

煤与瓦斯突出预测的距离判别分析方法

以煤与瓦斯突出预测为研究对象,选取地质构造、采深、瓦斯放散初速度等10个因素作为预测指标,应用距离判别分析方法建立了煤与瓦斯突出预测模型;结合实际数据,对预测模型进行训练和检验;将该模型用于实际,预测结果符合实际情况。      

动载作用下端锚锚固体力学响应特征研究

为研究动载作用下巷道围岩失稳破坏机制,基于SHPB试验系统,研究了不同冲击气压（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa）下预应力端锚锚固体的应力波传播规律及层裂破坏特征,采用图解法计算了锚固体试件的层裂强度及应变率,建立了锚固体层裂损伤模型并采用高速摄像机进行了验证。结果表明：不同冲击气压下试件应力波峰值应变均呈指数形式衰减,且空间衰减幅值及衰减指数与冲击气压呈正相关关系;锚固体试件层裂首先发生在自由端附近,沿反射波传播方向层裂厚度逐渐增加,0.3 MPa冲击气压以上,试件每两处层裂面中间产生一道新层裂;在18～33 s⁻¹应变率范围内,应变率率效应占主导地位,层裂强度最高达69 MPa,而应变率为41 s⁻¹时,层裂强度降低至17 MPa;锚固体自由端在动载冲击后出现层裂闭合现象,但在锚固端由于锚固界面残余黏聚力作用,层裂位置未发生闭合现象。     

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。     

基于灰色关联-遗传神经网络的煤与瓦斯突出预测模型

在综合分析影响煤与瓦斯突出的各种评价指标的基础上,基于人工神经网络极强的非线性逼真能力,建立了煤与瓦斯突出强度预测的遗传神经网络模型。模型采用灰色关联理论完成了评价指标的优化,并利用遗传算法对BP网络初始权值和阈值的确定进行了优化。以重庆南桐矿区砚石台矿为例,对煤与瓦斯突出强度进行了预测,结果表明,采用本模型的预测结果与矿井实际突出状况一致,模型可靠,具有一定的理论与实际意义。     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。     

煤岩突出中单个煤壳失稳前兆阶段的能量分析

在不计突出前兆阶段煤壳动能的条件下,建立了地应力、瓦斯压力与渗流耦合作用下孔隙介质球对称力平衡方程;根据球对称性质使弹性与塑性阶段应变Lode参数相同,满足单一曲线的物理关系条件,将单轴本构模型推广,得到煤壳中应力强度 与应变强度 之间的物理关系式;求得煤壳弹、塑性区径向位移 的表达式,并发现其可分解为相应偏应变的位移 与平均应变的位移 。综合运用几何方程、力平衡方程、几何方程和应力强度与平均应力的关系,对突出前煤壳进行的能量分析表明：煤壳位移、形变时的外力功变化可分解为相应偏应力、平均应力和渗流力的外力功 , , ,它们分别与煤壳偏应力应变能、体积应变能和孔隙体积能的变化的 , , 相对应,得到三个功、能增量关系的研究结果。为建立单个煤壳失稳的突变模型,对地应力、瓦斯压力与煤介质三因素在煤壳解体、瓦斯膨胀内能释放及高压瓦斯流对碎煤喷射的突出过程进行研究提供了基础。     

含软弱夹层岩体边坡爆破层裂特性及稳定性研究

基于爆破相似理论建立含软弱夹层顺层岩体边坡爆破的力学模型,并介绍模型爆破层裂试验和剪切试验的设计思路及试验方法。以某石灰石矿采场黏土质夹层物为软弱夹层原料,通过相似模型试验研究爆破作用下含软弱夹层岩体边坡的层裂特性及稳定性。试验结果表明,爆破后可将软弱夹层分为爆腔区、压密区、影响区和无扰动区;爆腔区、压密区和影响区构成模型层裂区;爆前模型抗滑稳定安全系数最大、爆后次之、爆破过程中最小;层裂范围直接影响模型抗滑稳定安全系数。软弱夹层厚度对模型的层裂范围和抗滑稳定安全系数有较大影响。     

安阳矿区煤与瓦斯突出预测模型的建立与应用

利用灰色关联分析法确定控制矿井煤与瓦斯突出的主导因素,根据人工神经网络建立煤与瓦斯突出危险性预测的系统结构,在此基础上,选用突出矿井的15个煤与瓦斯突出实例作为学习样本对网络进行训练,最后运用3个煤与瓦斯突出实例作为预测样本对所建模型进行验证。结果表明利用灰色理论—神经网络方法建立的预测模型能够满足煤与瓦斯突出预测的要求。通过分析和计算安阳矿区煤层的开采深度、地质构造(尤其是断层)与突出危险程度关系密切,在煤与瓦斯突出的预测、防治工作中可以作为首选指标来考虑。     

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。     

煤与瓦斯突出数学地质模型研究

在焦作中马村矿应用研究结果表明:由于煤与瓦斯突出的分区分带主要受地质条件控制,运用数量化理论Ⅱ,可以借助已知瓦斯突出类型的若干地质变量,建立该矿井煤与瓦斯突出的数学地质模型,并预测未知区的瓦斯突出,这可提高瓦斯突出预测的准确性和可靠性。      

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。     

阳泉矿区新景矿构造煤发育规律的数值模拟

预测构造煤发育区对矿井瓦斯突出预测具有重要意义。以阳泉矿区新景矿3号煤层为研究对象,根据其地质赋存条件,建立了相应的岩性不均衡力学模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了顶板砂岩透镜体存在情况下3号煤层围岩应力分布规律。结果显示:砂岩透镜体的存在使得煤岩地层的应力、位移分布不均,在透镜体影响范围内呈现应力集中现象,致使该区域煤层发生塑性变形;岩性不均衡条件下3号煤层的构造煤发育,进而证实了新景矿3号煤层顶板砂岩对构造煤发育的控制作用。      

煤与瓦斯突出机理研究现状及分析

对现有的煤与瓦斯突出机理研究成果进行了评述;阐述了煤与瓦斯突出机理的研究思路与方法及其历史发展过程和研究现状;分析了这些研究成果的不足之处,提出了煤与瓦斯突出机理的研究方向。研究表明,煤与瓦斯突出机理已经从单因素向多因素发展,综合作用假说得到了普遍认可,这为防突工作提供了理论依据。认为,煤与瓦斯突出准备机理、失稳与平衡机理、发展机理、传播机理和煤与瓦斯突出带分布规律研究是煤与瓦斯突出机理需要深入研究的方向。      

煤田地质勘探钻孔瓦斯突出危险性评价

基于灰色关联分析法和模糊综合评判理论,综合考虑煤体结构、瓦斯压力和含量、地质构造、煤层埋深以及煤厚等因素,利用勘探钻孔所测瓦斯资料,建立了勘探钻孔煤层瓦斯突出危险性评价模型,并以重庆松藻矿区为例,对矿区勘探钻孔附近煤层瓦斯突出危险性进行了评价。结果表明:模型评判结果与矿井实际生产揭露情况一致,评判结果可靠。该模型避免了以往勘探阶段仅利用单项指标或简单综合指标进行突出危险评价的不足,使评价指标更全面,评判结果更可靠。      

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。      

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。