一种新型煤与瓦斯突出物理模拟系统研制与应用

物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一。研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统,旨在借助现有先进监测技术和装备,结合具体瓦斯地质模拟条件,开发出先进的实验设计方案,实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模拟,助推煤与瓦斯突出机理研究。本模拟系统由应力加载子系统、实验箱体子系统、动力牵引子系统、气压控制子系统、诱突装备子系统、模拟巷道子系统和测控子系统7部分构成,在各个子系统设计过程中都不同程度地实现了技术方法提升,整个系统形成了标志性创新成果。模拟系统有如下特点:(1)完善了三轴同步连续非均匀加载技术装备的高载荷加/卸载功能。试件加载由X、Y和Z方向的10个独立压头完成,试件尺寸为400 mm×400 mm×1200 mm,载荷强度最大25 MPa,最大密闭气压6.0 MPa,上述10个压头中的任意个体可根据指令独立或同步完成行程内的加/卸载任务,并实现了水平应力分层加卸载。(2)形成了系统制样、装样、密封、加载一体化工艺。实验箱体为新型分体式结构,由动力牵引系统辅助实验箱体完成试件成型、应力加载和模拟材料搬运,且箱体结构平移量控制精准。(3)集成多种诱突技术于同一模拟平台,完成了包括箱体、突出窗口等多项技术装备功能创新,完成了动力诱突、二级爆破片联动诱突、变径钻进诱突等多种诱突技术及装备研制,且在动力诱突和变径钻进诱突技术装备上实现了原始创新,并经过了实验模拟验证。(4)实现了关键装置结构体的设计创新。双层钢板箱体缓解了同步加载的应力集中并提高箱体结构气密性,突出口的内腔设计提高了诱突效率,模拟巷道端头结构与管道“软包硬”结构设计提高了系统安全性,变径钻头结构实现了Rouleauxs triangle理论的工程化应用。(5)多元信息监测及数据融合实现了模拟测试的精准化。采用了先进的数据采集系统(应力、气压、温度等数据)和包括声发射、高速摄像机等监控技术装备,实现了煤与瓦斯突出的多元数据精准监测。(6)工程案例模拟证实了系统应用的可靠性。通过平煤“3·22”突出案例模拟,完成了系统功能的整体检验,并发现了突出过程中断层构造对地应力、气体压力和温度的影响规律,证实了本物理力学模拟系统性能可靠,可为煤与瓦斯突出机理研究提供平台支撑作用。

煤与瓦斯突出物理模拟试验中甲烷相似气体的探索

当前煤与瓦斯突出物理模拟试验多采用二氧化碳代替甲烷,导致试验结果偏差较大。为了保证模拟试验相似性并规避甲烷气体带来的安全风险,提出了甲烷相似气体的概念。基于瓦斯在突出过程中的作用机制和相似准则,结合煤与瓦斯突出防治规定,建立了以瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质为参数的相似指标。初步采用二氧化碳体积分数为20%、40%、60%、80%的二氧化碳和氮气二元混合气体作为甲烷相似气体的筛选气体。按照相关规范,分别测定了甲烷和筛选气体的相似指标参数值,确定了与瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质接近的混合气体组分分别是二氧化碳体积分数为60%、35%、45%和54%。相关性分析结果表明,上述4种配比气体与甲烷性质相关性高,可以作为相似气体的待定气体。采用待定气体和甲烷进行了模拟试验,结果表明,二氧化碳体积分数为45%的混合气体的突出现象和突出临界值与甲烷接近,与甲烷相似性高。

大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统研发

采用物理模拟试验开展多种组合条件下煤与瓦斯突出定量化模拟是目前研究煤与瓦斯突出机理与规律的主要研究手段,以综合作用假说、CSIRO突出模型为理论依据,根据推导建立的煤与瓦斯突出相似准则,研发了可考虑不同地质条件、地应力、煤岩体强度、瓦斯压力和施工过程的大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统;系统由模型反力与空间密封单元、高地应力梯度加载智能控制单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、巷道微型掘进与高速记录单元和多元信息瞬态获取五大关键单元构成。可实现最大尺寸为1.5 m×1.5 m×3 m(长×宽×厚)的试验模型真三维梯度加载,系统最大加载能力60 MPa,模型厚度方向可按0.6 m倍数调节,系统最大充气压力3MPa,最大气体充填速度360 L/min,微型光纤光栅传感器最大采集频率500 k Hz,巷道最大掘进速度10 cm/min。各模块协同工作,可实现三维气固耦合条件下石门揭煤诱发煤与瓦斯突出试验模拟,为探索不同组合因素下煤与瓦斯突出发生条件,揭示突出机理提供了定量化模拟平台。

煤与瓦斯突出机理和模拟试验研究现状及发展趋势

总结了煤与瓦斯突出机理的理论研究现状,分析了国内外对含瓦斯煤体相似材料和煤与瓦斯突出模拟试验装置研究的典型范例。指出了煤与瓦斯突出机理及模拟试验研究方面存在的不足之处:目前煤与瓦斯突出机理的理论研究多是定性描述,缺乏定量、统一、完整的理论体系;已有模拟试验系统和装置还无法准确地对综合考虑地质构造、地应力、煤体强度、瓦斯含量及施工过程等影响因素下的突出现象进行定量模拟,试验装置的力学加载、瓦斯充填和测试系统的精度有待进一步提高;试验仪器的试验操作与便利性不足,试验的可重复性有待提高;试验仪器的数据分析系统不完善。分析了煤与瓦斯突出机理研究与模拟试验的发展趋势,认为煤与瓦斯突出模拟试验必须符合相似理论,煤与瓦斯突出模拟试验仪器研究是机理研究突破的迫切需求。

煤与瓦斯突出物理模拟相似准则建立与分析

相似准则是物理模拟的理论依据,是研发相似材料确定试验条件的基本前提。煤与瓦斯突出物理模拟相似准则是制约模拟试验发展的瓶颈。针对描述煤与瓦斯突出全过程的力学模型尚未建立的现状,尝试采用描述突出孕育阶段的气固耦合模型进行相似准则推导。基于气固耦合方程,采用相似变换法推导了相似准数。该组相似准数可保证煤岩变形破坏规律相似,却难以发生突出现象。提出了采用能量模型推导煤与瓦斯突出相似准则的思路。改进了前人的能量方程,经过相似变换导出了新的相似准数。该组相似准数可保证试验模型与原型能量集聚、转移和释放规律相似。结合两组相似准数,在保证能量模型相似的基础上,考虑煤岩变形破坏规律相似,确定了煤与瓦斯突出物理模拟相似准则。与前人的物理模拟试验结果进行对照,验证了相似准则的合理性。

煤与瓦斯突出模拟试验研究

以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明:研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。

煤与瓦斯突出物理模拟实验研究进展及展望

煤与瓦斯突出严重威胁着煤矿的安全生产,由于现场煤与瓦斯突出具有突发性和危险性,因此物理模拟实验手段引起世界各主要产煤国的关注。查阅相关文献,对我国近三十年来煤与瓦斯突出物理模拟实验研究进展进行梳理,发现突出实验研究由一维受力、单一场、小尺度向多维多场多尺度过渡,实验装置整体性能得到极大提高。然而目前对于突出机理的认识仍然停留在定性解释的假说阶段,针对目前突出实验特点及其不足提出若干建议,以期通过突出实验探究其物理本质,从而形成突出危险性定量评价体系和突出理论判据,为现场煤与瓦斯突出的预测与防治奠定坚实的理论基础。

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。

煤与瓦斯突出模拟试验系统的设计

煤与瓦斯突出的主要驱动因素包括瓦斯压力和地应力。为对瓦斯压力与地应力的控制效应进行研究,设计了煤与瓦斯突出模拟试验系统,包括单瓦斯压力试验机和瓦斯压力、地应力综合试验机。该试验系统可对煤样施加2MPa的瓦斯压力和40MPa的地应力,与已有的煤与瓦斯突出模拟试验系统相比,其技术特点是可控性强、加载能力高,采用数据记录和图像记录同步的方法,实验结果更准确。

实验室煤与瓦斯突出模拟试验回顾及展望

为借鉴国内外煤与瓦斯突出模拟试验研究成果,查阅大量相关文献,进行分析和总结。以人们对煤与瓦斯突出试验研究的深入程度为主线,将实验室煤与瓦斯突出模拟试验的研究历程进行阶段划分。研究表明:20世纪50—60年代,成功诱导了突出,初步考察诸因素对突出的影响;70—90年代,深入探究突出发生的力学判据及突出过程,并提出数十种有关突出机理方面的假说;21世纪初,以组建三维模拟试验台进行试验为特点,大大提高了模拟试验条件与现场的相似度,但在力学加载系统的稳定性和可调性、模型的整体密封性、测试探头的精度等方面仍需改进。

煤与瓦斯突出模拟试验研究进展及展望

煤与瓦斯突出模拟试验是探索煤与瓦斯突出规律与特征,揭示其突出机理的重要手段之一。为理清煤与瓦斯突出模拟试验领域研究脉络及未来发展趋势,从煤样制备方法与制备装置、吸附气体种类、应力加载系统、突出诱导装置和数据采集系统5个方面入手,对国内外学者在物理模拟领域取得的丰硕成果进行系统总结与分析;以受力维数为分类指标,对数值模拟领域研究进展进行详细论述。分析可知,新型模拟装置研发、数据采集元件和相似材料研制,以及基于不同软件交叉、融通、互补的数值模拟研究是该领域未来研究的重点方向。

煤与瓦斯突出模拟试验的研究现状与展望

综述了煤与瓦斯突出模拟试验研究现状,主要从瓦斯压力、地应力和煤体物理力学性质及其综合作用方面分析了其对煤与瓦斯突出的影响以及在这些因素影响下的突出特点、形式和规律。鉴于煤与瓦斯突出的复杂性,目前的研究还存在以下不足:(1)试验过程中用的都是颗粒煤或者是型煤,很难真实反映现场的煤层物理特性;(2)试验载荷的施加方式和大小反映不了现场煤体中真实的三维应力状态;(3)实验室模拟试验中的突出口多数情况是人为打开的,而不是煤体内部达到突出条件后自主打开的。建议使用原煤煤样、加大模拟实验尺度、采用真三轴加载方式、合理设置突出口进一步开展多因素耦合的煤与瓦斯突出模拟试验,对煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的现实意义。

煤与瓦斯突出模拟试验综述与展望

为借鉴现有研究成果开展煤与瓦斯突出模拟试验,通过查阅国内外文献及现场调研,对国内外开展的突出模拟试验及研究成果进行了综述。以突出试验开展时间为主线,重点对型煤制作工艺、试验煤样形状及尺寸、力学加载方式、试验气体及充气压力、突出口开启方式、试验研究成果等进行了详细介绍,在梳理国内外煤与瓦斯突出模拟试验现状的基础上,结合"煤与瓦斯突出的力学作用机理"理论,对煤与瓦斯突出模拟试验进行了展望。

世界首例煤与瓦斯突出物理模拟试验成功

近日,由平安工程院公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室开展的世界首例真三维全过程大尺度巷道掘进煤与瓦斯突出物理模拟试验取得成功,有效模拟了煤与瓦斯突出现象,试验监测数据真实可靠,标志着我国在煤与瓦斯突出机理研究领域取得新的重大突破。

煤与瓦斯突出相似模拟试验的能量原理

煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害,由于这种动力灾害通常难以直接观测,煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而,突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去70 a中突出模拟试验的回顾,发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率(10%~40%,中位数为21.2%),显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能(几倍到几十倍)。为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征,基于相似准则,利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验。结合观测数据与能量分析,发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分,占总能量的87.50%~95.31%,其中初始游离气体的贡献占比为1/3~2/3;证明了实验室模拟试验的本质,是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程。特别是,由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能,模拟试验可以不依赖应力条件,甚至可以由非吸附性气体(如He)在低压下(约0.45 MPa)诱发。与现场实际突出相比,模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放,缺乏应力与瓦斯之间的相互作用,因而难以还原突出的激发过程。在未来的试验装置设计中,如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当(通常为1%~11%)是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键。

煤与瓦斯突出模拟试验

本文阐述了选用突出煤层的煤样,在不加任何添加剂条件下压结成型做为代替揭开石门煤与瓦斯突出的试验情况。当成型压力≥30MPa 时,其抗压强度为0.31MPa,这相当于突出严重的Ⅳ,Ⅴ类破坏煤层。这种模拟试验比日本用松香、CO_2结晶冰等无吸附瓦斯能力的材料做实验更接近实际。试验表明:突出最小瓦斯压力随煤的强度增大而增大;瓦斯压力越大,突出强度也越大。

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在:煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。

含水率对煤与瓦斯突出强度影响的试验研究

为了获得含水率对煤与瓦斯突出强度的影响规律,利用自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统,在恒定瓦斯压力、轴向应力及煤样成型压力等条件下,进行了不同含水率煤体的煤与瓦斯突出模拟试验;同时提出了包含突出煤量和最远突出距离二元信息的数学方程,用于表示煤与瓦斯突出的相对突出强度。试验结果表明:自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统的试验结果和现场煤与瓦斯突出实际状况相吻合;在轴压8 MPa、瓦斯压力0.8 MPa试验条件下,得出了含水率和相对突出强度呈二次曲线关系;煤体的含水率愈大,则相对突出强度愈小,发生煤与瓦斯突出的可能性也越小。

立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出RFPA仿真模拟研究

通过建立立井井筒物理力学模型,运用RFPA2D对立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出过程进行模拟,再现井筒揭煤时煤与瓦斯突出过程,分析所得图表,总结立井井筒掘进工作面煤与瓦斯突出的一些规律,为立井井筒揭煤制定合理有效的煤与瓦斯突出防治措施提供理论依据。

膨胀剂动态加载模拟煤与瓦斯突出

装入受限空间的膨胀剂发生水化反应后体积膨胀,对周围介质可以产生50 MPa以上的压力,其压力增加过程具有瞬间突变的动力特征。煤与瓦斯突出是煤层中储存的弹性应变在应力条件改变时的突然释放。试验将膨胀剂置于煤体中,依靠膨胀剂加载的动力特性再现了煤与瓦斯突出的物理过程。试验研究表明,受限空间膨胀剂内部加载的试验方法可以真实地营造煤体的受力状态和煤体突出的边界条件,是研究煤与瓦斯突出问题理想的试验方法。