不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明:不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_(max)>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_(max)为0.6%~1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_(max)<0.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能大于42.98 mJ/g,这会导致低指标突出灾害的发生。因此,在进行煤与瓦斯突出预测和防治时,应充分考虑煤的变质程度对突出的影响,研究可为突出预测提供新的科学依据和方法借鉴。

基于瓦斯膨胀能的煤与瓦斯突出预测指标研究

从煤与瓦斯突出机理出发,通过对突出过程中各能量大小及作用的分析,认为突出的主要能量来源于瓦斯膨胀能,膨胀能主要转化为移动功,据此简化了突出动力方程,提出了能够反映瓦斯膨胀能的瓦斯解吸指标Q3,并结合实验方法确定了Q3和瓦斯含量的临界值。现场验证表明临界值可靠。

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系

根据突出模拟实验中出现突出时初始释放瓦斯膨胀能的临界值,可以确定煤层发生突出需要达到的瓦斯压力临界值.本文通过现场钻取煤样,并在试验室进行了不同瓦斯压力下的初始释放瓦斯膨胀能测定,发现煤样的初始释放瓦斯膨胀能与煤中的瓦斯压力呈线性关系.根据这一发现,石门揭煤之前的预排瓦斯过程中,只要用少量的实验就可以确定局部煤层瓦斯压力应该降到多少就可以安全揭开煤层,为石门揭煤进行突出预测和预排瓦斯过程中定量检测其防突效果提供了一种方便可靠的方法.

初始释放瓦斯膨胀能与煤体破碎程度的关系研究

通过在同一试验条件下,对不同破碎程度(不同筛分模数)的煤样进行初始释放瓦斯膨胀能实验研究,得出了初始释放瓦斯膨胀能和筛分模数之间存在着指数增加的关系。从而很好地解释了石门揭煤条件下煤体破碎程度与突出的关系。对避免石门揭煤突出危险性预测因f值测定造成误差出现危险,准确地预测石门揭煤突出危险性有着十分重要的意义。

初始释放瓦斯膨胀能测定原理与应用

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可以有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标.研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,提出了由"单罐系统"改为"双罐系统"的设计构想.利用改进后的测定技术对从河南大平煤矿13051工作面和16071工作面采集的煤样进行了实验研究,得到了其初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的变化曲线,并对两工作面进行突出危险性预测.结果表明,大平煤矿两个工作面在生产中均有突出危险性,与实际情况一致.

基于突出热动力学的瓦斯膨胀能计算方法研究

瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出的主要能量之一.采用实验室试验、数值模拟和理论分析相结合的方法研究了煤与瓦斯突出过程中煤体温度的变化规律,在此基础上提出了对突出做功的瓦斯膨胀能的计算方法.研究结果表明,煤与瓦斯突出不是大多数学者认为的绝热过程,而是一个偏向于等温过程的多变过程.多变指数可以通过实验测定的煤体温度来计算,吸附瓦斯和游离瓦斯的膨胀功可以利用多变指数计算.

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力关系的修正

基于初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力成正相关,通过对突出煤样与非突出煤样的初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力数据进行数理分析,在保证满足工程实践的前提下,确定了最佳的瓦斯压力值选取方式,得出了可以拟合出本煤层的初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力方程式最合适的瓦斯压力数据点数。有效地解决了实验取值过多、实验周期长的问题。

二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能研究

对同一个煤样分别充入不同压力的二氧化碳/甲烷/氮气进行初始释放瓦斯膨胀能测定试验,研究二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,并分析二氧化碳/甲烷/氮气条件下的煤层突出危险性。结果表明:对于同种气体,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与吸附平衡压力均成正相关关系,吸附平衡压力越大,煤样的初始释放瓦斯膨胀能越大,煤层突出危险性越大;对于不同气体,在吸附平衡压力相等的情况下,充二氧化碳的煤样具有较大的初始释放瓦斯膨胀能,突出危险性较大,充甲烷的次之,充氮气的最小。这一结论可以为解释煤矿现场突出和实验室突出模拟过程中的一些现象提供重要的依据。

基于初始释放瓦斯膨胀能测定极限抽放半径技术研究

为解决高瓦斯突出煤层预抽煤层瓦斯过程中存在抽放钻孔设计不合理易导致突出危险性未能消除的问题,通过对初始释放瓦斯膨胀能和瓦斯压力、瓦斯含量关系的分析,提出了基于初始释放瓦斯膨胀能测定钻孔极限抽放半径的新技术,并在高河煤矿进行了现场应用。结果表明基于初始释放瓦斯膨胀能测定钻孔极限抽放半径是一种简单有效的方法,高河煤矿3~#煤层北翼西回风巷极限抽放时间为150 d,极限抽放半径为1.5 m。

基于神经网络的初始释放瓦斯膨胀能预测模型

研究了BP神经网络的原理和方法,收集了全国100多对矿井的实测初始释放瓦斯膨胀能资料,获得20组可靠数据,选取煤的破坏类型、煤层的相对瓦斯压力、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度4个单项指标为BP神经网络的输入变量,初始释放瓦斯膨胀能作为输出变量;建立了基于BP神经网络的初始释放瓦斯膨胀能预测模型;通过模型检验和精度分析,得出模型拟合效果好,预测精度能够满足工程精度要求。从而说明利用BP神经网络对初始释放瓦斯膨胀能进行预测是可行的。

初始释放瓦斯膨胀能测定技术

初始释放瓦斯膨胀能可以综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素对突出过程的影响,是一种可有效预测石门揭煤突出危险性的新型指标。研究了初始释放瓦斯膨胀能的测定原理,分析了现有初始释放瓦斯膨胀能测定技术的现状。研究表明,实验条件的不一致性是导致现有技术在准确测量及精密测量中存在不足的主要原因,由此提出了将"单罐系统"改为"双罐系统"的设计构想,并对原有测定仪器进行了改进。

煤岩破坏过程弹性能与瓦斯膨胀能演化特性试验研究

煤与瓦斯突出灾害的本质是能量演化至灾变的过程,为了揭示突出过程的能量演化机制,以煤岩试件为对象,试验测定了不同破坏程度煤岩试件的弹性能和瓦斯膨胀能,结果表明:对试件加载时,输入的总能量一部分转换为弹性能,一部分转换为耗散能,峰值强度处弹性能占比约为70%,峰值强度后能量释放,弹性能急剧减小;0.8 MPa气体压力下,瓦斯膨胀能比煤体弹性能高1个数量级以上;峰值强度是弹性能和瓦斯膨胀能突变点。峰值强度处弹性能急剧降低,而瓦斯膨胀能却突增25%以上。由于瓦斯膨胀能是主要能量,这种能量的突变对煤与瓦斯突出的影响是巨大的。

逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程,瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量,是煤与瓦斯突出的主要能量来源。发生煤与瓦斯突出时,煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸,为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性,以晋城矿区无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附-解吸试验装置,进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验,分析了逐级降压解吸下解吸瓦斯膨胀能变化特性。研究结果表明:吸附平衡压力越大,煤中吸附瓦斯内能越大,体系稳定性越差,在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故;吸附平衡压力相同时,常压环境下解吸瓦斯膨胀能高于降压解吸下解吸瓦斯膨胀能,且随着吸附平衡压力升高,二者的差值逐渐增大,2.5 MPa吸附平衡压力时常压环境下解吸瓦斯膨胀能比降压环境下解吸瓦斯膨胀能高28.6%;降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用,且环境气体压力越高,抑制效果越明显;降低解吸瓦斯膨胀能可作为一种防治煤与瓦斯突出技术途径。

死空间瓦斯涌出初始释放瓦斯膨胀能规律研究

通过利用热力学和流体力学理论推导出,在一定的温度、瓦斯压力与死空间体积等条件下,煤样罐内死空间涌出的初始释放瓦斯膨胀能的计算表达式;应用正交实验法进行一系列死空间初始释放瓦斯膨胀能实验,基于MATLAB软件建立一系列条件下的该实验数据库,据此验证一些实验测定的数值,经对比理论值和实验值,两者差距较小,很好的满足工程需要。

等压条件下温度对煤样初始释放瓦斯膨胀能的影响研究

为了研究温度对煤样初始释放瓦斯膨胀能的影响,在等压条件下测定了煤样不同温度对应的初始释放瓦斯膨胀。通过对比不同吸附平衡温度下煤样罐内的瓦斯压力衰减曲线,发现低温时的压力衰减曲线比高温时的压力衰减曲线平缓,降低到相同压力时的衰减时间也更长。数据分析结果表明,煤样初始释放瓦斯膨胀能随着温度的降低而增加,两者呈负指数关系,因此在以初始释放瓦斯膨胀能指标预测煤层突出危险性时,要考虑温度对指标测定的影响。

初始释放瓦斯膨胀能在防突领域中的应用前景

通过对煤与瓦斯突出预测现状分析,探讨了目前国内常用的突出预测指标,并论述了其不足之处。基于常见突出预测指标时常会造成"低指标突出"事故,认为这些指标并不能从本质上综合地反映出煤层突出危险性。指出初始释放瓦斯膨胀能指标能从突出机理实质性的体现出煤层的突出危险性,并通过工程应用实例证实了其突出预测的准确性,能够减少或杜绝"低指标突出"事故,是一个具有应用价值及前景的突出预测和突出强度预测指标。建议初始释放瓦斯膨胀能指标能够得到应有的重视,能得到相应的推广和应用;同时建议矿井或煤层应根据突出强度进行分级管理。

构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

煤层释放瓦斯膨胀能研究

针对煤与瓦斯突出危险性预测问题,对煤层释放瓦斯膨胀能进行了深入研究。根据瓦斯膨胀能基本计算方法,以煤层瓦斯流动压力场分布规律为基础,分别建立了煤壁释放瓦斯膨胀能和钻孔释放瓦斯膨胀能理论方程式;并应用MATLAB数值模拟软件,进一步对钻孔释放瓦斯膨胀能进行了分析计算。结果表明:钻孔释放瓦斯膨胀能在释放时间前3 s内下降急聚,且该能量大小受煤层瓦斯压力影响最大,受透气性系数影响次之,受瓦斯含量系数影响最小。钻孔释放瓦斯膨胀能真实反映了实际煤层瞬间释放瓦斯的能力,矿井在煤层瓦斯压力测定时,通过实测钻孔释放瓦斯膨胀能,可以准确预测煤层突出危险性。

煤粒初始释放瓦斯膨胀能的影响规律与温度效应分析

煤体瓦斯膨胀能对预测煤与瓦斯突出具有重要意义,在前人基础上优化改进研发了新型初始释放瓦斯膨胀能测定仪,仪器具备可更换的渐缩喷口(面积3.39,2.26,1.13 mm2)、快速释放机构和高精度高灵敏度传感器与采集仪,实现了高压气体密封,快速释放和气压、温度数据同步高速采集,提高了瓦斯膨胀能测定结果的精确度。利用仪器开展了不同粒径煤样、不同吸附瓦斯压力、不同喷口面积条件下初始释放瓦斯膨胀能试验。发现0.5~1.5MPa吸附压力下,测到的瓦斯膨胀能在10.45~55.55m J/g之间,瓦斯放散导致煤样温度下降了0.3~1.2℃,且吸附压力越高,温度下降越大,原因是瓦斯气体降压吸热和解吸吸热,其中解吸导致的降温最大0.5℃。膨胀能的影响规律如下:1)瓦斯压力越大,瓦斯膨胀能越大,两者呈线性关系;2)相同气压下,喷口面积越大,对应的瓦斯膨胀能越小,且喷口面积越大,膨胀能与气压曲线斜率越小,喷口面积为1.13 mm2时,斜率为36.56,喷口面积为3.39 mm2时,斜率仅为25.72;3)煤样粒径越大,瓦斯膨胀能越小,瓦斯膨胀能W与煤样平均粒径d成负指数下降的关系,且喷口面积越大,对应的相关系数a,b,k越小,即瓦斯膨胀能越小。新型初始释放瓦斯膨胀能测定仪为预测煤与瓦斯突出提供了科学手段。

仿制构造煤的初始释放瓦斯膨胀能特性研究

通过理论分析及采用一定破碎程度的非构造煤来仿制构造煤试验,研究仿制构造煤在初始释放瓦斯膨胀能方面的特征,并探讨其用于鉴定煤层突出危险性的可行性。试验结果表明:在瓦斯解吸的初始阶段,构造煤与仿制构造煤的瓦斯压力、瓦斯放散量、膨胀能均以负指数规律衰减,且在1000 ms之后就基本维持恒定值,并且膨胀能在超临界压力下的衰减速度小于亚临界状态下的衰减速度,衰减曲线在临界压力处产生拐点。相同破碎程度的仿制构造煤与构造煤的初始释放瓦斯膨胀能表现基本一致,这对解决煤层的突出危险性鉴定过程中,由于无法采集或不易采集到那些导致突出的构造煤煤样而采用非构造煤样做出判断失实的问题,有着十分重要的意义。