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。

火灾时期火区逆流临界风速计算模型研究

对火灾时期火区逆流临界风速2种计算模型进行对比分析,利用中性成层中轴对称热对流理论,建立水平巷道火灾时火区逆流临界风速计算模型;按照流体相似原理,设计和制作了矿井巷道火灾模拟实验系统,通过相似模拟实验得出:水平巷道发生火灾时,着火巷道温度越高,烟气逆流临界风速值越大;水平巷道火灾时火区逆流临界速度实验值与理论计算值一致,实验验证了理论计算模型的合理性和正确性。

火灾时期火区下风侧巷道烟流温度场方程研究

通过传热学和热平衡原理建立火灾时期火区下风侧巷道烟流温度场方程;利用矿井巷道火灾模拟实验系统测定火灾时期火区下风侧各测点的烟流温度、密度和速度值,得出距离火区下风侧x米处烟流温度变化的实验值,同时通过温度场方程得出烟流温度变化的计算值,得出烟流温度变化的计算值与实验值变化趋势基本一致的结论。实验验证了温度场方程的可行性。

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量、高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩(体)的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩(体)破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA^(2D)瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出:地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50～60 m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。

2007—2016年全国煤矿瓦斯灾害事故发生规律分析

为了研究全国煤矿瓦斯灾害事故发生规律,采用数据统计法,从煤矿企业性质、瓦斯事故类型、瓦斯事故等级和瓦斯事故发生地域4个方面,对2007—2016年期间389起煤矿瓦斯灾害事故进行综合分析,通过趋势图和柱状图直观显示了近10年全国煤矿瓦斯灾害事故的发生特点和规律,并对瓦斯事故多发的原因进行深入分析,提出了瓦斯事故的预防对策和措施。

软岩底板突水机理分析及数值试验

结合煤矿地形特征和煤层赋存条件,通过数理方程确定底板发生破坏的条件,实现对突水通道的初步预测与定位;利用RFPA软件对煤矿软岩底板进行突水机理数值试验研究,进行煤层底板突水路径的应力场、渗流场和声发射演化过程分析,再现底板突水的形成过程,即底板在水压驱动下出现裂纹萌生、扩展以及水压跟踪传递,最后底板隔水层变成导水通道层。研究结果表明:董家河煤矿可通过调控煤层底板突水的条件使之不发生突水事故;该数值计算方法适用于具有类似地质条件的煤矿,可为煤层底板突水机理研究和防范矿井突水事故的发生奠定理论基础和方法指导。

巷道火灾时期烟流参数变化规律模拟分析

本文以实际煤矿采区进风系统为原型,按照流体相似原理,建立了矿井巷道火灾模拟实验系统,然后利用GAMBIT软件建立实验巷道的物理模型,采用Hex/Wedge-Cooper方法进行体网格的划分,对初始条件和边界条件进行设定和处理,最后将巷道火灾火源简化为一个固定体积的稳态高温热源,采用FLUENT软件,针对不同的巷道入口初始速度,分别模拟分析火灾巷道烟流温度场、速度场、密度场和压力场的变化规律和分布情况。研究结果表明:火灾发生后,巷道烟流扩散范围逐渐增大,温度逐渐升高,在火区附近温度最高;烟流速度从巷道入口处到出口处逐渐降低,在巷道交叉口处由于存在局部阻力和节流效应,烟流速度会大大降低;烟流密度从巷道入口处到出口处逐渐增大,在通风情况不好的巷道,烟流密度会更大,且巷道顶部烟流密度要小于巷道底部烟流密度;烟流静压总体升高,但在巷道出口处烟流压力最低。

鄂尔多斯盆地北缘深部矿井奥灰水动态及预测

奥陶系岩溶水是鄂尔多斯盆地北部准格尔煤田开采的主要威胁,为此区域矿井底板注浆改造及疏排水控制提供水害预防提供依据,以唐家会矿奥灰岩溶水为研究对象,通过资料收集与对比分析,研究了矿井奥灰水位变化特征及控制因素,并建立了奥灰水流数值模型预测了奥灰水变化趋势。结果表明,自矿井掘采工作进行以来,矿井奥灰水位总体上持续下降,5个观测孔水位降幅达为2.63~11.08m,各观测孔水位在每年雨季时有小幅上升。井巷掘进及工作面回采过程中疏排水是奥灰水位持续下降的主要因素,涌水通道为断层和地质异常体;大气降水和黄河水是奥灰岩溶水补给的主要来源。在此基础上,基于GMS软件建立了矿井奥灰水流数值模型,预测到2024a,矿井奥灰水位较2021a下降7.7~9.1m。