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煤与瓦斯突出流体多物理参数动态响应试验研究

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煤炭科学技术 2022年第1期50卷 159-168页

作者：许江魏仁忠程亮彭守建杨海林重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

为进一步认识煤与瓦斯突出后巷道内突出流体的运移传播规律以及突出灾害的防灾减灾机制,以大型物理模拟试验为主,研究了突出流体运动、煤粉堆积、冲击波阵面传播、静压和温度等多物理参数的动态响应特征,建立了突出流体运移模型,并着重... 详细信息

为进一步认识煤与瓦斯突出后巷道内突出流体的运移传播规律以及突出灾害的防灾减灾机制,以大型物理模拟试验为主,研究了突出流体运动、煤粉堆积、冲击波阵面传播、静压和温度等多物理参数的动态响应特征,建立了突出流体运移模型,并着重分析了突出流体在弧形直角拐弯巷道的运移规律。结果表明:突出煤粉在巷道内堆积呈现出两头多中间少的分布特征,多数煤粉集中分布于拐弯后巷道;冲击波阵面的传播速度呈先增大后减小再增大的演化趋势,气流速度快于煤-瓦斯两相流运移速度;巷道静压在单相气流阶段动态响应大,在煤-瓦斯两相流阶段骤降;空气压缩气流、瓦斯气流和煤-瓦斯两相流对静压的演化有着不同影响;在拐弯巷道运移过程中,空气压缩气流内有压缩波叠加现象使得波阵面传播速度加快以及静压升高,瓦斯气流和煤-瓦斯两相流受能量损失影响使得静压降低;巷道温度呈现出迅速下降后缓慢回升的趋势;近突出口区域温度受压缩做功影响,呈现先增大后下降的趋势;巷道内温度呈波动式上升分布状态,部分区域存在一个阻碍巷道温度降低的机制;弧形拐弯后形成一个低温气体聚集区,使得其温度下降量较大。

关键词：煤与瓦斯突出突出流体煤粉堆积弧形拐弯巷道流体运移

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煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展

煤炭科学技术 2023年第8期51卷 129-139页

作者：张超林蒲静轩宋世豪严吉立陆杰中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋,严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素,对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来,相关学者... 详细信息

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋,严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素,对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来,相关学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流试验和理论研究,并取得了丰硕的研究成果,本文就两相流模拟试验装置及国内外学者在突出两相流领域取得的研究成果2个方面进行总结与分析。首先,系统回顾了现有的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置,对比分析了不同试验装置的关键参数及功能优势;在此基础上,深入总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征,以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律;最后,重点梳理了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。分析认为,现阶段煤与瓦斯突出两相流研究呈现出突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点,基本掌握了突出两相流的发生机理及传播致灾规律,但在相似体系(相似准则和相似材料)的建立和完善、两相流与通风系统共存互扰机制、两相流多因素耦合致灾机理、两相流“致灾-防控一体化”研究等方面仍需进一步深入探索。

关键词：煤与瓦斯突出两相流冲击波运移规律流体力学

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煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

煤炭学报 2022年第1期47卷 333-347页

作者：许江程亮彭守建周斌魏仁忠杨海林李奇贤重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析。结果表明:煤层瓦斯压力... 详细信息

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析。结果表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区,其中,最大主应力的下降量和下降百分比皆高于最小主应力;当煤层瓦斯压力为2.0 MPa时,巷道内冲击气流速度可超过300 m/s,煤粉流速度受气体曳力带动可达70 m/s;冲击气流速度远大于煤粉流速度,存在气流先行煤粉滞后的现象,由此将煤与瓦斯突出过程划分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段;巷道断面冲击力呈现出不均匀的分布特征,其部分区域出现了冲击力陡增现象;随距离的增加,强冲击力有从断面中心向外部扩展的趋势;冲击气流的流动状态与煤层瓦斯压力、突出孔洞形貌特征有直接关联;冲击气流呈射流状,在射流中会周期性地出现膨胀波区和压缩波区,同时,射流截面会出现周期性的先扩大后缩小现象,从而导致射流边界上下起伏呈波纹状;在冲击气流运移过程中通过其速度演化可划分出高速射流区、平稳运移区和回流区,回流区内存在旋涡;冲击气流受膨胀-压缩波系的影响分别会在巷道内形成楔形真空区和锥形压缩区,其静压分别处于负压状态和正压状态。

关键词：煤与瓦斯突出冲击气流瓦斯压力地应力运动特征冲击力

煤与瓦斯突出过程中渗流与煤岩体破坏耦合作用机制

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煤炭科学技术 2023年

作者：张士岭崔俊飞和树栋中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室

针对煤与瓦斯突出诱发机理不清的问题，研究了瓦斯渗流对工作面煤体破坏及煤与瓦斯突出的力学作用机制，分别从煤体渗流试验和土力学两个角度引入瓦斯渗透力这一体积力的概念，明确了瓦斯压力梯度作用在煤体的力学形式。基于弹塑性力学... 详细信息

针对煤与瓦斯突出诱发机理不清的问题，研究了瓦斯渗流对工作面煤体破坏及煤与瓦斯突出的力学作用机制，分别从煤体渗流试验和土力学两个角度引入瓦斯渗透力这一体积力的概念，明确了瓦斯压力梯度作用在煤体的力学形式。基于弹塑性力学构建了含瓦斯工作面煤体极限平衡方程，进而将渗流与极限平衡区煤体应力进行耦合，从而得到了瓦斯压力作用下煤体拉应力产生以及拉伸破坏的力学原因。从渗透力作用的角度解释了突出孔洞壁层裂破坏特征和层裂体分布规律，揭示突出煤体层裂破坏时瓦斯压力作用的力学本质，并进行了模拟验证。结果表明：含瓦斯煤体受到瓦斯流动产生的渗透力，其大小等于瓦斯压力梯度，从能量的角度看为单位长度的瓦斯压能损失。渗透力与围岩支承压力共同作用到工作面煤体上，成为破坏煤体的重要诱因。突出前瓦斯流动在新暴露工作面煤壁产生极高的渗透力；渗透力并非均匀的作用在煤壁内，而是集中作用在煤壁暴露面附近小于0.1 m的薄层内，促使煤体采掘方向应力急剧降低甚至成为负值形成拉应力，从而导致该薄层拉伸破坏失稳，形成层裂。煤体内渗透力与应力随时间快速变化，煤壁刚暴露时渗透力是稳定渗流时的6倍以上，相应产生的最大拉应力是稳定渗流时的5倍以上。煤层强度大小与煤体所受拉应力呈现此消彼长的关系，煤层强度越低，由渗流引起的拉应力越大，瓦斯压力的拉伸破坏作用越得以充分发挥，表现为瓦斯为主导的突出和典型的层裂破坏现象。

关键词：煤与瓦斯突出煤体破坏渗透力煤体应力瓦斯压力梯度层裂瓦斯渗流

煤与瓦斯突出冲击波穿越门墙孔洞能量耗散规律及安全尺寸

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煤炭学报 2021年第12期46卷 3934-3947页

作者：李希建薛海腾陈刘瑜刘柱代芳瑞张蒙贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所贵州贵阳550025 复杂地质矿山开采安全技术工程中心贵州贵阳550025 中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司贵州贵阳550081 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为揭示煤与瓦斯突出冲击波穿越防突风门孔洞时的能量耗散规律,以通车防突风门底坎为研究对象,基于不同突出压力、防突风门底坎尺寸条件下的煤与瓦斯突出物理试验和数值模拟结果,分析了突出冲击波在巷道中及穿越防突风门底坎时的传播规律... 详细信息

为揭示煤与瓦斯突出冲击波穿越防突风门孔洞时的能量耗散规律,以通车防突风门底坎为研究对象,基于不同突出压力、防突风门底坎尺寸条件下的煤与瓦斯突出物理试验和数值模拟结果,分析了突出冲击波在巷道中及穿越防突风门底坎时的传播规律,并根据突出冲击波超压与巷道通风阻力的关系,以及冲击波超压对人体的伤害准则,确定防突风门底坎安全尺寸。结果表明:(1)通过巷道交叉口的冲击波主要在直巷道中传播;冲击波传播速度、超压与突出压力成正相关关系。(2)导致距防突风门前较近位置处冲击波超压增大的主要原因是入射冲击波与撞击防突风门后的反射冲击波叠加作用;叠加后的冲击波超压、反射冲击波超压随防突风门底坎尺寸减小而增大。(3)防突风门底坎尺寸越小,冲击波受防突风门底坎阻滞作用越强,入射冲击波越难以绕过防突风门底坎继续向前传播。(4)分支巷道与防突风门较近时,应在分支巷道安装相应的防逆流装置。(5)防突风门底坎尺寸为15 mm以下时,穿越2道防突风门底坎后的冲击波不会造成瓦斯逆流,且穿越2道风门底坎后的冲击波超压不会对人体产生伤害,因此,矿井防突风门底坎的安全尺寸设定为15 mm以下较为合理。(6)理论分析、物理试验和数值模拟所得结果基本一致,说明分析结果是可靠的。

关键词：煤与瓦斯突出突出冲击波防突风门风门孔洞安全尺寸能量耗散

煤与瓦斯突出过程颗粒煤碰撞诱发二次破碎理论研究

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中国矿业大学学报 2024年第3期 524-533页

作者：涂庆毅袁亮薛生程远平金侃赵祖恒安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心中国矿业大学安全工程学院中国计量大学质量与安全工程学院

煤与瓦斯突出是一种威胁煤矿安全生产的典型动力灾害.本文在分析搬运过程突出煤颗粒间或与巷道(阻挡物)的碰撞导致的二次破碎的理论过程基础上，建立突出煤颗粒碰撞二次破碎理论模型，开展单次和多次碰撞极限破碎理论计算.结合突出煤颗... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种威胁煤矿安全生产的典型动力灾害.本文在分析搬运过程突出煤颗粒间或与巷道(阻挡物)的碰撞导致的二次破碎的理论过程基础上，建立突出煤颗粒碰撞二次破碎理论模型，开展单次和多次碰撞极限破碎理论计算.结合突出煤颗粒二次破碎试验分析，讨论了煤的结构差异对二次破碎的影响及对突出的作用.结果表明：当抗压强度小于2 MPa时，突出煤颗粒单次碰撞后的极限粉碎率随着抗压强度的降低急剧升高；而抗压强度大于2 MPa时，突出煤碰撞后的粉碎率随着抗压强度的降低而增加的速度较为缓慢，粉碎率低于0.0415%.2次试验0.074 mm以下的破碎煤占突出煤的质量比均低于0.41%,证明了表观结构完整的颗粒煤破碎或粉化是极其困难的.突出煤在搬运过程中的二次破碎是必要的过程，这种二次破碎形成的小颗粒或粉化煤是突出过程中的瓦斯能快速释放的保障.煤的力学强度和表观结构决定了其能否在搬运过程中二次破碎，相对于表观结构完整、强度高的原生煤，由散体煤胶结而成的构造煤更容易由于颗粒碰撞而发生二次破碎或粉化，同样验证了构造煤极易满足突出的条件.研究成果对突出煤的高度破碎或粉化现象成因进行了解释，有助于揭示突出灾变过程与机理.

关键词：煤与瓦斯突出搬运过程颗粒碰撞二次破碎粉碎率

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煤与瓦斯突出智能预警方法及系统

矿业安全与环保 2022年第4期49卷 150-156,162页

作者：赵旭生马国龙周密瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

针对传统煤与瓦斯突出预警系统自学习能力不足、信息融合度不高、智能化水平和预警准确性有待提升的问题,基于关联规则和证据理论,建立了突出预警指标自主动态优选方法和多指标融合决策模型,开发了突出智能预警系统。介绍了突出危险判... 详细信息

针对传统煤与瓦斯突出预警系统自学习能力不足、信息融合度不高、智能化水平和预警准确性有待提升的问题,基于关联规则和证据理论,建立了突出预警指标自主动态优选方法和多指标融合决策模型,开发了突出智能预警系统。介绍了突出危险判识事务集构建模式,提出预警指标项的非对称二元化转换方法,以及预警指标项与突出危险项之间关联规则的构建方法,定义了反映漏报率大小的函数,形成基于关联规则的突出预警指标优选方法;研究提出突出预警证据理论识别框架,构建出突出预警证据体基本概率分配函数,给出突出预警证据合成方法,得到反映突出危险概率大小的函数,形成了基于证据理论的突出预警多指标融合决策方法;在此基础上,采用分层架构设计,开发出煤与瓦斯突出智能预警系统,实现了突出灾害的在线监测、智能分析、融合预警、在线发布与远程查询。现场应用效果显示,突出预警准确率达到91.53%,且无漏报现象,为矿井突出灾害防治提供了良好的技术支撑。

关键词：煤与瓦斯突出智能预警关联分析证据理论融合决策

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煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

采矿与安全工程学报 2021年第1期38卷 206-214页

作者：杨孝波许江周斌彭守建程亮杨文健重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度。研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程... 详细信息

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度。研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大。

关键词：煤与瓦斯突出煤体温度吸附膨胀做功瓦斯解吸

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煤与瓦斯突出过程中地应力作用机理研究

中国矿业大学学报 2021年第5期50卷 933-942页

作者：秦恒洁魏建平李栋浩吴则琪郑州轻工业大学建筑环境工程学院河南郑州450002 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南工业大学理学院河南郑州450002

为了进一步探究地应力在不同工况下对突出发生的参与控制机理,本文开展了变应力因素下的诱突实验研究,并基于含瓦斯煤流-固耦合数学模型对受载含瓦斯煤体卸压后的应力分布与演化规律进行了数值模拟研究.研究结果表明:内部应力状态的分... 详细信息

为了进一步探究地应力在不同工况下对突出发生的参与控制机理,本文开展了变应力因素下的诱突实验研究,并基于含瓦斯煤流-固耦合数学模型对受载含瓦斯煤体卸压后的应力分布与演化规律进行了数值模拟研究.研究结果表明:内部应力状态的分布及演化行为受到瓦斯流场状态、地应力以及卸压情况等因素的共同控制;吸附瓦斯压力与卸压口径的增大都会对突出发生及强度有直接贡献作用;轴向载荷对突出发生及强度的作用效果,很大程度上受到煤岩介质赋存条件及卸压情况的控制.卸压充分时,轴向载荷施加及增大能够在卸压面附近正向叠加流场拉应力效果,促进突出的发生,当卸压不充分时,轴向载荷通过改变煤体性质与抵消流场拉应力的形式阻碍突出的发生.

关键词：煤与瓦斯突出地应力瓦斯压力卸压口径数值模拟