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低透气性煤层工作面煤与瓦斯突出灾害中心体致灾机理

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煤炭科学技术 2022年第10期50卷 76-85页

作者：刘国磊王泽东曲效成崔嵛尹永明山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博255000 北京安科兴业科技股份有限公司北京100083 中国安全生产科学研究院矿山安全技术研究所北京100012

为有效揭示低透气性煤层回采工作面煤与瓦斯突出机理,提高监测和防治的针对性与有效性,基于瓦斯赋存状态和开采扰动等因素建立了突出灾害中心体力学模型,通过理论分析、相似模拟试验和现场试验的方法,验证了该理论假设,揭示了中心体致... 详细信息

为有效揭示低透气性煤层回采工作面煤与瓦斯突出机理,提高监测和防治的针对性与有效性,基于瓦斯赋存状态和开采扰动等因素建立了突出灾害中心体力学模型,通过理论分析、相似模拟试验和现场试验的方法,验证了该理论假设,揭示了中心体致灾机理,并验证了微震与突出危险的关联性。相似模拟试验结果显示:在煤壁距中心体60~20 m时中心体逐渐孕育和发展,至20~10 m时中心体突出风险急剧升高,该范围即宏观的中心体突出临界区域,是重点防治时期和位置,该结论在寺家庄矿15112回采工作面基于钻屑瓦斯解吸指标K_(1)值的试验中得到验证,突出灾害中心体致灾机理假设也得到验证。结果表明:吸附瓦斯在节理、裂隙等非均质性的孔洞中由于局部煤体破碎且渗透性升高而大量解吸为游离瓦斯,与煤粉混合成具有高能量的气固两相流体,形成突出灾害中心体;中心体在低透气性煤层中是客观性存在的,且赋存于多个位置,采动效应提供了外在动力,导致煤层应力环境和瓦斯状态发生变化,易诱发中心体突出;从中心体致灾的角度得到微震与突出危险间具有较良好的拟合关系,说明微震是有效的突出危险监测手段,为进一步提高突出监测及防治的针对性和有效性提供了方向。

关键词：低透气性煤层煤与瓦斯突出突出灾害中心体致灾机理

煤与瓦斯突出过程中煤层及巷道温度时空演化规律

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煤矿安全 2022年第10期53卷 57-63页

作者：张超林王奕博王恩元宋爽曾伟王培仲蒲静轩中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展了不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,对突出过程中煤层和巷道温度进行了全程监测。分析结果表明:①突出发生后,煤层瓦斯压力快速下降至大气压,煤层温度演化具有一定的滞后性,... 详细信息

利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展了不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,对突出过程中煤层和巷道温度进行了全程监测。分析结果表明:①突出发生后,煤层瓦斯压力快速下降至大气压,煤层温度演化具有一定的滞后性,主要受控于吸附瓦斯的解吸和游离瓦斯的膨胀,呈现急速下降→快速升高→缓慢变化3阶段演化特征,吸附瓦斯压力2.0、0.85、0.35 MPa条件下,煤层温度下降量峰值分别为0.56、0.23、0.11℃,平均下降速率分别为0.042、0.015、0.008℃/s,即瓦斯压力越高,煤层温度下降量越大、下降速率越快,呈正相关关系;②巷道温度的变化同时受到抛出煤体解吸瓦斯、喷出瓦斯膨胀泄压、冲击波扰动以及与环境热交换等多种因素影响,表现为先短暂上升,随后立即大幅下降,最后升温至环境温度的演化趋势,3次试验中,巷道温度下降量峰值分别为3.19、2.41、1.09℃,平均下降速率分别为0.249、0.188、0.094℃/s;③煤层和巷道温度在时间演化上具有整体相似性,在变化幅度上具有显著差异性,突出煤体在巷道内的进一步破碎并大量解吸瓦斯,是巷道温度演化的主控因素,也是导致巷道温度下降量较大的主要原因。

关键词：煤与瓦斯突出吸附解吸煤层温度巷道温度时空演化

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煤与瓦斯突出两相流运移衰减规律实验研究

煤矿安全 2022年第11期53卷 36-41页

作者：王良成石必明刘义张雷林钟珍张煜安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001

为了研究煤与瓦斯突出后煤与瓦斯两相流的运移衰减规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出后煤粉运移分选特征、煤与瓦斯两相流冲击压力的演变规律。研究结果表明:在轴向应力为0.54 MPa、瓦斯压力为0.5 MPa时,煤粉相对... 详细信息

为了研究煤与瓦斯突出后煤与瓦斯两相流的运移衰减规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出后煤粉运移分选特征、煤与瓦斯两相流冲击压力的演变规律。研究结果表明:在轴向应力为0.54 MPa、瓦斯压力为0.5 MPa时,煤粉相对突出强度为55.1%;突出煤粉有较强分选特性,管道内粒径小于1 mm的煤粉分布呈现沿程递减的趋势,而粒径为1~3mm和粒径大于1 mm的煤粉分布呈现沿程递增的趋势;突出启动后,两相流冲击压力呈先增大后减小的趋势,且增大速率大于其减小速率,冲击压力峰值出现的时间随着突出距离增加而滞后;由于突出瞬间发生,两相流快速喷出,从未完全膨胀状态转化成完全膨胀状态,产生层层叠加压缩波,最终形成冲击波,导致冲击压力峰值在管道前段出现突增现象,整体呈震荡衰减的变化趋势。

关键词：煤与瓦斯突出两相流分选特性冲击压力衰减规律

正断层上盘煤与瓦斯突出特征与地应力场控制机理

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煤田地质与勘探 2022年第4期50卷 61-69页

作者：曹运兴张海洋张震刘高峰河南理工大学煤层气/瓦斯地质工程研究中心河南焦作454000 河南省非常规能源与开发国际联合实验室河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000

断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元。大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控... 详细信息

断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元。大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控制机理尚未完全揭示。基于此,以河南焦作矿区中马村煤矿DF_(4)正断层为地质模型,应用FLAC^(3D)软件,模拟研究煤层埋深分别为660、800、1000 m,对应3种地应力场(σ_(1)最大主应力、σ_(H)最大水平主应力、σ_(h)最小水平主应力、σ_(v)垂向主应力)状态σ_(1)=σ_(H),σ_(1)=σ_(v),σ_(v)=σ_(H)=σ_(h)条件下,采动前和掘进工作面逼近断层面过程中正断层两盘的地应力场变化规律,探索地应力分布对煤与瓦斯突出的作用。结果表明,未采动原始状态下正断层上盘的地应力值高于下盘;无论上盘巷道还是下盘巷道,在掘进工作面逼近断层过程中,断层上盘的地应力值总是高于下盘;特别是,在巷道掘进至断层面附近10 m时,原始地应力与采动应力在断层带发生积聚叠加,地应力值在断层上盘大幅度增高。采动前后地应力在正断层上盘集中升高,可能是导致正断层上盘更容易发生煤与瓦斯突出的决定性因素。此项研究可为预测和防治煤与瓦斯突出灾害提供理论依据。

关键词：煤与瓦斯突出正断层地应力数值模拟

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煤与瓦斯突出危险区超前精细探测技术

煤矿安全 2022年第11期53卷 83-88,97页

作者：朱南南舒龙勇张慧杰陈晓军煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

为实现煤与瓦斯突出的高效精准预测,针对煤与瓦斯突出的地质结构环境特征及现有突出预测指标体系存在的不足,采用钻孔雷达借助掘进工作面施工的区域预测钻孔,开展瓦斯地质异常体的超前精细探测。根据钻孔雷达单孔探测反射信号的时域剖面... 详细信息

为实现煤与瓦斯突出的高效精准预测,针对煤与瓦斯突出的地质结构环境特征及现有突出预测指标体系存在的不足,采用钻孔雷达借助掘进工作面施工的区域预测钻孔,开展瓦斯地质异常体的超前精细探测。根据钻孔雷达单孔探测反射信号的时域剖面,分析其反射信号同相轴的畸变形态和缺失位置以及回波信号的双程走时,揭示出钻孔周围瓦斯地质异常体的类型、规模及距离等关键参数,实现煤与瓦斯突出危险区的精细探测。工程试验表明:在裂隙发育区,钻孔雷达信号反射强烈,且裂隙越发育,信号反射越强;在完整的多孔介质煤体内,存在微弱且稳定的反射信号;而在完整的致密均匀岩体内,反射信号非常微弱,几乎没有;另外,超前精细探测技术在首山一矿的现场应用准确揭示了掘进面前方介质分布的显著差异,结合煤层瓦斯参数随钻快速反演技术,实现了煤与瓦斯突出危险区的精准辨识。

关键词：煤与瓦斯突出钻孔雷达瓦斯地质异常体超前精细探测精准辨识

煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征实验研究

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中国安全生产科学技术 2023年第3期19卷 67-72页

作者：王良成石必明涂庆毅刘义钟珍安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 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淮南232001

为了探究煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征,利用自主研制的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出过程中煤体层裂结构特征、煤体裂隙厚度演化特征和煤体质点运动演化特征。研究结果表明:在轴向应力0.9 MPa、瓦斯压力0.4 MPa时,煤体层裂... 详细信息

为了探究煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征,利用自主研制的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出过程中煤体层裂结构特征、煤体裂隙厚度演化特征和煤体质点运动演化特征。研究结果表明:在轴向应力0.9 MPa、瓦斯压力0.4 MPa时,煤体层裂发展时间持续85 ms,煤体共计出现11处裂隙。层裂从煤体后方的弱构面出现并向前方发展,其位置大多集中于突出腔体中后部,煤体层裂形式均为纵向贯通,在第9处出现最大纵向断裂裂隙。煤体裂隙总厚度约为75.6 mm、单处裂隙平均厚度约为8.4 mm,二者均呈现随时间递增的趋势。层裂过程中煤体单处裂隙厚度并不都是沿程递增的,部分煤体中部裂隙厚度呈现先增大后减小的特征。煤体的运动表现为靠近突出口端的运动速度更快、运动距离也更长。研究结果可为揭示煤与瓦斯突出层裂机制提供参考。

关键词：煤与瓦斯突出层裂特征煤体裂隙失稳

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煤与瓦斯突出模拟试验研究进展及展望

河南理工大学学报（自然科学版） 2022年第1期41卷 1-8页

作者：韩颖吕帅张飞燕董博文河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000 深井岩层控制与瓦斯抽采国家安监局科技支撑平台河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 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

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... 详细信息

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。

关键词：煤与瓦斯突出模拟试验物理试验数值试验模拟装置

煤与瓦斯突出报警和断电综合测试装置设计研究

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煤炭技术 2023年第10期42卷 145-149页

作者：李忠奎吴文臻张子良华冬煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤矿应急避险技术装备工程研究中心北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013

设计了一种煤与瓦斯突出报警和断电综合测试装置及方法,可以实现对煤矿安全监控系统掘进工作面煤与瓦斯突出报警和断电闭锁功能、采煤工作面煤与瓦斯突出报警和断电闭锁功能的准确、高效、自动化测试,另外,还能实现对风电瓦斯闭锁功能... 详细信息

设计了一种煤与瓦斯突出报警和断电综合测试装置及方法,可以实现对煤矿安全监控系统掘进工作面煤与瓦斯突出报警和断电闭锁功能、采煤工作面煤与瓦斯突出报警和断电闭锁功能的准确、高效、自动化测试,另外,还能实现对风电瓦斯闭锁功能及断电时间、分站超限闭锁功能及断电时间、分站故障闭锁功能及断电时间的精确测试。

关键词：煤与瓦斯突出报警和断电综合测试装置风电瓦斯闭锁故障闭锁

煤与瓦斯突出过程中煤体层裂及动力演化特征实验研究

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煤与瓦斯突出过程中煤体层裂及动力演化特征实验研究

作者：王良成安徽理工大学

学位级别：硕士

煤与瓦斯突出是一种极其严重的井下动力事故,煤与瓦斯突出过程中的层裂现象一直是突出演化机理研究的基础问题。因此,为了揭示煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征和动力特征规律,本文在进行了煤样的单轴力学实验和不同气体的吸附实验... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种极其严重的井下动力事故,煤与瓦斯突出过程中的层裂现象一直是突出演化机理研究的基础问题。因此,为了揭示煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征和动力特征规律,本文在进行了煤样的单轴力学实验和不同气体的吸附实验的基础上,自主设计了煤与瓦斯突出模拟实验系统,开展了不同地应力、不同吸附气体、不同煤体强度的煤与瓦斯突出模拟实验,分析了突出过程中煤体在突出腔体内的层裂演化特征及动力特征和突出发生后突出煤粉的突出强度及分布特征。取得了如下的研究成果:1)煤试件的弹性模量和单轴抗压强度随着腐植酸钠浓度的增大而增大。CO气体对煤体的吸附性能大于CH气体大于N气体。2)煤体的层裂主要从煤体后方的弱构面出现并向前方发展,其位置大多集中于突出煤体中后部。煤体裂隙厚度呈现随时间递增的趋势,煤体裂隙在层裂前中期发育迅速,在后期发育较慢。煤体做先加速后减速运动,加速时间小于减速时间。煤体越靠近突出口,煤体运动速度更快、运动距离更长。煤体的层裂发展时间、煤体裂隙总厚度、煤体运移距离均随着应力的增大而增大,随着气体吸附性能的增强而增大,随着煤体强度的增大而减小。3)突出发生后,煤体的气压随时间变化呈衰减趋势,衰减速率由快到慢。不同吸附气体下的煤体气压演化规律略有差异,表现为气体对煤体的吸附性能越强,气压在突出前期的下降速率越慢,气体在突出腔体内的扰动时间越长。煤层应力也随时间变化呈衰减趋势,衰减速率由快到慢。气体对煤体的吸附性能越强,煤层应力在突出前期的下降速率越快;煤体强度越大,煤层应力在突出前期的下降速率越慢。4)应力、吸附气体和煤体强度对煤与瓦斯突出强度均有较大影响,突出强度随着应力的增大而增大,随着气体吸附性能的增大而增大,随着煤体强度的增大而减小。相较于其它二者,吸附气体对于突出强度的影响更大。突出煤粉质量分布呈现沿程震荡衰减的趋势,较多的煤粉分布于管道中部。气体的吸附性能越强,突出距离越远;煤体强度越大,煤粉的突出距离越小。图[44]表[12]参[89]

关键词：煤与瓦斯突出层裂特征煤体裂隙动力特征