构造带煤与瓦斯突出机理研究

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随着我国经济快速发展,能源需求持续增加,在目前煤炭资源仍占据着主体地位情况下,煤炭开采越来越向深部延伸,煤层瓦斯赋存特性会变得更加复杂。虽然国家已投入了大量的精力来防范煤矿灾害的发生,但是以煤与瓦斯突出为主的煤矿动力灾害并没有减少。已有的突出统计资料显示,绝大多数的突出发生在断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度和倾角变化等地质构造带,煤层地质构造与突出灾害已经有着不可分割的联系。因此,本文围绕构造带煤与瓦斯突出的关键致灾因素,选用自主研发的突出试验设备,开展了构造带煤在不同二氧化碳气体压力下的吸附变形试验,分析了应力约束下的煤样吸附变形规律,同时构建了应力下煤样吸附气体的变形模型。通过进行构造带煤样在不同二氧化碳压力、不同轴压和围压条件下的突出试验,分别探讨了瓦斯和应力对煤与瓦斯突出的作用规律。通过低应力、不同二氧化碳气体压力下型煤的突出试验,获得了气体驱动下煤与瓦斯突出过程的能量演化规律。具体成果如下:(1)分析构造煤样表观形貌、孔隙结构和渗流等特征,发现其独特的构造特征可储存大量瓦斯,并能够提供瓦斯快速释放的通道,导致强烈的煤与瓦斯突出现象。同时证实了构造带的瓦斯气体相比非地质构造区域会更多、更容易、更迅速的从煤层中释放出来,严重的瓦斯灾害更容易出现在构造带。(2)分析气体在突出发生前的孕育阶段对煤体的作用规律,结合理论公式推导获得了构造煤样吸附气体的变形模型。应力约束下,构造煤对CO2气体的等温吸附曲线仍满足Langmuir方程,同时其吸附变形过程具有3个明显的阶段性特征。(3)通过不同CO2气体压力、不同应力下构造带煤与瓦斯突出试验,获得了不同条件下煤样的损伤特征。当气体压力为2.0 MPa时,试验后的煤样大部分保持完整,随着轴压或围压的增大,煤样突出破坏程度有减小的趋势。但是气体压力为2.4 MPa时,试验后煤样几乎被完全破碎,增大轴压或围压,突出强度也会变大。同时测量分析了突出后的突出口气体压力变化以及煤粉分布情况,获得了预判煤样突出破坏的一套分析方法。发现煤体粉化作用随突出强度增大而趋于一个稳定值,但其微粉化作用随突出强度的增大而增大。(4)开展由构造煤粉压制成的型煤的突出试验,通过定量计算发现,气体搬运功所耗散的能量很少,比破碎功要小23个数量级;对比气体膨胀能和煤体的破碎功,认为突出过程是游离气体和吸附气体共同作用的结果;同时,可发现游离气体膨胀能随气体压力的增大越接近破碎功的大小,当气体增大到一定程度,煤样的大部分仅在游离气体的作用下就能被破碎。结合以上成果,认为在构造带区域,局部高瓦斯富集区和软分层破碎煤体的存在,导致了构造带煤与瓦斯突出主要受气体驱动的控制。通过构造煤表观形貌、孔隙结构和渗流等特征,可认为构造煤的独特结构能够赋存丰富的瓦斯气体,是突出发生的动力基础;而构造煤的强渗透性能够给瓦斯提供快速释放的通道,使突出能够持续的发生。通过构造带煤与瓦斯突出各阶段的演化规律,可认为煤矿开采中,当构造带煤层稳定环境被突然打破,煤层内部的高压瓦斯与低压的外部环境形成了较大的压力梯度,其产生的卸载波会使煤体瞬间破坏并抛出;当破碎煤体抛出到一定程度的时候,剩下的煤体解吸释放出来的瓦斯较少,不足以破坏并抛出较完整的煤体,突出终止。
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