煤与瓦斯突出孔洞形成机理及突出能量源的实验与理论研究

• 作 者: 郑权
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 突出孔洞 瓦斯吸附/解吸 瓦斯渗流 煤体弹性能 瓦斯膨胀能

我国是煤与瓦斯突出最严重、危害性最大的国家之一，严重威胁煤矿的安全生产。随开采深度的增加，面临高地应力、瓦斯含量高、瓦斯压力大、透气性极低等难题，煤与瓦斯突出越来越严重，因此论文开展煤与瓦斯突出孔洞形成机理及突出能量源的实验与理论研究，具有重要的科学意义与实用价值。在研究过程中拟解决以下关键问题：基于力学方法研究突出孔洞的形成和演化，从理论上圈定突出孔洞形态；瓦斯吸附、解吸与渗流规律；从能量理论出发，研究突出过程中的能量源，进一步揭示煤与瓦斯突出机理。论文通过典型突出案例分析，采用实验研究、理论研究、数值模拟相结合，取得的主要结论有：（1）通过煤与瓦斯突出现场资料和实验室模拟结果，分析了地质构造、地应力、瓦斯压力、煤体物理力学性质对煤与瓦斯突出的影响，总结了突出的一般规律和突出孔洞的形态。（2）基于应力判据、应变判据、瓦斯突出时间预测理论，根据突出目标点的地质资料，建立了煤巷掘进工作面数值分析模型，分析了巷道开挖过程中突出孔洞的形态，计算了可能发生突出的时间。（3）实验研究了甲烷的吸附、解吸特性，得出煤对甲烷的吸附属于Ⅰ类吸附，可以用Langmuir方程、BET方程、D-R方程进行较好的描述。解吸规律可以用经验公式、扩散模型、渗透模型来描述，其中扩散模型能很好地描述煤中甲烷气体的解吸规律。（4）实验研究了瓦斯渗流特性，当有效轴向应力与有效围压之比的逐渐增大，煤样的渗透率与有效体应力呈先减小，后增大的趋势；当有效轴向应力与有效围压之比一定时，煤样的渗透率随有效体应力的增大而减小，后趋平缓，且渗透率与有效体应力呈负指数函数关系。（5）基于煤与瓦斯突出能量理论，实验研究了煤体弹性能与气体膨胀能，得出煤体的单位体积弹性能与体应力之间呈幂函数关系；气体膨胀能与气体压力呈线性关系，且与煤体含水量、密实度、气体压力密切相关。（6）实验研究了煤与瓦斯突出过程中煤体的破碎能，得出新表面说、相似说、裂纹说能解释煤体破碎的机理，其中裂纹说能很好地描述煤体破碎能与块度之间的关系，其破碎比功W与1/（d_m）^1/2之间呈线性关系。