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煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究

欧建春  
【摘要】:煤与瓦斯突出是一种严重的矿井动力灾害。国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机理进行了大量的研究,但是仍然不能满足对煤与瓦斯突出准确预测的要求。尤其是近年来,随着煤矿开采强度、深度的增加,突出问题变得更加严峻。煤与瓦斯突出演化过程及机理,仍然是一个亟待解决的问题。本文建立能模拟不同瓦斯压力、应力以及不同煤体条件下的煤与瓦斯突出实验系统,利用该系统开展大量的实验研究,结合理论分析和数值模拟研究煤体、地应力和瓦斯压力对突出的影响规律,确定突出的发生条件;实时监测分析突出过程中煤体裂隙及电磁辐射、声发射和电位信号的变化规律,揭示煤与瓦斯突出演化过程,并进行了现场验证。本文取得了以下主要研究成果: (1)研发了煤与瓦斯突出模拟实验系统,可模拟不同的载荷、瓦斯压力和煤体及不同诱导方式条件下的煤与瓦斯突出,能够实现突出模拟过程中煤体破裂演化的实时观测,载荷、瓦斯压力和温度的连续采集及电磁辐射、声发射和电位信号的实时监测。 (2)通过大量系统的实验,研究了不同条件下的煤与瓦斯突出,结合理论分析和数值模拟研究了煤与瓦斯突出的发生规律,揭示了煤与瓦斯突出影响因素(煤体、应力和瓦斯压力)的耦合关系,确定了突出发生的条件。结果表明:突出临界瓦斯压力值与应力值呈线性负相关,应力越大,发生突出所需瓦斯压力越小;提出了临界瓦斯压力实验确定方法,研究并确定了九里山矿突出临界瓦斯压力值;揭示了硬煤突出的规律。 (3)测试分析了突出演化过程中煤体的声电信号特征规律,揭示了突出过程声电信号变化规律;实时观测和分析了突出过程中煤体破裂演化过程,并研究了突出过程中裂纹分形维数的变化规律,揭示了煤与瓦斯突出演化过程。 (4)通过实验测试、理论分析并结合数值模拟的方法,研究了煤体、地应力和瓦斯压力在突出过程中的时空演化特征及影响规律,提出了煤与瓦斯突出的时空耦合跃迁失稳机理。 (5)现场实时监测并分析井下掘进工作面水力掏槽、放炮过程中的电磁辐射、声发射信号规律,结果表明,电磁辐射和声发射超前于瓦斯涌出,并能较好的反应巷道前方的突出危险性,验证了煤与瓦斯突出演化过程。


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