煤與瓦斯突出能量分析及其物理模擬的相似性研究.pdf

1、煤炭是我國(guó)的主體能源，2015年，煤炭在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重約為64％，并且在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會(huì)變化。我國(guó)煤炭開(kāi)采條件復(fù)雜，特別是煤與瓦斯突出事故無(wú)論在事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)上都處在煤礦事故的前列，煤與瓦斯突出已成為煤炭安全生產(chǎn)的挑戰(zhàn)性難題。加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)突出的影響因素、產(chǎn)生條件和發(fā)展過(guò)程，有利于加深對(duì)突出的認(rèn)識(shí)。加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯突出物理模擬的相似性研究有利于從相似模擬試驗(yàn)角度研究突出機(jī)理與規(guī)律

2、。
　　本文對(duì)型煤試件的煤體彈性能、瓦斯膨脹能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)分析，得出了型煤試件變形破壞過(guò)程中的能量變化規(guī)律;對(duì)煤與瓦斯突出的煤體彈性能、瓦斯膨脹能等主要潛能和煤體破碎功、拋出功等主要耗能進(jìn)行了理論分析，構(gòu)建了能量方程，分析了突出的主要能量來(lái)源;本文分析了相似準(zhǔn)則的建立方法和難點(diǎn)，開(kāi)展了煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則研究;在相似準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，研制了煤巖相似材料和瓦斯相似氣體，滿足“固-氣”耦合模擬試驗(yàn)需求;分析了當(dāng)前煤與瓦斯突出模

3、擬試驗(yàn)儀器的優(yōu)勢(shì)和不足，研發(fā)了大型相似模擬試驗(yàn)儀器。研究獲得的結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
　　(1)型煤試件在單軸壓縮下發(fā)生能量交換，輸入的總能量有一部分轉(zhuǎn)換為彈性能，峰值強(qiáng)度附近彈性能達(dá)到最大，占總能量輸入的70％左右，峰值強(qiáng)度后彈性能迅速釋放。型煤試件的瓦斯膨脹能在峰值強(qiáng)度以前變化不大，峰值強(qiáng)度時(shí)驟然增大25％以上，引起突出潛能的突變。
　　(2)煤體彈性能、瓦斯膨脹能是突出的主要能量，煤體破碎功和拋出功是能量的主要耗

4、散方式。得出了突出潛能和突出耗能的計(jì)算方法，并得出了符合量綱和諧原理的煤與瓦斯突出能量方程。開(kāi)展了能量方程的數(shù)值解算，得出瓦斯膨脹能是突出的最主要能量，比煤體彈性能大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
　　(3)基于能量方程推導(dǎo)得出了相似準(zhǔn)則，得到了容重、孔隙率、吸附性、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)關(guān)系的相似準(zhǔn)數(shù)。根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)得出了一組方便實(shí)用的相似比尺。
　　(4)腐植酸鈉水溶液作為煤巖相似材料膠結(jié)劑基本不改變煤體吸附性，且膠結(jié)

5、劑濃度能夠調(diào)節(jié)相似材料的強(qiáng)度性質(zhì)，15MPa下相似材料容重、孔隙率與原煤比較一致。該相似材料十分切合煤體的物理力學(xué)特性和相似準(zhǔn)則要求。
　　不同濃度配比的CO2+N2二元混合氣體作為甲烷氣體的相似氣體十分理想，并且相似度和安全性更高。
　　(5)構(gòu)建了以模型反力與密封單元、地應(yīng)力加載與控制單元、瓦斯氣體加載與控制單元、微型巷道掘進(jìn)與控制單元、多物理量信息獲取單元為主要模塊的大型煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)裝置。研制的試驗(yàn)儀器模型