深部采动应力影响下煤与瓦斯突出物理模拟试验研究
本文关键词:深部采动应力影响下煤与瓦斯突出物理模拟试验研究
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【摘要】:煤与瓦斯突出是发生在煤矿生产过程中的一种极其复杂的动力现象,是严重威胁国内外煤矿安全生产的自然灾害之一。近年来,随着采掘深度不断增加,地应力与瓦斯压力不断加大,煤炭开采的地质条件和技术条件也日趋复杂,导致煤与瓦斯突出矿井的数目不断增多,突出次数也日益频繁,同时由于煤矿井下开采活动,使煤岩体中地应力场发生变化,在掘进工作面或回采工作面前方将形成由卸压区、应力集中区和原始应力区组成的“三带”,给煤与瓦斯突出的预防与治理带来更大的困难。基于煤与瓦斯突出的综合作用假说,本文在对成型煤样进行基本物理力学参数测定的基础上,利用煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室(重庆大学)自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统和美国声学物理公司生产的PCI-2型声发射系统进行了深部采动条件下不同应力集中系数对煤与瓦斯突出影响的物理模拟试验,对试验过程中储层气压、煤体温度、煤体声发射特性、煤体变形、打击力特性、突出强度、突出煤粉的分选性、突出孔洞等进行了研究,取得了以下主要成果:(1)从煤与瓦斯突出的孕育到突出终止过程中,储层气压和煤体温度在时空演化规律上较为一致:抽真空过程中,气压下降、温度随之下降;充气吸附过程中,气压上升、温度随之上升;突出过程中气压和温度都表现为先迅速下降然后慢慢趋于稳定,且距突出口距离越近,气压和温度下降越快、下降量越大,其中突出口附近气压出现多次上升再下降现象。煤体声发射特性表现为:AE计数和AE能量在煤与瓦斯突出孕育阶段较弱,在突出阶段较强,当突出之后气压和温度趋于稳定时,无明显声发射信号。(2)突出的发展是煤体由突出启动点向周围逐渐破坏并抛出的过程,且突出过程具有阵发性,表现为煤体的间歇式多次抛出以及气压和打击力的反复升降;突出过程中气压等压面近似以突出口为球心呈球面分布,且气体解吸区域近似呈球壳状逐渐向外扩展,球壳附近气压梯度较大。煤与瓦斯突出过程对突出煤粉具有明显的分选性:突出后大粒径煤粉质量比例下降,小粒径煤粉质量比例上升,并且小粒径煤粉主要分布在突出区域中部。(3)应力集中系数(K)对煤与瓦斯突出具有显著的影响:K值越大,应力加载过程中煤体应变越大、突出过程中气压下降越慢、突出过程中AE计数和AE能量峰值越高、突出过程中打击力峰值越高、相对突出强度越大、突出孔洞体积越大、煤粉的分选作用越明显。而突出过程中煤体温度的变化与K值关系不大。
【关键词】:煤与瓦斯突出 物理模拟 采动应力 应力集中系数 时空演化
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TD713
【目录】:
- 中文摘要3-5
- 英文摘要5-9
- 1 绪论9-19
- 1.1 问题的提出及研究意义9-10
- 1.2 国内外研究现状10-16
- 1.2.1 煤与瓦斯突出机理10-11
- 1.2.2 煤与瓦斯突出物理模拟试验研究11-13
- 1.2.3 深部采动条件下采动应力分布规律研究13-16
- 1.3 研究内容及技术路线16-19
- 1.3.1 研究内容16-18
- 1.3.2 技术路线18-19
- 2 煤与瓦斯突出过程物理模拟试验方法19-35
- 2.1 煤样采集与加工19-22
- 2.1.1 煤样采集19-20
- 2.1.2 试件制作20-22
- 2.2 物理模拟试验研究系统22-28
- 2.2.1 试验装置22-23
- 2.2.2 模型相似常数23-24
- 2.2.3 模型坐标系24-28
- 2.3 物理模拟试验研究方案与步骤28-34
- 2.3.1 深部采动条件下采动应力分布规律与试验方案制定28-29
- 2.3.2 试验步骤29-34
- 2.4 本章小结34-35
- 3 煤基本物理力学性质测试分析35-49
- 3.1 工业分析35
- 3.2 孔隙特征分析35-42
- 3.2.1 表面孔隙结构36-40
- 3.2.2 内部孔隙结构40-42
- 3.3 模型煤样渗透特性42-45
- 3.4 模型煤样力学特性45-47
- 3.5 本章小结47-49
- 4 煤与瓦斯突出过程动力学演化特征49-75
- 4.1 煤与瓦斯突出全过程分析49-51
- 4.2 煤与瓦斯突出孕育过程51-61
- 4.2.1 抽真空51-54
- 4.2.2 应力加载54-57
- 4.2.3 充气吸附57-61
- 4.3 煤与瓦斯突出动力学演化特征61-70
- 4.3.1 突出过程中的气压演化规律61-66
- 4.3.2 突出过程中的温度演化规律66-68
- 4.3.3 突出过程中的声发射特性68-69
- 4.3.4 突出过程中的打击力演化规律69-70
- 4.4 煤与瓦斯突出过程中煤粉的抛出特征70-74
- 4.4.1 突出强度70-71
- 4.4.2 突出孔洞形态71
- 4.4.3 突出煤粉分选性71-74
- 4.5 本章小结74-75
- 5 深部采动应力对煤与瓦斯突出影响分析75-91
- 5.1 应力集中系数对煤与瓦斯突出孕育过程的影响75-77
- 5.2 应力集中系数对煤与瓦斯突出发展过程的影响77-81
- 5.2.1 应力集中系数对气压演化的影响77-79
- 5.2.2 应力集中系数对温度演化的影响79
- 5.2.3 应力集中系数对声发射特性的影响79-81
- 5.2.4 应力集中系数对打击力演化的影响81
- 5.3 应力集中系数对煤粉抛出特征的影响81-90
- 5.3.1 应力集中系数对突出强度的影响81-83
- 5.3.2 应力集中系数对突出孔洞形态的影响83-86
- 5.3.3 应力集中系数对突出煤粉分选性的影响86-90
- 5.4 本章小结90-91
- 6 结论与展望91-93
- 6.1 主要结论91-92
- 6.2 后续研究工作展望92-93
- 致谢93-95
- 参考文献95-101
- 附录101
- A作者在学习期间发表的论文101
- B作者在学习期间参加的科研项目101
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