煤礦瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù)進(jìn)展(編輯修改稿)
2025-02-17 18:42 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 綜合作用假說” ，該假說認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果。 ?“綜合作用假說” 對(duì)突出防治起到了一定作用，但它是基于突出的直觀突變現(xiàn)象提出的，只能對(duì)部分現(xiàn)象進(jìn)行定性解釋。不能解釋的突出現(xiàn)象：突出煤體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于突出空洞體積，有的甚至無空洞；延期突出；距突出地點(diǎn)數(shù)十米處的煤發(fā)生流動(dòng)；打鉆孔時(shí)鉆粉量劇增、噴孔、卡鉆、頂鉆等。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?煤與瓦斯突出假說 ? 以前均將含瓦斯煤按氣固兩相介質(zhì)用 Terzaghi有效應(yīng)力原理描述。 ? 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)占煤體中瓦斯量 90%的吸附瓦斯使含瓦斯煤的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同于普通的巖石介質(zhì)。吸附瓦斯對(duì)煤具有較強(qiáng)的“蝕損”作用；使含瓦斯煤具有“三相介質(zhì)屬性”。 ? 吸附瓦斯使煤體發(fā)生膨脹變形及強(qiáng)度降低；瓦斯解吸使煤體發(fā)生收縮變形及強(qiáng)度增高；孔隙瓦斯對(duì)煤破具有脆化作用，破壞前孔隙瓦斯幫助煤支撐外力，破壞開始后孔隙瓦斯加速破壞煤體。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?煤吸附瓦斯后膨脹變形、膨脹應(yīng)力及循環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線 煤吸附瓦斯后的膨脹變形024680 1 2 3 P（MPa）E（0/00）淮南陽泉紅衛(wèi)煤樣膨脹應(yīng)力與孔隙氣體壓力的關(guān)系024680 1 2 3 4 5P（MPa）（MPa）0/00CO2CH4瓦斯壓力與膨脹變形的關(guān)系a012345670 2 4 6 8P CH4ε 1031，2平行層理方向3，4垂直層理方向瓦斯壓力與膨脹變形（ b ）0120 1 2 3 4 5 6PCH4（MPa）ε 1031，2平行層理方向3，4垂直層理方向煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?吸附瓦斯對(duì)煤蝕損作用的理論關(guān)系 煤吸附瓦斯后強(qiáng)度降低比率24681012468101268101200 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 90 2 4 6 8 10 12S 3 （M p a ）1 . P = 2 M p a ，2 . P = 4 ，3 . P = 6k=（S1S1p）/S11 2 3這些現(xiàn)象都無法用 Terzaghi的純力學(xué)作用原理進(jìn)行描述。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?吸附瓦斯對(duì)煤蝕損效應(yīng)的理論關(guān)系 摩爾體積吸附量，面積，真空表面能，真空強(qiáng)度，???????????????000002001)()1l n (VVSdppVSVRTbPVa K R Topc??????這些研究結(jié)果得到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際現(xiàn)象的驗(yàn)證，并應(yīng)用于煤礦瓦斯防治，也為突出機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?煤與瓦斯突出流變機(jī)理的提出 ?根據(jù)事物從量變到質(zhì)變的原理，首次用流變的觀點(diǎn)對(duì)突出災(zāi)害的過程進(jìn)行研究。 ?實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含瓦斯煤是一種強(qiáng)流變介質(zhì)。流變達(dá)到一定程度后才會(huì)產(chǎn)生突變。突出過程是含瓦斯煤的流變 突變過程。 ?得出了含瓦斯煤流變破壞的基本理論模型和規(guī)律。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ?流變現(xiàn)象 ,H,coal spacimens05101520250 1 2 3 4 5 6t(1000min )E0/00D5(PCO2=2MPa)D6(PCO2=1MPa)D23(PN2=2MPa)含瓦斯煤不同孔隙氣體和壓力條件下的蠕變曲線 E2(б1б3)050010001500202225003000350040000 5 10 15 20б1б3(MPa)E1(MPa)D5D6D23E1(б1б3)0501001502002503003500 5 10 15 20б1б3(MPa)E1(MPa)D5D6D23含瓦斯煤流變破壞過程中彈性模量變化 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和含瓦斯煤體流變本構(gòu)關(guān)系，建立了含瓦斯煤體的變形與地應(yīng)力、煤層瓦斯、煤的物理力學(xué)性質(zhì)和時(shí)間的耦合作用關(guān)系。在有效應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度的條件下，含瓦斯煤體經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定變形量后，進(jìn)入發(fā)生加速流變破壞階段，發(fā)生突出。 ? 研究發(fā)現(xiàn)了采掘工作面前方含瓦斯煤體存在三個(gè)流變階段和四個(gè)流變區(qū)域；提出了煤與瓦斯突出的流變機(jī)理，揭示了煤與瓦斯突出準(zhǔn)備、發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束四個(gè)階段的流變演化過程。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ? 采掘空間周圍含瓦斯煤體流變狀態(tài)隨時(shí)間而變化，按時(shí)間順序采掘空間前方的含瓦斯煤體經(jīng)歷瞬態(tài)流變、動(dòng)態(tài)流變和蠕變?nèi)A段；按空間位置存在流變松弛區(qū)域 A、強(qiáng)流變區(qū)域 C、弱流變區(qū)域 B以及原始應(yīng)力區(qū)。 ? 采掘作業(yè)完成后，當(dāng) C區(qū)的有效應(yīng)力大于含瓦斯煤體的瞬時(shí)強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域的煤體經(jīng)歷瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)流變，很快（幾秒到幾分鐘）進(jìn)入加速破壞階段，發(fā)生瞬時(shí)煤與瓦斯突出；當(dāng) C區(qū)的有效應(yīng)力大于含瓦斯煤體的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域的煤體經(jīng)歷瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)流變，進(jìn)入蠕變階段，經(jīng)歷一段時(shí)間（幾分鐘到幾小時(shí)）后進(jìn)入加速破壞階段，發(fā)生延期煤與瓦斯突出；當(dāng) C區(qū)的有效應(yīng)力小于含瓦斯煤體的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域的煤體經(jīng)歷瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)流變，進(jìn)入蠕變階段，但不會(huì)進(jìn)入加速破壞階段，不發(fā)生突出。 煤與瓦斯突出流變機(jī)理 ? 突出發(fā)動(dòng)后，突出的發(fā)展過程是含瓦斯煤體在動(dòng)態(tài)集中應(yīng)力作用下產(chǎn)生瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)流變，使該區(qū)域含瓦斯煤體進(jìn)一步破壞的結(jié)果；整個(gè)突出過程是由一個(gè)或多個(gè)這樣的含瓦斯煤體流變破壞并被粉碎、搬運(yùn)的連續(xù)過程組成。當(dāng)維持含瓦斯煤體連續(xù)破壞的有效應(yīng)力下降，或前方煤體的強(qiáng)度增加、瓦斯壓力降低時(shí)，含瓦斯煤體破壞終止，瓦斯突出結(jié)束。 ? 突出的流變機(jī)理揭示，延期突出是在高集中應(yīng)力和高瓦斯壓力作用下，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間蠕變準(zhǔn)備階段，強(qiáng)流變區(qū)域內(nèi)含瓦斯煤體進(jìn)入加速破壞階段，導(dǎo)致含瓦斯煤體快速破壞并被拋向采掘空間的過程；含瓦斯煤體在蠕變準(zhǔn)備階段延續(xù)的時(shí)間就是突出的延期時(shí)間。瞬時(shí)突出與延期突出差別在于蠕變準(zhǔn)備期的長(zhǎng)短。 煤與瓦斯突出流變機(jī)
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