应力主导的煤与瓦斯突出模拟实验研究

摘要

我国煤与瓦斯突出灾害非常严重。随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力与含量、地温不断升高，应力、瓦斯和煤岩体耦合规律更加复杂，各种灾害事故愈发严重。在瓦斯抽采达标的情况下，以应力为主导的煤与瓦斯突出事故仍时有发生，已严重制约煤炭的安全开采。　　相似模拟是研究突出机理与防控技术的有效途径之一。依托瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室的深井煤与瓦斯突出全过程高刚度实验系统，开展了煤与瓦斯突出主控因素分析及物理模拟相似设计，为煤与瓦斯突出物理模拟试验提供理论支撑；对突出煤的物理重构进行了研究，建立了突出煤相似材料配比模型；利用深井煤与瓦斯突出全过程高刚度实验系统，完成了应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验，分析了应力主导的突出过程中突出孔洞周围的应力-瓦斯压力-温度演化规律以及突出煤巷道内分布特征；构建了煤与瓦斯突出全过程中多物理场参数分析模型，探讨了应力主导的煤与瓦斯突出全过程中多物理场参数响应规律和应力对煤与瓦斯突出发生的能量条件的影响。本文取得以下主要研究成果：　　(1)基于PCA-Morris筛选法探讨了影响煤与瓦斯突出强度的主控因素，根据主成分选择标准，选定瓦斯压力、应力、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度和孔隙率为影响煤与瓦斯突出强度大小的主控因素；并且利用敏感性分析得到瓦斯压力和应力为灵敏参数，坚固性系数和瓦斯放散初速度为中等灵敏参数，孔隙率为低灵敏参数。　　(2)研究了原材料和工艺环境对相似材料的影响，建立了突出煤相似材料物理重构方法，通过3因素5水平25组相似材料配比实验，得到了基于固定工艺下力学特性、吸附解吸特性以及渗流特性整体相似的相似材料配比模型。并且验证各试验指标与目标值之间差异较小，其中单轴抗压强度的误差均小于20%，弹性模量、瓦斯放散初速度和孔隙率的误差均小于10%。　　(3)以丁集“4?19”突出事故为原型，开展了应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验。在应力16MPa和瓦斯压力0.5MPa条件下试验中突出煤量为18.09kg，经计算，应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验中，瓦斯内能大于煤岩体的弹性潜能，瓦斯内能占总能量的75%，瓦斯内能仍然是煤与瓦斯突出的最主要能量来源，在突出过程中起主导作用。但可以发现应力主导的煤与瓦斯突出弹性潜能可以占到22%，随着开采深度的不断增加，弹性潜能愈发重要。　　(4)物理模拟试验揭示了煤与瓦斯突出发生过程中突出孔洞周围煤岩体内的应力-瓦斯压力-温度的演化规律。突出发生后应力变化量随着距突出口距离的增加逐渐减小。另一方面，煤体内的瓦斯压力变化激烈，并且在下降的过程中出现多次振荡，最大回弹幅度为0.05MPa。靠近突出口位置瓦斯压力下降速率最快，接近0.05MPa/s，瓦斯压力下降速率随着距突出口距离的增加逐渐减小。　　(5)基于煤与瓦斯突出全过程的热-流-固物理演化规律和物理模拟试验，构建了突出过程多物理场数值分析模型，利用COMSOL多物理场耦合软件，分析了应力主导的煤与瓦斯突出过程中突出孔洞周围煤岩体内不同区域不同时间节点内的应力场-瓦斯压力场-温度场-渗流场物理参数响应规律。　　(6)利用煤与瓦斯突出能量模型，还原了丁集“4?19”突出事故发生的力学条件，定量分析了丁集煤矿煤与瓦斯突出发生的临界瓦斯压力与应力的变化关系。随着应力的增加，弹性潜能占总煤与瓦斯突出能量的比例不断增加，弹性潜能占比与应力呈正相关关系。满足煤与瓦斯突出发生能量条件的临界瓦斯压力随着应力的增加逐渐减小，表明在高应力条件下，较小的瓦斯压力也同样可以满足煤与瓦斯突出发生的能量条件，同样具有煤与瓦斯突出发生的风险。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

2 煤与瓦斯突出主控因素筛选及物理模拟相似设计

2.1 煤与瓦斯突出能量模型

2.2 基于PCA-Morris筛选法的煤与瓦斯突出主控因素分析

2.3 煤与瓦斯突出物理模拟相似设计

2.4 本章小结

3 突出煤相似材料物理重构

3.1 突出煤相似材料原料及工艺环境确定

3.2 突出相似材料配比模型

3.3 相似材料配比模型合理性验证

3.4 突出煤相似材料的渗流试验及优选

3.5 本章小结

4 应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验

4.1 丁集矿“4·19”煤与瓦斯突出原型

4.2 深井煤与瓦斯突出全过程高刚度实验系统

4.3 应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验方案

4.4 应力主导的煤与瓦斯突出突出煤分布特征研究

4.5 应力主导的煤与瓦斯突出全过程应力-瓦斯压力-温度演化规律

4.6 应力主导的煤与瓦斯突出物理模拟试验还原性分析

4.7 本章小结

5 应力主导的突出全过程中多物理场参数响应

5.1 煤与瓦斯突出全过程多场相互耦合作用

5.2 基于物理模拟试验的数值分析

5.3 丁集矿“4?19”突出事故中多物理场参数响应

5.4 不同应力条件下煤与瓦斯突出多物理场参数响应规律

5.5 应力对煤与瓦斯突出发生的能量条件的影响

5.6 本章小结

6 结论及展望

6.1 本文主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况

C 作者在攻读博士学位期间所获奖励

D 学位论文数据集

致谢