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包郵 用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗(yàn)儀器及應(yīng)用
作者：袁亮，王漢鵬等
開本：
B5
頁數(shù)：
288
本類榜單：工業(yè)技術(shù)銷量榜
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用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗(yàn)儀器及應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030598868
- 條形碼：9787030598868 ; 978-7-03-059886-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗(yàn)儀器及應(yīng)用 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書針對(duì)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題，在相似理論、相似材料、儀器系統(tǒng)、功能技術(shù)、方法工藝取得重要突破與創(chuàng)新：構(gòu)建完善煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則，研發(fā)含瓦斯煤、低滲性巖層等相似材料，研發(fā)了用于含瓦斯煤物理力學(xué)特性研究的六套基礎(chǔ)試驗(yàn)儀器，研發(fā)了以巷道掘進(jìn)誘突為目標(biāo)的多尺度煤與瓦斯突出定量模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，創(chuàng)建煤層高壓氣體“三層密封”方法，創(chuàng)建“煤層預(yù)制+巖層現(xiàn)澆”的模式化試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞣椒ā?/p>
用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗(yàn)儀器及應(yīng)用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究意義 1
1.1.1 煤炭是我國主體能源 1
1.1.2 煤與瓦斯突出災(zāi)害及其機(jī)理亟待突破 1
1.2 煤與瓦斯突出災(zāi)害及假說 4
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 10
1.3.1 研究現(xiàn)狀 10
1.3.2 存在的問題與不足 14
1.4 主要研究?jī)?nèi)容與方法 14
1.5 研究目標(biāo) 16
1.6 主要?jiǎng)?chuàng)新與進(jìn)展 17
參考文獻(xiàn) 19
第2章 煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則創(chuàng)建 22
2.1 煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則進(jìn)展 23
2.2 固氣耦合模型及相似轉(zhuǎn)化 24
2.2.1 煤與瓦斯突出準(zhǔn)備階段數(shù)學(xué)模型 24
2.2.2 準(zhǔn)備階段數(shù)學(xué)模型的相似轉(zhuǎn)化 24
2.3 能量模型及其相似轉(zhuǎn)化 26
2.3.1 煤與瓦斯突出能量模型 26
2.3.2 能量模型的相似轉(zhuǎn)化 28
2.4 煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則建立及其相似性分析 29
2.4.1 相似準(zhǔn)數(shù)選取 29
2.4.2 煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則建立 29
2.4.3 相似準(zhǔn)則相似性分析 30
2.5 相似準(zhǔn)則相似性分析與驗(yàn)證 31
2.6 小結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
第3章 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料研發(fā) 35
3.1 煤的物理力學(xué)特性及相似材料研究進(jìn)展 35
3.1.1 煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征 35
3.1.2 煤的吸附解吸特性 36
3.1.3 煤的放散特性 37
3.1.4 煤的力學(xué)特性 38
3.1.5 煤巖相似材料研究進(jìn)展 39
3.2 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料選擇與制備 39
3.2.1 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料選擇 39
3.2.2 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料試件的制作 41
3.3 基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試 43
3.4 影響因素分析 47
3.4.1 容重和孔隙率 47
3.4.2 吸附性 48
3.4.3 單軸抗壓強(qiáng)度 49
3.4.4 彈性模量 50
3.4.5 內(nèi)聚力 50
3.4.6 內(nèi)摩擦角、泊松比 51
3.5 含瓦斯煤相似材料的優(yōu)勢(shì) 51
3.6 小結(jié) 52
參考文獻(xiàn) 52
第4章 低滲透性巖層相似材料研發(fā) 54
4.1 巖層特性及低滲性相似材料研究進(jìn)展 54
4.2 低滲性巖層相似材料選擇 55
4.3 基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試 56
4.3.1 測(cè)試方案 56
4.3.2 物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法 57
4.4 影響因素分析 58
4.4.1 密度 59
4.4.2 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量 59
4.4.3 滲透率 61
4.5 材料適用性分析 62
4.6 小結(jié) 63
參考文獻(xiàn) 64
第5章 本安型瓦斯相似氣體研發(fā) 66
5.1 瓦斯特性與本安型瓦斯相似氣體 66
5.2 相似指標(biāo)與氣體篩選 66
5.2.1 相似指標(biāo) 66
5.2.2 氣體篩選 68
5.3 相似指標(biāo)測(cè)定與結(jié)果分析 69
5.3.1 瓦斯/氣體含量Q測(cè)定 69
5.3.2 瓦斯/氣體放散初速度△P測(cè)定 71
5.3.3 初始釋放瓦斯/氣體膨脹能Wp測(cè)定 72
5.3.4 含瓦斯/氣體煤力學(xué)性質(zhì)Rc測(cè)定 74
5.4 瓦斯與相似氣體的相關(guān)性分析 75
5.5 小結(jié) 76
參考文獻(xiàn) 76
第6章 相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)儀器的研發(fā) 78
6.1 可視化恒容固氣耦合試驗(yàn)儀研發(fā) 78
6.1.1 研發(fā)意義 78
6.1.2 儀器構(gòu)成與原理 79
6.1.3 儀器功能與技術(shù)指標(biāo) 80
6.1.4 儀器詳細(xì)介紹 81
6.1.5 沖擊力測(cè)試 84
6.2 標(biāo)準(zhǔn)試件環(huán)向位移測(cè)試系統(tǒng)研發(fā) 87
6.2.1 研發(fā)意義 87
6.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 89
6.2.3 測(cè)試方法與原理 89
6.2.4 系統(tǒng)主要參數(shù) 91
6.2.5 系統(tǒng)測(cè)試精度驗(yàn)證 91
6.3 巖石三軸力學(xué)滲透測(cè)試儀研發(fā) 93
6.3.1 研發(fā)意義 93
6.3.2 儀器功能與技術(shù)參數(shù) 94
6.3.3 儀器構(gòu)成與各部分關(guān)鍵技術(shù) 95
6.3.4 儀器操作流程 100
6.4 瓦斯膨脹能測(cè)定儀優(yōu)化改進(jìn) 101
6.4.1 研發(fā)意義 101
6.4.2 測(cè)定原理 102
6.4.3 設(shè)計(jì)思路與儀器構(gòu)成 103
6.4.4 儀器優(yōu)化改進(jìn)與性能指標(biāo) 104
6.5 煤粒瓦斯放散測(cè)定儀研發(fā) 107
6.5.1 研發(fā)意義 107
6.5.2 儀器構(gòu)成與簡(jiǎn)介 107
6.5.3 測(cè)量原理及方法 109
6.6 相似材料滲透率測(cè)試儀研發(fā) 110
6.6.1 研發(fā)意義 110
6.6.2 儀器簡(jiǎn)介和工作原理 110
6.7 基礎(chǔ)試驗(yàn)儀器的應(yīng)用 112
6.7.1 含瓦斯煤力學(xué)特性研究 112
6.7.2 煤巖吸附瓦斯放散特性研究 133
6.7.3 瓦斯膨脹能影響規(guī)律研究 138
6.7.4 受力過程煤巖氣體滲透特性研究 142
6.8 小結(jié) 146
參考文獻(xiàn) 146
第7章 煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)儀器研發(fā)原理 152
7.1 突出關(guān)鍵因素與突出物理模擬試驗(yàn)儀器系統(tǒng)構(gòu)成 152
7.1.1 突出關(guān)鍵因素 152
7.1.2 突出物理模擬試驗(yàn)儀器系統(tǒng)構(gòu)成 155
7.2 合理確定模擬范圍及相似比尺 155
7.2.1 確定模擬范圍 155
7.2.2 確定相似比尺 160
7.3 多尺度煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)儀器研發(fā) 161
參考文獻(xiàn) 162
第8章 小型瞬間揭露煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 164
8.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 164
8.1.1 研制思路 164
8.1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) 165
8.1.3 模擬系統(tǒng)構(gòu)成與功能 165
8.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 168
8.2.1 試驗(yàn)方案與過程 168
8.2.2 模擬試驗(yàn)過程 171
8.2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析 172
8.3 小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 177
第9章 中型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 178
9.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 178
9.1.1 反力密封單元 179
9.1.2 應(yīng)力加載單元 182
9.1.3 氣體充填單元 182
9.1.4 巷道掘進(jìn)單元 184
9.1.5 信息采集單元 186
9.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 188
9.2.1 試驗(yàn)方案 188
9.2.2 試驗(yàn)過程 189
9.2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 191
9.3 小結(jié) 194
參考文獻(xiàn) 195
第10章 大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 196
10.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 196
10.1.1 研發(fā)思路 196
10.1.2 定量化模擬基礎(chǔ)——相似體系構(gòu)建 196
10.1.3 系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)指標(biāo) 197
10.1.4 五大關(guān)鍵單元構(gòu)成與功能 200
10.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 208
10.2.1 試驗(yàn)方案 208
10.2.2 試驗(yàn)過程 209
10.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 210
10.3 小結(jié) 214
參考文獻(xiàn) 214
第11章 煤與瓦斯突出物理模擬方法工藝創(chuàng)新 216
11.1 煤層高壓氣體“三層密封”方法 216
11.1.1 低強(qiáng)高黏氣體密封膠密封 216
11.1.2 低滲巖層材料密封 217
11.1.3 反力裝置密封 218
11.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ途?xì)化制作工藝 220
11.2.1 模型制作方案 220
11.2.2 相似材料配制 221
11.2.3 模型分層振實(shí) 222
11.2.4 煤層鋪設(shè)與密封 224
11.2.5 傳感器埋設(shè)與變送器氣密封保護(hù) 225
11.2.6 模型完成制作與封蓋 225
11.3 試驗(yàn)流程與創(chuàng)新工藝 226
11.3.1 試驗(yàn)流程 226
11.3.2 創(chuàng)新工藝 229
11.4 小結(jié) 229
第12章 揭煤致突試驗(yàn)與影響因素分析 230
12.1 瞬間揭煤致突試驗(yàn) 230
12.2 煤體強(qiáng)度對(duì)突出的影響規(guī)律 230
12.2.1 研究意義 230
12.2.2 試驗(yàn)方案 230
12.2.3 試驗(yàn)結(jié)果 232
12.2.4 影響規(guī)律分析 232
12.2.5 煤體強(qiáng)度對(duì)突出的能量影響機(jī)制 235
12.3 氣體吸附含量對(duì)突出影響規(guī)律 238
12.3.1 研究意義 238
12.3.2 試驗(yàn)方案 239
12.3.3 試驗(yàn)結(jié)果 240
12.3.4 影響規(guī)律分析 243
12.3.5 吸附氣體對(duì)突出能量影響機(jī)制分析 244
12.4 小結(jié) 248
參考文獻(xiàn) 248
第13章 淮南典型突出事故物理模擬與分析 250
13.1 工程概況 250
13.1.1 典型突出案例——新莊孜礦煤與瓦斯突出事故 250
13.1.2 試驗(yàn)原型參數(shù) 251
13.2 試驗(yàn)方案 252
13.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 259
13.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象 259
13.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 261
13.4 小結(jié) 268
參考文獻(xiàn) 269
第14章 結(jié)論與展望 270
14.1 結(jié)論 270
14.2 展望 274
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究意義 1
1.1.1 煤炭是我國主體能源 1
1.1.2 煤與瓦斯突出災(zāi)害及其機(jī)理亟待突破 1
1.2 煤與瓦斯突出災(zāi)害及假說 4
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 10
1.3.1 研究現(xiàn)狀 10
1.3.2 存在的問題與不足 14
1.4 主要研究?jī)?nèi)容與方法 14
1.5 研究目標(biāo) 16
1.6 主要?jiǎng)?chuàng)新與進(jìn)展 17
參考文獻(xiàn) 19
第2章 煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則創(chuàng)建 22
2.1 煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則進(jìn)展 23
2.2 固氣耦合模型及相似轉(zhuǎn)化 24
2.2.1 煤與瓦斯突出準(zhǔn)備階段數(shù)學(xué)模型 24
2.2.2 準(zhǔn)備階段數(shù)學(xué)模型的相似轉(zhuǎn)化 24
2.3 能量模型及其相似轉(zhuǎn)化 26
2.3.1 煤與瓦斯突出能量模型 26
2.3.2 能量模型的相似轉(zhuǎn)化 28
2.4 煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則建立及其相似性分析 29
2.4.1 相似準(zhǔn)數(shù)選取 29
2.4.2 煤與瓦斯突出相似準(zhǔn)則建立 29
2.4.3 相似準(zhǔn)則相似性分析 30
2.5 相似準(zhǔn)則相似性分析與驗(yàn)證 31
2.6 小結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
第3章 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料研發(fā) 35
3.1 煤的物理力學(xué)特性及相似材料研究進(jìn)展 35
3.1.1 煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征 35
3.1.2 煤的吸附解吸特性 36
3.1.3 煤的放散特性 37
3.1.4 煤的力學(xué)特性 38
3.1.5 煤巖相似材料研究進(jìn)展 39
3.2 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料選擇與制備 39
3.2.1 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料選擇 39
3.2.2 吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料試件的制作 41
3.3 基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試 43
3.4 影響因素分析 47
3.4.1 容重和孔隙率 47
3.4.2 吸附性 48
3.4.3 單軸抗壓強(qiáng)度 49
3.4.4 彈性模量 50
3.4.5 內(nèi)聚力 50
3.4.6 內(nèi)摩擦角、泊松比 51
3.5 含瓦斯煤相似材料的優(yōu)勢(shì) 51
3.6 小結(jié) 52
參考文獻(xiàn) 52
第4章 低滲透性巖層相似材料研發(fā) 54
4.1 巖層特性及低滲性相似材料研究進(jìn)展 54
4.2 低滲性巖層相似材料選擇 55
4.3 基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試 56
4.3.1 測(cè)試方案 56
4.3.2 物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法 57
4.4 影響因素分析 58
4.4.1 密度 59
4.4.2 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量 59
4.4.3 滲透率 61
4.5 材料適用性分析 62
4.6 小結(jié) 63
參考文獻(xiàn) 64
第5章 本安型瓦斯相似氣體研發(fā) 66
5.1 瓦斯特性與本安型瓦斯相似氣體 66
5.2 相似指標(biāo)與氣體篩選 66
5.2.1 相似指標(biāo) 66
5.2.2 氣體篩選 68
5.3 相似指標(biāo)測(cè)定與結(jié)果分析 69
5.3.1 瓦斯/氣體含量Q測(cè)定 69
5.3.2 瓦斯/氣體放散初速度△P測(cè)定 71
5.3.3 初始釋放瓦斯/氣體膨脹能Wp測(cè)定 72
5.3.4 含瓦斯/氣體煤力學(xué)性質(zhì)Rc測(cè)定 74
5.4 瓦斯與相似氣體的相關(guān)性分析 75
5.5 小結(jié) 76
參考文獻(xiàn) 76
第6章 相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)儀器的研發(fā) 78
6.1 可視化恒容固氣耦合試驗(yàn)儀研發(fā) 78
6.1.1 研發(fā)意義 78
6.1.2 儀器構(gòu)成與原理 79
6.1.3 儀器功能與技術(shù)指標(biāo) 80
6.1.4 儀器詳細(xì)介紹 81
6.1.5 沖擊力測(cè)試 84
6.2 標(biāo)準(zhǔn)試件環(huán)向位移測(cè)試系統(tǒng)研發(fā) 87
6.2.1 研發(fā)意義 87
6.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 89
6.2.3 測(cè)試方法與原理 89
6.2.4 系統(tǒng)主要參數(shù) 91
6.2.5 系統(tǒng)測(cè)試精度驗(yàn)證 91
6.3 巖石三軸力學(xué)滲透測(cè)試儀研發(fā) 93
6.3.1 研發(fā)意義 93
6.3.2 儀器功能與技術(shù)參數(shù) 94
6.3.3 儀器構(gòu)成與各部分關(guān)鍵技術(shù) 95
6.3.4 儀器操作流程 100
6.4 瓦斯膨脹能測(cè)定儀優(yōu)化改進(jìn) 101
6.4.1 研發(fā)意義 101
6.4.2 測(cè)定原理 102
6.4.3 設(shè)計(jì)思路與儀器構(gòu)成 103
6.4.4 儀器優(yōu)化改進(jìn)與性能指標(biāo) 104
6.5 煤粒瓦斯放散測(cè)定儀研發(fā) 107
6.5.1 研發(fā)意義 107
6.5.2 儀器構(gòu)成與簡(jiǎn)介 107
6.5.3 測(cè)量原理及方法 109
6.6 相似材料滲透率測(cè)試儀研發(fā) 110
6.6.1 研發(fā)意義 110
6.6.2 儀器簡(jiǎn)介和工作原理 110
6.7 基礎(chǔ)試驗(yàn)儀器的應(yīng)用 112
6.7.1 含瓦斯煤力學(xué)特性研究 112
6.7.2 煤巖吸附瓦斯放散特性研究 133
6.7.3 瓦斯膨脹能影響規(guī)律研究 138
6.7.4 受力過程煤巖氣體滲透特性研究 142
6.8 小結(jié) 146
參考文獻(xiàn) 146
第7章 煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)儀器研發(fā)原理 152
7.1 突出關(guān)鍵因素與突出物理模擬試驗(yàn)儀器系統(tǒng)構(gòu)成 152
7.1.1 突出關(guān)鍵因素 152
7.1.2 突出物理模擬試驗(yàn)儀器系統(tǒng)構(gòu)成 155
7.2 合理確定模擬范圍及相似比尺 155
7.2.1 確定模擬范圍 155
7.2.2 確定相似比尺 160
7.3 多尺度煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)儀器研發(fā) 161
參考文獻(xiàn) 162
第8章 小型瞬間揭露煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 164
8.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 164
8.1.1 研制思路 164
8.1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) 165
8.1.3 模擬系統(tǒng)構(gòu)成與功能 165
8.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 168
8.2.1 試驗(yàn)方案與過程 168
8.2.2 模擬試驗(yàn)過程 171
8.2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析 172
8.3 小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 177
第9章 中型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 178
9.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 178
9.1.1 反力密封單元 179
9.1.2 應(yīng)力加載單元 182
9.1.3 氣體充填單元 182
9.1.4 巷道掘進(jìn)單元 184
9.1.5 信息采集單元 186
9.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 188
9.2.1 試驗(yàn)方案 188
9.2.2 試驗(yàn)過程 189
9.2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 191
9.3 小結(jié) 194
參考文獻(xiàn) 195
第10章 大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器 196
10.1 儀器構(gòu)成與設(shè)計(jì) 196
10.1.1 研發(fā)思路 196
10.1.2 定量化模擬基礎(chǔ)——相似體系構(gòu)建 196
10.1.3 系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)指標(biāo) 197
10.1.4 五大關(guān)鍵單元構(gòu)成與功能 200
10.2 儀器驗(yàn)證與應(yīng)用 208
10.2.1 試驗(yàn)方案 208
10.2.2 試驗(yàn)過程 209
10.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 210
10.3 小結(jié) 214
參考文獻(xiàn) 214
第11章 煤與瓦斯突出物理模擬方法工藝創(chuàng)新 216
11.1 煤層高壓氣體“三層密封”方法 216
11.1.1 低強(qiáng)高黏氣體密封膠密封 216
11.1.2 低滲巖層材料密封 217
11.1.3 反力裝置密封 218
11.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ途?xì)化制作工藝 220
11.2.1 模型制作方案 220
11.2.2 相似材料配制 221
11.2.3 模型分層振實(shí) 222
11.2.4 煤層鋪設(shè)與密封 224
11.2.5 傳感器埋設(shè)與變送器氣密封保護(hù) 225
11.2.6 模型完成制作與封蓋 225
11.3 試驗(yàn)流程與創(chuàng)新工藝 226
11.3.1 試驗(yàn)流程 226
11.3.2 創(chuàng)新工藝 229
11.4 小結(jié) 229
第12章 揭煤致突試驗(yàn)與影響因素分析 230
12.1 瞬間揭煤致突試驗(yàn) 230
12.2 煤體強(qiáng)度對(duì)突出的影響規(guī)律 230
12.2.1 研究意義 230
12.2.2 試驗(yàn)方案 230
12.2.3 試驗(yàn)結(jié)果 232
12.2.4 影響規(guī)律分析 232
12.2.5 煤體強(qiáng)度對(duì)突出的能量影響機(jī)制 235
12.3 氣體吸附含量對(duì)突出影響規(guī)律 238
12.3.1 研究意義 238
12.3.2 試驗(yàn)方案 239
12.3.3 試驗(yàn)結(jié)果 240
12.3.4 影響規(guī)律分析 243
12.3.5 吸附氣體對(duì)突出能量影響機(jī)制分析 244
12.4 小結(jié) 248
參考文獻(xiàn) 248
第13章 淮南典型突出事故物理模擬與分析 250
13.1 工程概況 250
13.1.1 典型突出案例——新莊孜礦煤與瓦斯突出事故 250
13.1.2 試驗(yàn)原型參數(shù) 251
13.2 試驗(yàn)方案 252
13.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 259
13.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象 259
13.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 261
13.4 小結(jié) 268
參考文獻(xiàn) 269
第14章 結(jié)論與展望 270
14.1 結(jié)論 270
14.2 展望 274
展開全部
用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗(yàn)儀器及應(yīng)用 節(jié)選
第1章緒論1.1研究意義1.1.1煤炭是我國主體能源能源是國家發(fā)展的命脈，煤炭是我國的主體能源。“十二五”期間，我國煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例略有下降，但是，2015年煤炭占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例仍高達(dá)64%。《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出：“十三五”期間，2015年煤炭消費(fèi)總量39.6億噸，年均增速0.7%，到2020年達(dá)到41萬噸；煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重控制在58%以內(nèi)。可見，雖然煤炭在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重逐步降低，但在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會(huì)變化。我國煤礦開采中，松軟低透氣性高瓦斯煤層約占60%，屬極難抽放瓦斯煤層，瓦斯災(zāi)害危及我國大部分礦區(qū)！懊旱V重特大災(zāi)害智能報(bào)警”入選中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)組織征集遴選的60個(gè)重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題在公共安全領(lǐng)域的3個(gè)難題之一！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》也將“深井災(zāi)害防治”作為能源科技創(chuàng)新重點(diǎn)任務(wù)進(jìn)行集中攻關(guān)。1.1.2煤與瓦斯突出災(zāi)害及其機(jī)理亟待突破1. 煤與瓦斯突出機(jī)理是亟待突破的科學(xué)問題煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的礦井動(dòng)力現(xiàn)象，它是在煤炭采掘過程中，在很短的時(shí)間內(nèi)突然從煤(巖)壁內(nèi)部向采掘空間噴出煤(巖)和瓦斯的現(xiàn)象。煤與瓦斯突出噴出的瓦斯由幾百立方米到幾萬立方米，噴出的煤(巖)由幾千噸到萬噸以上，事故常常會(huì)造成大量的人員傷亡、惡劣的社會(huì)影響和重大的經(jīng)濟(jì)損失，已成為制約我國煤炭工業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。從1834年法國發(fā)生世界上**次煤與瓦斯突出至今，已有180多年，目前發(fā)生煤與瓦斯突出的國家已增加到近20個(gè)。我國是世界上發(fā)生煤與瓦斯突出*嚴(yán)重的國家之一，累計(jì)突出次數(shù)占世界40%以上[2]。隨著我國煤礦開采深度不斷加大，開采強(qiáng)度不斷增大，突出災(zāi)害發(fā)生頻繁，事故死亡比例呈升高之勢(shì)，部分原無突出危險(xiǎn)的煤礦也開始出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象。此外，我國煤與瓦斯突出危險(xiǎn)礦井?dāng)?shù)目和突出強(qiáng)度、頻度將隨著開采深度的延深、開采強(qiáng)度的增大而逐漸增多[3]。目前，世界許多產(chǎn)煤國家的部分礦井已經(jīng)進(jìn)入深部開采，同樣，我國已有一批煤礦進(jìn)入深部開采。深部煤炭資源具有高地應(yīng)力、高孔隙壓力、高溫和煤巖抗擾動(dòng)力學(xué)性能降低等特點(diǎn)，煤與瓦斯突出以及沖擊地壓等災(zāi)害已經(jīng)成為深部煤炭資源開采所面臨的挑戰(zhàn)性難題。近年來，我國煤礦瓦斯防治取得明顯成效，全國煤礦瓦斯事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)均有所下降，但是，煤與瓦斯突出事故仍沒有得到有效遏制，事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)沒有明顯下降，占瓦斯事故比例迅速增加[3]。2016～2019年典型煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)見表1.1。表1.12016～2019年典型煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)煤與瓦斯突出是一個(gè)高度非線性的固氣耦合動(dòng)力破壞問題，其發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜。研究得出煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的量化分析模型，真正揭示煤與瓦斯突出的孕育、發(fā)展、演化及致災(zāi)機(jī)理是對(duì)突出進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)警的基礎(chǔ)，掌握瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與控制的原理才能有效預(yù)防突出事故發(fā)生[2]。因此，煤與瓦斯突出機(jī)理的深入研究是防治瓦斯災(zāi)害的基礎(chǔ)，必須加大力度。煤與瓦斯突出機(jī)理已成為我國高瓦斯礦井安全生產(chǎn)亟待突破的科學(xué)問題，是國家能源安全的重要戰(zhàn)略需求和突破方向。高瓦斯突出礦井面臨的防災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)問題受到國家的高度重視，成為我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和我國能源安全的重大理論障礙和技術(shù)瓶頸，是煤炭開采、礦業(yè)工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和前沿?zé)狳c(diǎn)問題之一。2. 試驗(yàn)系統(tǒng)研究是突出機(jī)理研究突破的迫切需求煤與瓦斯突出機(jī)理研究面臨地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、施工擾動(dòng)等諸多因素，涉及固氣耦合、煤體破壞、過程瞬態(tài)、動(dòng)力效應(yīng)等高度非線性復(fù)雜問題，已成為國內(nèi)外專家學(xué)者爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前還沒有統(tǒng)一的見解。國內(nèi)外已有研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬、模擬試驗(yàn)等手段，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試只能針對(duì)特定條件的巖石力學(xué)問題進(jìn)行研究，研究方法單一、耗費(fèi)大量人力物力，且風(fēng)險(xiǎn)巨大，可重復(fù)性差，難以開展系統(tǒng)研究。由于煤與瓦斯突出的復(fù)雜因素和高度非線性，目前在理論分析上還存在很大的困難；由機(jī)理不清導(dǎo)致本構(gòu)關(guān)系和計(jì)算模型建立困難，因此數(shù)值模擬不能進(jìn)行正確模擬；只有采用相似物理模擬試驗(yàn)的方法才能真實(shí)模擬煤與瓦斯突出過程，因此開展不同條件下的煤與瓦斯突出機(jī)理研究，是目前**可行且*重要的研究手段，如圖1.1所示。圖1.1煤與瓦斯突出主要研究方法鑒于煤與瓦斯突出的高度非線性和復(fù)雜性，采用模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究是目前非常重要的研究方法。因此，迫切需要研制嚴(yán)格基于相似原理，功能先進(jìn)且可綜合考慮不同地應(yīng)力、不同地質(zhì)構(gòu)造、不同煤巖體強(qiáng)度、不同瓦斯含量等多種因素條件的煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)需重復(fù)使用并完成不同參數(shù)條件下的煤與瓦斯突出試驗(yàn)，做到試驗(yàn)過程可控、參數(shù)可調(diào)。通過該系統(tǒng)可模擬多場(chǎng)耦合條件下開挖誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，揭示煤與瓦斯突出發(fā)生、發(fā)展、演化和突出機(jī)理，以及突出過程瓦斯解吸流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化以及能量轉(zhuǎn)化機(jī)制；建立煤與瓦斯突出發(fā)生條件與判據(jù)，豐富、完善開挖誘導(dǎo)低透氣性煤層煤與瓦斯突出機(jī)理的理論，為破解瓦斯突出防治技術(shù)提供支撐。1.2煤與瓦斯突出災(zāi)害及假說限于當(dāng)時(shí)的研究手段，早期針對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理主要通過對(duì)突出事故的事后考查和統(tǒng)計(jì)資料來進(jìn)行研究，學(xué)者先后提出了多種觀點(diǎn)來揭示煤與瓦斯突出的影響因素，但由于突出的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，早期的觀點(diǎn)難以得到驗(yàn)證，因而稱為假說。目前，獲得支持較多的煤與瓦斯突出假說主要有瓦斯主導(dǎo)假說、地應(yīng)力主導(dǎo)假說、綜合作用假說[4]，各類假說的發(fā)展歷程見表1.2。表1.2煤與瓦斯突出機(jī)理的三種假說1. 瓦斯主導(dǎo)假說從19世紀(jì)50年代初到20世紀(jì)30年代初，人們從瓦斯和煤粉拋出的表觀現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)為瓦斯氣體在突出中起主要作用，并提出了一系列的瓦斯主導(dǎo)假說。在眾多瓦斯主導(dǎo)假說中“瓦斯包”說**代表性。1852年，英國Taylor*早提出了“瓦斯包”的概念[5]。瓦斯包內(nèi)煤質(zhì)松軟，孔隙與裂隙發(fā)育，且被透氣性差的煤或圍巖所包圍。“瓦斯包”說認(rèn)為在工作面前方存在的瓦斯包被采掘活動(dòng)靠近或揭露時(shí)，就可能造成瓦斯包的突然破裂，瓦斯攜帶煤粉共同涌出造成災(zāi)害事故。“瓦斯包”說重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了瓦斯在突出中的作用，但瓦斯包這一特殊的地質(zhì)條件是假設(shè)存在的。實(shí)際上在現(xiàn)在看來，瓦斯包可能是煤層中的天然斷層破裂帶或構(gòu)造帶等區(qū)域。因此，該假說只適用于特殊的地質(zhì)體而不具備普遍意義。2. 地應(yīng)力主導(dǎo)假說從20世紀(jì)20年代初到20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)在若干的突出事故中并不存在瓦斯包，指出除瓦斯以外的因素也會(huì)導(dǎo)致突出。1923年，Loiret和Laligant[6]首先指出地應(yīng)力是煤與瓦斯突出的重要影響因素，且地應(yīng)力大小往往受埋藏深度和地質(zhì)構(gòu)造的影響。Pechuk[7]認(rèn)為在地質(zhì)構(gòu)造中聚積較大的巖石彈性性能，煤與瓦斯突出正是由巖石能量突然釋放造成的，而在該能量釋放過程中瓦斯只起到次要的作用。地應(yīng)力主導(dǎo)假說的進(jìn)步在于人們對(duì)煤與瓦斯突出的理解逐步從瓦斯氣體這種單一作用因素發(fā)展到更多的影響因素上，逐步認(rèn)識(shí)到煤與瓦斯突出的復(fù)雜性。3. 綜合作用假說20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)學(xué)者提出了綜合作用假說。該假說認(rèn)為煤與瓦斯突出受地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體物理力學(xué)性質(zhì)共同影響。綜合作用假說較全面地考慮了突出動(dòng)力(地應(yīng)力、瓦斯)和阻力(煤體強(qiáng)度)兩方面的主要因素，得到國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可。這種理論至今仍具有較大影響。Nekrasovski首先提出了煤與瓦斯突出是多種因素綜合作用的結(jié)果，Skochinski則對(duì)綜合作用假說進(jìn)行了發(fā)展和補(bǔ)充[8]。這些觀點(diǎn)首次將煤體的物理力學(xué)性質(zhì)作為突出的影響因素，同時(shí)對(duì)煤體、地應(yīng)力和瓦斯等因素的作用做出了進(jìn)一步的定性分析。20世紀(jì)后半葉至21世紀(jì)初，煤與瓦斯突出機(jī)理的研究主要圍繞綜合作用假說進(jìn)行補(bǔ)充和完善。俞啟香[9]和于不凡[10]認(rèn)為突出是從距離工作面一定距離的某個(gè)中心開始的，隨后由中心向四周擴(kuò)展，由發(fā)動(dòng)中心的“煤-巖石-瓦斯”體系參與活動(dòng)。于不凡將煤與瓦斯突出看作含瓦斯煤體突然破壞的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，地應(yīng)力的突然增高是發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件之一，突出的另一個(gè)條件是煤體應(yīng)力狀態(tài)的突然變化。李中成[11]將煤與瓦斯突出視為煤體盤形拉伸破壞的連鎖反應(yīng)，認(rèn)為煤與瓦斯突出是不連續(xù)的，可能持續(xù)幾分鐘或十幾分鐘。丁曉良等[12]進(jìn)行了含瓦斯煤一維滲透破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)破壞后的煤體呈現(xiàn)“球冠形”，因此認(rèn)為突出過程中煤體的破壞為拉伸破壞，認(rèn)為卸壓速率越高，圍壓越小，型煤幾何半徑越大，煤體越容易破壞。周世寧、何學(xué)秋[13，14]提出了流變假說，認(rèn)為煤與瓦斯突出的影響因素瓦斯、地應(yīng)力、煤的物理力學(xué)性質(zhì)等都與時(shí)間密切相關(guān)，時(shí)間是煤與瓦斯突出的重要影響因素。當(dāng)采掘活動(dòng)引起的荷載達(dá)到或超過含瓦斯煤的屈服強(qiáng)度時(shí)，煤體出現(xiàn)流變現(xiàn)象。流變過程與突出的孕育發(fā)生具有良好的一致性。俞善炳等[15-17]基于突出現(xiàn)象和因素模化，建立了一維瓦斯流動(dòng)理想模型，該模型認(rèn)為煤的破碎和瓦斯?jié)B流的耦合是煤與瓦斯突出的內(nèi)在原因，認(rèn)為可根據(jù)滲流過程給出恒速掘進(jìn)下的突出啟動(dòng)判據(jù)。談慶明等[18]同樣建立了描述突出的一維模型，將煤體的破壞分為層裂和層裂的粉碎，認(rèn)為層裂的粉碎率可以用來描述煤體的非均勻破壞，認(rèn)為加大對(duì)煤的破裂準(zhǔn)則和破裂陣面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究可加深對(duì)煤與瓦斯突出的理解。梁冰等[19，20]考慮到煤中瓦斯的滲流作用，將煤體的變形與瓦斯?jié)B流統(tǒng)一考慮，提出了煤與瓦斯突出的“固流耦合”失穩(wěn)理論，該理論進(jìn)一步證實(shí)了突出是應(yīng)力、瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。此外，該理論還考慮了時(shí)間效應(yīng)對(duì)突出的影響。Beamish和Crosdale[21]研究了煤體類型對(duì)瓦斯解吸和煤與瓦斯突出的影響，認(rèn)為煤體性質(zhì)決定了瓦斯解吸能力，而解吸越強(qiáng)，突出越容易發(fā)生。呂紹林和何繼善[22]提出了“關(guān)鍵層-應(yīng)力墻”模型來解釋煤與瓦斯突出現(xiàn)象，該模型認(rèn)為關(guān)鍵層是煤與瓦斯突出的主體，是突出的介質(zhì)條件，應(yīng)力墻是工作面前方的一定寬度的應(yīng)力集中帶，當(dāng)應(yīng)力墻在采動(dòng)應(yīng)力下處于失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，關(guān)鍵層內(nèi)瓦斯就會(huì)迅速涌出，產(chǎn)生突出現(xiàn)象。郭德勇和韓德馨[23]進(jìn)行了考慮摩擦滑動(dòng)過程的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)突出過程中存在“黏滑失穩(wěn)”現(xiàn)象，并提出突出的“黏滑失穩(wěn)”機(jī)理，該理論能夠合理地解釋突出過程中的振動(dòng)波和延期突出現(xiàn)象。Choi和Wold [24]建立了“煤體-流體”三維模型，來分析煤與瓦斯突出的發(fā)生和演化，同樣認(rèn)為突出是固流耦合問題。丁繼輝等[25]基于多相介質(zhì)力學(xué)理論，以煤體有限變形為前提，提出了煤體變形與瓦斯耦合的失穩(wěn)理論，建立固流兩相介質(zhì)耦合失穩(wěn)的非線性有限元方程，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。王繼仁等[26]構(gòu)建了CH4吸附在煤表面的模型，采用量子化學(xué)密度泛函理論對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行優(yōu)化，得到了煤體吸附CH4的吸附能，并給出了煤與瓦斯突出的微觀機(jī)理。該理論認(rèn)為工作面圍巖變化引起煤體破裂，導(dǎo)致瓦斯由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，形成大量游離瓦斯，為煤與瓦斯突出準(zhǔn)備了條件。Zhang等[27]將突變級(jí)數(shù)法用于煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)中，并認(rèn)為煤與瓦斯突出是瓦斯和高地應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。李樹剛等[28]利用Mohr-Coulomb理論解釋了順煤層剪切帶的形成機(jī)理，認(rèn)為在煤層傾角接近剪切滑動(dòng)的臨界角時(shí)易產(chǎn)生薄煤區(qū)，進(jìn)而在煤層厚度變化部位形成了高瓦斯含量、高瓦斯壓力區(qū)域。順煤層剪切帶內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造煤、高地應(yīng)力、高瓦斯壓力等因素是煤與瓦斯突出發(fā)生的主要原因。郭平等[29]認(rèn)為煤與瓦斯突出是煤的構(gòu)造、地應(yīng)力和瓦斯等多個(gè)因素作用的結(jié)果，并采用數(shù)值模擬的方法分析了各個(gè)因素對(duì)突出的影響。李曉泉等[30，31]進(jìn)行了擾動(dòng)情況下煤與瓦斯突出的模擬試驗(yàn)，得出延期突出的機(jī)理，該理論認(rèn)為在采掘活動(dòng)結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi)，煤巖體應(yīng)力重分布，大量瓦斯解吸為游離狀態(tài)，由于卸壓區(qū)硬巖的阻擋作用，游離態(tài)瓦斯不能及時(shí)釋放。當(dāng)有外力擾動(dòng)時(shí)，卸壓區(qū)煤巖可能發(fā)
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