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采矿与安全工程学报 2014年第5期31卷 819-823页

作者：赵洪宝曹光明李华华中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国煤炭工业协会生产力促进中心北京100713

以处于固定应力环境中的含不同压力瓦斯的煤样瓦斯放散过程为研究对象,以瓦斯逐渐放散过程中煤样的轴向应变、横向应变为研究参数,系统地研究了瓦斯逐渐放散过程中煤样的变形特性与规律。结果表明:在一定外力环境下,煤样逐渐放散瓦斯后... 详细信息

以处于固定应力环境中的含不同压力瓦斯的煤样瓦斯放散过程为研究对象,以瓦斯逐渐放散过程中煤样的轴向应变、横向应变为研究参数,系统地研究了瓦斯逐渐放散过程中煤样的变形特性与规律。结果表明:在一定外力环境下,煤样逐渐放散瓦斯后其轴向应变、横向应变变化均表现为一个明显的非线性过程;轴向应变变化规律呈三段式,存在一个瓦斯放散速度点使煤样轴向应变开始以较大速率增加,瓦斯放散速度与产生的轴向应变可用改进的乘幂关系表征;横向应变变化规律呈明显的非线性;试验结束时,随着瓦斯压力的增加煤样产生的总横向应变也呈明显的非线性;瓦斯压力大小对于瓦斯放散过程中煤样产生的轴向应变、横向应变均有明显影响,主要表现为开始出现应变处对瓦斯放散速度的敏感性、产生变形总量和产生变形过程与瓦斯放散速度的关联性等方面。

关键词：瓦斯放散瓦斯压力应变耦合方程

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冲击载荷瞬时扰动原煤试样破裂演化及瓦斯放散特征研究

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岩石力学与工程学报 2023年第6期42卷 1384-1394页

作者：孔祥国杨送瑞王恩元李树刚林海飞季鹏飞西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054

为了揭示冲击扰动煤体瞬时破坏及瓦斯异常涌出机制,采用含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,开展冲击载荷下三维含瓦斯煤冲击破坏及瓦斯放散测试,研究冲击载荷瞬时扰动下原煤试样破裂演化特征及瓦斯放散规律,分析轴向静载、围压、瓦斯压力和... 详细信息

为了揭示冲击扰动煤体瞬时破坏及瓦斯异常涌出机制,采用含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,开展冲击载荷下三维含瓦斯煤冲击破坏及瓦斯放散测试,研究冲击载荷瞬时扰动下原煤试样破裂演化特征及瓦斯放散规律,分析轴向静载、围压、瓦斯压力和冲击载荷速度4个受载因子对初始最大瓦斯放散速度的影响。结果表明:在低围压或高冲击载荷条件下,三维含瓦斯煤呈现粉碎式破坏,其他试验条件下煤样呈现轴向拉伸破坏模式,裂纹尺度和数量随着轴向静载、围压、瓦斯压力和冲击载荷数值大小而有所不同;冲击载荷作用瞬间,原煤试样瓦斯放散速度瞬时达到最大,随后呈幂指数形式衰减;瓦斯放散持续时长基本在2.00 s之内,随受载因子变化而略有不同;冲击瞬间最大瓦斯放散速度随轴向静载呈指数函数增加,随围压呈线性降低,随瓦斯压力和冲击载荷速度呈线性增加趋势。通过单位尺度受载因子变化对原煤试样最大瓦斯放散速度的贡献度,确定影响煤体瓦斯放散的受载条件重要度为r(冲击载荷)>r(围压)>r(轴向静载)>r(瓦斯压力)。基于乌斯基诺夫式煤粒瓦斯放散模型,建立冲击扰动原煤瓦斯放散模型,对比不同冲击载荷速度下放散模型计算的放散速度理论值与实验值,变化趋势和重合度较好,说明该模型可以反映冲击载荷对原煤瓦斯放散的影响,可以用于采场冲击扰动煤体瓦斯异常放散的预测。研究成果将有助于揭示含瓦斯煤复合动力灾害形成机制,促进采场扰动煤体瓦斯异常涌出治理,保障深部煤炭资源安全高效绿色开采。

关键词：岩石力学冲击载荷含瓦斯煤破裂演化瓦斯放散复合动力灾害

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基于两种数学模型的煤粒瓦斯放散数值解算

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中国矿业大学学报 2013年第6期42卷 923-928页

作者：秦跃平郝永江王亚茹刘伟刘鹏中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

设计了煤粒瓦斯解吸实验,得到4种粒径煤样在4组不同初始压力条件下累积解吸量随时间变化的实测曲线.根据菲克扩散定律与达西渗流定律分别建立了瓦斯在球形煤粒中放散的数学模型,通过有限差分的方法并利用VB编程进行解算,得到煤粒在不同... 详细信息

设计了煤粒瓦斯解吸实验,得到4种粒径煤样在4组不同初始压力条件下累积解吸量随时间变化的实测曲线.根据菲克扩散定律与达西渗流定律分别建立了瓦斯在球形煤粒中放散的数学模型,通过有限差分的方法并利用VB编程进行解算,得到煤粒在不同初始压力下的累积解吸量.通过与实验结果对比,表明达西模拟结果与实验结果匹配度较高,而菲克模拟结果与之偏离较大.验证了煤粒中的瓦斯放散更符合达西定律.

关键词：瓦斯放散菲克扩散达西渗流数学模型有限差分

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基于有限体积法的煤粒瓦斯放散无因次分析

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煤炭学报 2016年第2期41卷 399-405页

作者：秦跃平王健中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

根据煤粒瓦斯解吸放散的特点,基于达西定律,建立了圆柱形煤粒瓦斯放散微分方程,并运用有限体积法对方程进行处理。引入无因次准数,对瓦斯放散微分方程及运用有限体积法进行离散处理后的方程进行无因次化。通过编写Visual Basic计算机程... 详细信息

根据煤粒瓦斯解吸放散的特点,基于达西定律,建立了圆柱形煤粒瓦斯放散微分方程,并运用有限体积法对方程进行处理。引入无因次准数,对瓦斯放散微分方程及运用有限体积法进行离散处理后的方程进行无因次化。通过编写Visual Basic计算机程序对方程进行解算,得到不同时间不同节点处煤粒内部瓦斯压力变化曲线、瓦斯解吸速度变化曲线、瓦斯累积解吸量变化曲线和瓦斯含量变化曲线。通过分析无因次曲线图,并给出应用实例,进而得到煤粒瓦斯解吸放散规律。

关键词：有限体积法煤粒瓦斯放散无因次分析

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煤粒瓦斯放散数学模型及数值模拟

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煤炭学报 2015年第4期40卷 781-785页

作者：王健中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

为了进一步验证将煤粒视为规则球形研究得到煤粒瓦斯放散符合达西定律的合理性,选取煤粒的另一种极限形状——圆柱形煤粒进行研究。基于达西定律和菲克定律,分别建立圆柱形煤粒瓦斯放散的有限差分数学模型,编制Visual Basic程序进行数... 详细信息

为了进一步验证将煤粒视为规则球形研究得到煤粒瓦斯放散符合达西定律的合理性,选取煤粒的另一种极限形状——圆柱形煤粒进行研究。基于达西定律和菲克定律,分别建立圆柱形煤粒瓦斯放散的有限差分数学模型,编制Visual Basic程序进行数值解算,并进行达西和菲克数值模拟。通过对比圆柱形煤粒的模拟结果和实验结果,得出达西模拟结果与实验结果的吻合程度远高于菲克模拟结果。同时,通过对比圆柱形煤粒和球形煤粒的研究结果,发现瓦斯累积解吸量随时间的变化和煤粒形状无直接关系,从而证实煤粒瓦斯放散服从达西定律。

关键词：瓦斯放散煤粒形状解吸量

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瓦斯放散初速度等容变压式测定方法研究

瓦斯放散初速度等容变压式测定方法研究

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作者：赵欣中国煤炭科学研究院

学位级别：硕士

本文从煤的微观结构入手，研究了等容变压、变容变压两种测试方法的测定装备、实验流程，总结了二者优缺点。通过实验室测定，研究了等容变压式放散速度测定仪在真空状态下瓦斯放散规律，利用研制的WT-1型瓦斯放散速度测定仪和配套软件... 详细信息

本文从煤的微观结构入手，研究了等容变压、变容变压两种测试方法的测定装备、实验流程，总结了二者优缺点。通过实验室测定，研究了等容变压式放散速度测定仪在真空状态下瓦斯放散规律，利用研制的WT-1型瓦斯放散速度测定仪和配套软件，对瓦斯放散速度指标V1指标、衰减系数α、Q0-10指标、Q0-60指标进行了测定与计算，找出△P指标可能存在的问题，研究了V1指标替代△P指标的可行性。本文还对瓦斯放散速度测试过程中的实验仪器、实验流程、实验参数等内容进行了总结、分析，对瓦斯放散初速度测定方法进行了补充与完善，为该指标的测定、应用提供了理论指导。　　关于瓦斯放散初速度研究的现场调查、分析和资料收集;采集各种变质程度、突出危险程度的煤样;从煤的微观特征入手分析研究煤的吸附性和瓦斯放散规律。探讨适合研究实验室煤粒放散规律的数学模型。研究△P值有可能出现的漏报的原因。对放散速度指标进行误差分析,研究两种测试方式结果的换算方法。采用等容变压式测试方法，测定10秒内放散速度曲线，研究10秒内瓦斯放散规律，对0-10秒的放散速度公式归纳为乌斯基诺夫式,文特式,王佑安式和孙重旭式以及巴雷尔式等;指数函数和博特式。

关键词：放散初速度煤质指标等容变压式瓦斯放散微观特征

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采用主成分分析法的孔隙结构与瓦斯放散

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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2014年第11期33卷 1457-1460页

作者：王月红李靖张九零河北联合大学矿业工程学院河北唐山063009 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室辽宁阜新123000

为解决中国煤与瓦斯突出越来越严重的问题,采用主成分分析法,利用SPSS软件,对处于3种变质程度的7个煤样分析了煤的孔隙结构对于瓦斯放散的影响,研究结果表明:随变质程度的增加,大孔孔容比与之呈现负相关关系,微孔孔容比随变质程度的增... 详细信息

为解决中国煤与瓦斯突出越来越严重的问题,采用主成分分析法,利用SPSS软件,对处于3种变质程度的7个煤样分析了煤的孔隙结构对于瓦斯放散的影响,研究结果表明:随变质程度的增加,大孔孔容比与之呈现负相关关系,微孔孔容比随变质程度的增加而上升过渡孔和中孔孔容比没有明显变化.对瓦斯放散初速度影响较大的是比表面积和过渡孔孔容比,微孔孔容比对其影响与前两者相比较小,中孔孔容比对瓦斯放散初速度几乎无影响.主成分分析的应用,更好地研究了瓦斯放散初速度影响因素之间的耦合关系.

关键词：瓦斯放散孔隙结构主成分分析 SPSS软件变质程度放散初速度

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煤体瓦斯放散特性电场响应研究

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安全与环境学报 2016年第1期16卷 72-77页

作者：雷东记张玉贵孟慧薛群山河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室--省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

针对含瓦斯煤放散特性的电场响应,对不同煤阶的煤样施加不同静电压,测试其放散初速度,结果表明,静电场具有提高瓦斯放散初速度的作用,受其影响程度由大到小为烟煤(YM)构造煤、烟煤(YM)非构造煤、无烟煤(WYM)非构造煤、无烟煤(WYM)构造... 详细信息

针对含瓦斯煤放散特性的电场响应,对不同煤阶的煤样施加不同静电压,测试其放散初速度,结果表明,静电场具有提高瓦斯放散初速度的作用,受其影响程度由大到小为烟煤(YM)构造煤、烟煤(YM)非构造煤、无烟煤(WYM)非构造煤、无烟煤(WYM)构造煤。这一现象符合不同煤级自由基浓度的分布规律,利用灰色关联分析法验证了静电场是通过影响煤岩组分中固定碳来宏观改变瓦斯放散速度,分析其影响机理,静电场下煤与瓦斯分子发生极化,增加了吸附势阱深度,计算静电压下煤表面能的变化,即电压升高,煤表面能降低值增大,两者都使得煤表面吸附更多瓦斯,提高了瓦斯放散时的瞬时瓦斯压力梯度,从而促使瓦斯放散初速度加快。

关键词：安全工程静电场瓦斯放散极化性表面能

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动载荷下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征研究

动载荷下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征研究

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作者：孔祥国中国矿业大学

学位级别：博士

煤炭开采进入深部阶段,采深不断加大,地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高,采场结构也越来越复杂,应力与瓦斯耦合动力灾害日趋严重及复杂,冲击地压或强矿震引起煤层或采空区瓦斯异常涌出和动载荷诱导煤与瓦斯突出等复合型动力灾害时有... 详细信息

煤炭开采进入深部阶段,采深不断加大,地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高,采场结构也越来越复杂,应力与瓦斯耦合动力灾害日趋严重及复杂,冲击地压或强矿震引起煤层或采空区瓦斯异常涌出和动载荷诱导煤与瓦斯突出等复合型动力灾害时有发生。目前研究主要集中在煤岩冲击破坏方面,而动载荷下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征缺乏研究。本文采用实验室实验、理论分析和数值建模等手段,研究动载荷(震动载荷:未破坏;冲击载荷:破坏)作用下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征,建立含瓦斯煤冲击动力学本构方程和动载荷下瓦斯运移方程,提出含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型,揭示含瓦斯煤冲击破坏过程中应力场、损伤场和瓦斯场耦合演化机制。主要结论如下:建立了含瓦斯煤霍普金森压杆(SHPB)试验系统,在SHPB上实现了含瓦斯煤冲击破坏动力学实验,测试分析了含瓦斯煤动力学行为与轴向静载、围压、瓦斯压力和震动载荷/冲击载荷的关系。结果表明:围压和动载荷均有助于提高含瓦斯煤体的动态抗压强度和抵抗变形的能力;瓦斯的吸附膨胀作用、扩容效应及蚀损效应将劣化煤体,削弱煤体抵抗外载荷的能力;震动载荷作用下,轴向静载表现为提高含瓦斯煤体的抗压强度和抵抗变形的能力,而冲击载荷作用下,轴向静载表现为削弱煤体强度和劣化煤体的变形能力。研究了含瓦斯煤在轴向静载、围压、瓦斯压力和震动载荷/冲击载荷组合加载下的应变率效应,分析了含瓦斯煤动态强度、峰值应变/破坏应变随应变率的变化规律,证明了煤岩受载应变率效应的普适性。结果表明:低于临界应变率,含瓦斯煤的动态强度和峰值应变/破坏应变基本随应变率增大而增大;超过临界应变率,含瓦斯动态强度和峰值应变/破坏应变将基本稳定。实验研究了含瓦斯煤在震动载荷和冲击载荷作用下的瓦斯放散特征,分析了不同轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷组合加载下瓦斯放散随时间的演化规律,确定了最大瓦斯放散速度和瞬时放散率与四种因素的关系,揭示了动载诱导的含瓦斯煤破坏过程中瓦斯异常放散机制。基于岩石力学强度理论、Terzaghi有效应力原理与统计损伤理论,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷组合作用,建立了含瓦斯煤动力学本构方程;结合瓦斯吸附平衡方程、扩散方程和瓦斯渗流方程,建立了动载作用下含瓦斯煤瓦斯运移方程组;通过孔隙率和渗透率演化架起了含瓦斯煤动力学本构方程和动载荷下瓦斯运移方程组之间的桥梁,建立了含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型,揭示了含瓦斯煤冲击破坏多场耦合机制,并通过数值模拟进行了实验尺度验证。以某矿+100东一采区4112运输巷掘进工作面赋存地质条件为背景,应用含瓦斯煤冲击破坏多场耦合数学模型,研究了动载荷产生前后的应力和位移演化,解释了煤与瓦斯突出灾害发生过程的应力和瓦斯耦合过程,分析了重大煤与瓦斯突出事故的特征和原因。结果表明:复杂的地质结构和应力环境是导致此次事故发生的先决条件,采掘活动导致断层活动滑移而产生能量较大的动载荷是事故发生的直接诱因,动载荷作用煤体破裂瓦斯大量解吸是瓦斯异常涌出的主要原因。本文的研究成果对于进一步完善含瓦斯煤冲击动力学、揭示含瓦斯煤复合动力灾害机理、促进含瓦斯煤动力灾害防治具有重要的理论意义和实践价值。

关键词：动载荷含瓦斯煤动力学行为瓦斯放散多场耦合

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阜康矿区气煤孔隙结构特征及其煤粒瓦斯放散规律研究

阜康矿区气煤孔隙结构特征及其煤粒瓦斯放散规律研究

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作者：王翠霞西安科技大学

学位级别：博士

煤体的微观结构特征及其吸附解吸规律是瓦斯灾害防治和煤层气开发与利用过程中一项重要的基础性研究工作。在借鉴前人研究结果的基础上，采集新疆阜康矿区气煤样和3种变质程度较高的煤样进行对比研究，分析了新疆阜康矿区气煤的孔隙结... 详细信息

煤体的微观结构特征及其吸附解吸规律是瓦斯灾害防治和煤层气开发与利用过程中一项重要的基础性研究工作。在借鉴前人研究结果的基础上，采集新疆阜康矿区气煤样和3种变质程度较高的煤样进行对比研究，分析了新疆阜康矿区气煤的孔隙结构特征，分别进行了吸附解吸实验，探寻阜康矿区气煤的瓦斯吸附机理，以及与中高变质程度煤的解吸差异性机理，通过分析气煤煤粒中瓦斯放散形式，提出了基于孔隙结构特性的煤粒瓦斯放散数学模型。\n 利用压汞和低温液氮吸附实验，研究了新疆阜康矿区气煤的孔隙分布特征和孔隙类型。结果表明：阜康矿区气煤的孔隙发育，大、中孔开放性较好，微孔和小孔开放性较差，小孔孔隙占有较大比例，其次是大孔，而中高变质程度煤样中的孔隙则含有大量墨水瓶型孔，微孔最多。\n 利用HCA高压容量法等温吸附实验装置测定了煤样的瓦斯吸附特性，通过几种吸附模型的对比分析，得出D-A方程能更好的描述阜康矿区气煤的瓦斯吸附特性，并分析了压力、粒径以及孔隙结构三个方面对阜康矿区气煤的瓦斯吸附特性的影响，给出了阜康矿区气煤的瓦斯吸附机理。\n 利用自主研发的煤样多气一体化实验台进行了瓦斯解吸规律测试，实验结果表明：不同吸附平衡压力的瓦斯累计解吸量均随解吸时间的延长而增大，呈单调递增的有限函数，瓦斯放散衰减系数Kt值与吸附平衡压力无关，吸附平衡压力增加使瓦斯放散初速度增大。初始瓦斯解吸量与各孔径段的孔容和比表面积均成正相关关系，大孔的孔容及其比表面积对初始瓦斯解吸量和瓦斯放散初速度起决定性的作用，瓦斯放散初期，从煤体中放散出来的瓦斯气体主要来源于孔径较大的大孔和可见孔内。对比不同变质程度煤的相对解吸率，提出了不同变质程度煤样解吸规律的差异性机理。\n 针对现阶段不同学者对煤粒中瓦斯放散方式机理的不统一，以Fick扩散为理论基础建立煤粒瓦斯放散方程，并对其进行了解算，将理论解算结果与实验结果对照分析发现单纯运用Fick扩散来描述气煤煤粒的瓦斯放散方式是不准确的。通过对阜康矿区气煤的孔隙的分形特征及孔径分布特征分析，将孔隙按孔径大小划分为大于140nm的渗流孔和小于140nm的吸附孔，并判定瓦斯气体在在渗流孔中以渗流方式流动，在吸附孔中以扩散的形式进行流动。结合阜康矿区煤粒的孔隙结构特征及其内部瓦斯不同的流动形式，提出相应的煤粒物理模型，建立了基于孔隙结构特征的瓦斯放散方程，并给出了初始条件及边界条件。\n 采用有限差分方法，对建立的煤粒瓦斯放散数学模型进行离散化处理，采用VB语言对经过离散化的数学模型进行了编程解算。对实验条件下煤粒瓦斯放散规律进行了模拟，并与实验结果对照，得出模拟结果与实验结果基本吻合，证明了所建立的煤粒瓦斯放散数学模型的正确性。模拟分析了西沟二矿煤样在一定压力条件下，煤粒渗流孔中瓦斯压力、吸附孔基质中浓度及煤粒中含量变化规律。分别分析了吸附平衡压力、透气性系数以及孔隙结构对煤粒瓦斯放散量和煤粒瓦斯放散初速度的影响规律，并得到了渗流孔中透气性系数和渗流孔孔容与煤粒瓦斯放散初速度的关系式。\n 本文的研究对阜康矿区煤层瓦斯含量预测及抽采具有一定的指导意义。

关键词：孔隙结构瓦斯放散矿区气煤煤粒渗流孔含量预测

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