基于双重能量约束的煤与瓦斯突出发展及强度分析理论

1

作者 王成浩 程远平 +1 位作者 王亮 蒋静宇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第10期4791-4810,共20页

基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯... 基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯膨胀能释放的协同作用机制,构建包含全过程能量判据的新型理论框架。首先,基于煤体拉伸破坏的临界应力-孔隙率耦合关系,推导瓦斯膨胀能阈值的解析表达式,并建立考虑工作面应力和瓦斯非均匀分布特征的突出激发能量判据;然后,将传统的能量守恒式作为突出发展的判别式,建立基于变形等效原理的突出不同阶段煤体搬运功计算模型、基于最小新增面积原理的煤体破碎功计算模型,以完善突出发展的多阶能量约束体系;最后,提出能量链式释放理论,通过“激发—发展”双条件时序约束机制,多阶段动态模拟突出过程。结果表明:随着与工作面距离的增加,煤层储能与突出阈值呈现非线性递增趋势,且突出阈值的超线性增长特性导致二者形成自下而上的交叉点,该临界交点决定了煤体抛出的空间范围;突出初始阶段受激发条件主导,后期转为发展条件控制;经参数敏感性分析,确定能量转化效率为30.5%~66.1%(μ=52.3%±13.1%),该参数使模拟结果与近年来事故案例突出强度数据吻合度较好。研究发现,构造煤(f<0.2)在高地应力(>35 MPa)和低瓦斯压力(<0.52 MPa)条件下仍具备突出潜能,建议将地应力监测提升为煤矿动力灾害防控的核心指标。本研究建立的“激发—发展”全周期能量链式分析体系,为突破难以定量化表征突出过程的瓶颈提供了新范式。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 能量判据 突出激发 突出发展 突出强度

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基于综合评判模型的煤与瓦斯突出危险程度预测 被引量：5

2

作者 梁冰 秦冰 +2 位作者 孙维吉 王岩 孙雅楠 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2015年第7期129-134,共6页

针对某些矿井出现的"低指标"突出现象,提出一种新的综合评判模型,用于煤与瓦斯突出危险程度预测。选取鉴定煤与瓦斯突出的4个单项指标临界值作为参考点,建立煤与瓦斯突出危险性预测综合评判准则。当评判距离Ri属于[0,1],判断... 针对某些矿井出现的"低指标"突出现象,提出一种新的综合评判模型,用于煤与瓦斯突出危险程度预测。选取鉴定煤与瓦斯突出的4个单项指标临界值作为参考点,建立煤与瓦斯突出危险性预测综合评判准则。当评判距离Ri属于[0,1],判断突出强度;当Ri属于[-1,0],判断突出危险可能性,量化了突出强度及可能突出的危险程度,并划分突出强度、突出危险可能性等级。利用模型对淮南矿突出程度进行预测,预测结果与实际吻合,实现了定性语言与定量数据相结合的突出预测,为煤与瓦斯突出提供了一种新的预测方法。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 综合判据 量化 等级划分 预测

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冲击地压和突出的统一失稳理论 被引量：182

3

作者 章梦涛 徐曾和 +1 位作者 潘一山 赵阳升 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1991年第4期48-53,共6页

本文根据近代已经基本搞清的煤岩变形破裂理论探讨了冲击地压和突出现象的共同机理。作者指出:冲击地压和突出都是煤(岩)变形系统处于非稳定平衡状态下受到扰动发生的动力失稳过程。采用失稳的能量判据作为冲击地压和突出的统一判据,建... 本文根据近代已经基本搞清的煤岩变形破裂理论探讨了冲击地压和突出现象的共同机理。作者指出:冲击地压和突出都是煤(岩)变形系统处于非稳定平衡状态下受到扰动发生的动力失稳过程。采用失稳的能量判据作为冲击地压和突出的统一判据,建立了这两种现象统一的失稳理论。 展开更多

关键词 矿山 冲击地压 突出 失稳

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实验室煤与瓦斯突出模拟试验回顾及展望 被引量：10

4

作者 张春华 刘泽功 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第3期48-53,共6页

为借鉴国内外煤与瓦斯突出模拟试验研究成果,查阅大量相关文献,进行分析和总结。以人们对煤与瓦斯突出试验研究的深入程度为主线,将实验室煤与瓦斯突出模拟试验的研究历程进行阶段划分。研究表明:20世纪50—60年代,成功诱导了突出,初步... 为借鉴国内外煤与瓦斯突出模拟试验研究成果,查阅大量相关文献,进行分析和总结。以人们对煤与瓦斯突出试验研究的深入程度为主线,将实验室煤与瓦斯突出模拟试验的研究历程进行阶段划分。研究表明:20世纪50—60年代,成功诱导了突出,初步考察诸因素对突出的影响;70—90年代,深入探究突出发生的力学判据及突出过程,并提出数十种有关突出机理方面的假说;21世纪初,以组建三维模拟试验台进行试验为特点,大大提高了模拟试验条件与现场的相似度,但在力学加载系统的稳定性和可调性、模型的整体密封性、测试探头的精度等方面仍需改进。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 模拟试验 突出装置 力学判据 突出过程

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煤与瓦斯突出的一维流动模型和启动判据 被引量：8

5

作者 俞善炳 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 1992年第4期418-431,共14页

本文将煤与瓦斯突出这一现象和因素模化,建立了研究机理的一维流动模型,给出了基本方程和突出基本准则——破碎起动准则。在这理想模型中,开挖前的围压作为煤体受载因素影响破碎起动从而影响流场,流场与应力场则解耦,可独立地研究流场,... 本文将煤与瓦斯突出这一现象和因素模化,建立了研究机理的一维流动模型,给出了基本方程和突出基本准则——破碎起动准则。在这理想模型中,开挖前的围压作为煤体受载因素影响破碎起动从而影响流场,流场与应力场则解耦,可独立地研究流场,研究瓦斯渗流,煤的破碎起动及随后的两相流与纯气相流。 掘进是外加扰动,使渗流相对加剧,是启动突出的基本因素。讨论恒速掘进下的渗流过程,从渐近解——恒稳渗出解给出启动判据,分别表示成:可能条件——地应力条件;孕育条件——掘进条件或瓦斯条件;触发条件——渗出速度条件。 展开更多

关键词 煤 瓦斯 突出 判据 启动 渗流 掘进

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深埋特长隧道岩爆预测研究 被引量：20

6

作者 汪波 何川 吴德兴 《铁道工程学报》 EI 北大核心 2009年第11期45-49,68,共6页

研究目的:苍岭隧道最大埋深近800 m,隧道内围岩完整性好,强度高,在高围压条件下,隧道开挖后将产生岩爆现象,为保障隧道施工安全,准确预测掌子面前方未开挖段的岩爆发生状况,采用理论与实测相结合研究手段,两阶段预报方案对苍岭隧道的岩... 研究目的:苍岭隧道最大埋深近800 m,隧道内围岩完整性好,强度高,在高围压条件下,隧道开挖后将产生岩爆现象,为保障隧道施工安全,准确预测掌子面前方未开挖段的岩爆发生状况,采用理论与实测相结合研究手段,两阶段预报方案对苍岭隧道的岩爆发生状况进行了预测。研究结论:通过两阶段岩爆预测可知,较之施工前岩爆预测情况,在实际条件下,轻微岩爆区长度将减少,中等岩爆区则基本相当,岩爆基本发生在边墙部位;卢森判据的结论更加适合本隧道岩爆的预测,前期研究中获取的隧道区内构造应力场较为准确,采用理论与现场实测的研究手段,结合两阶段岩爆预测模式,准确预测了掌子面前方一定范围内岩爆发生状况,为岩爆预测提供了切实可行的方法。 展开更多

关键词 苍岭隧道 岩爆预测 数值计算 判据 应力

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秦岭翠华山特长隧道高地应力问题研究 被引量：8

7

作者 杜世回 《铁道工程学报》 EI 北大核心 2012年第2期55-58,63,共5页

研究目的:关于深埋长大隧道高地应力问题,业界存在许多理论和判据,不同行业、不同项目采用的判据各有不同。究竟如何预判岩爆地质灾害,有效指导安全施工。通过秦岭翠华山特长隧道勘察预判和施工验证,研究隧道高地应力问题及如何预判岩... 研究目的:关于深埋长大隧道高地应力问题,业界存在许多理论和判据,不同行业、不同项目采用的判据各有不同。究竟如何预判岩爆地质灾害,有效指导安全施工。通过秦岭翠华山特长隧道勘察预判和施工验证,研究隧道高地应力问题及如何预判岩爆灾害。研究结论:秦岭翠华山特长隧道最大水平主应力方向与隧洞轴线方向夹角偏大,发生岩爆是不可避免的;基于地应力参数和岩石参数计算得出洞身开挖时存在岩爆可能性的结论,具有一定的片面性;翠华山隧道施工实践证明,在众多理论和判据中,应该多采用几种判据,综合分析后评价岩爆问题,更能接近于实际。 展开更多

关键词 隧道 地应力 岩爆 判据

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地应力测量在岩石与CO_2突出灾害研究中的应用 被引量：14

8

作者 王连捷 孙东生 +1 位作者 张利容 周冠武 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第1期28-32,共5页

为减轻和防治岩石与CO2突出灾害,对吉林营城煤矿进行了地应力测量、岩石力学参数测试、CO2气体压力量测以及地质构造分析,并进行了应力场的数值计算,得到了该区地应力的详细分布情况.在此基础上,预测了岩石与CO2突出的危险区,提出了用... 为减轻和防治岩石与CO2突出灾害,对吉林营城煤矿进行了地应力测量、岩石力学参数测试、CO2气体压力量测以及地质构造分析,并进行了应力场的数值计算,得到了该区地应力的详细分布情况.在此基础上,预测了岩石与CO2突出的危险区,提出了用超前钻孔爆破卸压法降低工作面前方的气体压力和地应力的防治措施. 展开更多

关键词 地应力测量 岩石力学性质 破裂准则 突出区预测

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基于上限原理的两种岩溶隧道岩墙厚度计算方法 被引量：26

9

作者 杨子汉 杨小礼 +2 位作者 许敬叔 李永鑫 孙志彬 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期801-809,共9页

岩溶隧道掌子面附近的高压富水溶腔易造成突水、突泥地质灾害,在施工中确定合适的岩墙厚度是一个亟待解决的技术问题。基于极限分析上限原理提出了两种新的岩墙厚度计算思路,即线性Mohr-Coulomb准则方法与非线性Hoek-Brown准则方法。根... 岩溶隧道掌子面附近的高压富水溶腔易造成突水、突泥地质灾害,在施工中确定合适的岩墙厚度是一个亟待解决的技术问题。基于极限分析上限原理提出了两种新的岩墙厚度计算思路,即线性Mohr-Coulomb准则方法与非线性Hoek-Brown准则方法。根据构建的相应三维破坏模式,推导演绎了计算步骤,最终得到了这两种方法的岩墙厚度表达式。采用线性Mohr-Coulomb方法计算了Ⅰ~Ⅴ级围岩下的岩墙安全厚度。结果表明:随着围岩等级的逐级降低,即黏聚力、内摩擦角的减小,岩墙厚度在不断增大。对于非线性Hoek-Brown方法则分析了各个参数对岩墙厚度的影响,并根据计算结果绘制了岩墙的破坏形状与范围;同时,给出了Hoek-Brown常数A、B的建议取值,即围岩Ⅰ至Ⅵ级、岩性条件从好至坏,分别建议A取0.5~0.3,B取0.7~0.9。应用这两种方法分别计算了宜万铁路云雾山隧道与野三关隧道溶腔的预留岩墙厚度,与工程实际吻合良好,从而验证了方法的可行性。这两种计算方法可为今后高风险岩溶地区隧道的设计与施工提供参考。 展开更多

关键词 岩溶隧道 岩墙厚度 极限分析原理 突水突泥 Mohr-Coulomb线性准则 Hoek-Brown非线性准则

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保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则 被引量：30

10

作者 胡国忠 王宏图 袁志刚 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第7期1131-1136,共6页

针对传统的保护层开采保护范围的残余瓦斯压力判别准则在实际应用中的局限性,结合某煤矿上保护层开采工程,提出了一种新的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则。根据煤与瓦斯突出的固气耦合失稳理论,通过引入煤体孔隙率与渗透率... 针对传统的保护层开采保护范围的残余瓦斯压力判别准则在实际应用中的局限性,结合某煤矿上保护层开采工程,提出了一种新的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则。根据煤与瓦斯突出的固气耦合失稳理论,通过引入煤体孔隙率与渗透率的动态变化模型,建立了有限变形下煤与瓦斯突出的固气动态耦合失稳模型;针对该工程实例,得到了被保护层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值,从而建立了以极限瓦斯压力值为判定值的保护层开采保护范围的判别准则。研究结果表明,该工程的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则的判定值为0.25 MPa,该准则反映了地应力、瓦斯压力与煤的结构对煤与瓦斯突出的综合作用。 展开更多

关键词 保护层 保护范围 极限瓦斯压力 判别准则 煤与瓦斯突出

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煤与瓦斯突出潜在危险区(带)预测 被引量：28

11

作者 鲜学福 许江 王宏图 《中国工程科学》 2001年第2期39-46,51,共9页

煤矿的生产和实践证明 ,发生在矿井中的动力现象具有分区和成带的特点。文章探讨了把煤、岩和瓦斯作为一个体系 ,采用力学方法的划分问题。根据对煤岩复合样及含瓦斯煤样在复杂应力状态下力学性质的分析 ,基于对Drucker-prager理论的修... 煤矿的生产和实践证明 ,发生在矿井中的动力现象具有分区和成带的特点。文章探讨了把煤、岩和瓦斯作为一个体系 ,采用力学方法的划分问题。根据对煤岩复合样及含瓦斯煤样在复杂应力状态下力学性质的分析 ,基于对Drucker-prager理论的修正和完善 ,建立了它们的断裂判据 ,并给出了计算稳定性系数和潜在弹性应变能密度的公式 ,提出了按这两个指标划分煤与瓦斯突出潜在危险区 (带 ) 展开更多

关键词 矿井中的动力现象 煤与瓦斯突出 潜在危险区(带) 断裂判断 稳定性系数 弹性应变能密度

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煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究 被引量：172

12

作者 潘一山 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第1期105-112,共8页

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾... 随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 冲击地压 复合动力灾害 一体化 扰动响应统一失稳判别准则

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煤与瓦斯突出多因素影响规律与能量判据实验研究 被引量：6

13

作者 王伟 王汉鹏 +1 位作者 张冰 徐飞 《东北大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期582-590,共9页

为分析煤与瓦斯突出多因素耦合影响规律,开展了多组不同条件下含瓦斯煤快速揭露致突模拟试验.将模拟试验结果与突出能量模型相结合,计算突出潜能与突出耗能的定量关系,分析得出突出临界瓦斯压力与煤体强度呈正相关,与轴向应力呈负相关,... 为分析煤与瓦斯突出多因素耦合影响规律,开展了多组不同条件下含瓦斯煤快速揭露致突模拟试验.将模拟试验结果与突出能量模型相结合,计算突出潜能与突出耗能的定量关系,分析得出突出临界瓦斯压力与煤体强度呈正相关,与轴向应力呈负相关,验证了能量判据对突出激发的必要性.选取煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体强度及密度等参数建立了两个综合考虑多影响因素的无量纲参数,进而拟合得出发生剧烈突出的能量判据公式.结果表明:瓦斯压力及轴向应力越大,煤体强度越小,突出危险性越高;各因素对煤与瓦斯突出危险性的影响重要程度排序为:瓦斯压力>煤体强度>轴向应力. 展开更多

关键词 揭煤致突 模拟试验 多因素影响 能量分析 突出判据

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外载扰动诱发灾害发生的突变机理及其非线性动力特征 被引量：5

14

作者 李利平 石少帅 +1 位作者 李术才 许振浩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第8期1359-1364,共6页

基于突水灾害类型和突水灾变模式的系统分析,提出防突关键体概念,建立防突关键层与关键块的力学模型,外力扰动则简化为平面应力波,建立防突关键层失稳与动荷载诱发岩块失稳突水的突变模型,并基于系统能量的平衡分析获得局部突变的分岔集... 基于突水灾害类型和突水灾变模式的系统分析,提出防突关键体概念,建立防突关键层与关键块的力学模型,外力扰动则简化为平面应力波,建立防突关键层失稳与动荷载诱发岩块失稳突水的突变模型,并基于系统能量的平衡分析获得局部突变的分岔集,导出了突水(泥)的失稳判据,发现不但取决于防突结构的几何尺寸、材料性质、水压等因素,还与外荷载的强度和频率有很大关系。基于动载动力特性的数值分析,研究了不同动载振幅、频率对最小防突关键体厚度的影响,进而提出"小进尺、弱爆破"等预防突水灾害的防治措施。 展开更多

关键词 岩溶突水 外载扰动 突变控制模型 失稳判据 最小防突厚度 防突措施

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受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性 被引量：9

15

作者 周斌 许江 +4 位作者 彭守建 赵鹏翔 秦雷 白杨 程亮 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期1260-1274,共15页

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明:... 受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明:突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力差总体表现为先减小后增大的过程。突出煤体在压缩和张拉状态的动态演变过程中,表现出间歇性的趋于破坏和稳定状态,卸压区和集中区突出煤体在经历一个趋于破坏的力学状态后,将会随即进入另一个趋于稳定的状态。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 瓦斯膨胀 C-M准则 有效应力 应力圆

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煤体初始瓦斯涌出规律预测煤巷突出危险性研究 被引量：7

16

作者 伍小沙 田世祥 +4 位作者 马瑞帅 许石青 林华颖 余婕 苏伟伟 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期116-121,共6页

为提高煤巷突出危险性预测的准确性,基于摩尔库伦准则,建立煤巷突出平衡方程,探究煤巷突出发生条件;通过COMSOL Multiphysics模拟软件探究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系;利用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型连续流量法煤层巷道突出预测装置... 为提高煤巷突出危险性预测的准确性,基于摩尔库伦准则,建立煤巷突出平衡方程,探究煤巷突出发生条件;通过COMSOL Multiphysics模拟软件探究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系;利用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型连续流量法煤层巷道突出预测装置,以薛湖煤矿二煤层为试验对象,进行煤巷突出危险性预测试验研究。结果表明:钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力呈线性关系,钻孔初始瓦斯流量可以作为预测煤巷突出危险性的敏感指标;最大流量峰面积、钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度变化趋势基本相同,且最大流量峰面积取值范围较广;最大流量峰面积突出临界值取值为59.30(L·m2)/min。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 突出预测 摩尔库伦准则 钻孔初始瓦斯流量 最大流量峰面积

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