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卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用
1
作者
蒋静宇
史孝宁
+2 位作者
王成浩
程远平
黄一鸣
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期4473-4485,共13页
煤与瓦斯突出(简称“突出”)多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程,为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理,选取地质构造复杂、突...
煤与瓦斯突出(简称“突出”)多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程,为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理,选取地质构造复杂、突出灾害治理难度较大的平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象,开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴加载试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果揭示了不同卸压速度条件下构造煤体的粉化特征和瓦斯解吸规律,反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能,提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明:卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用,卸压速度越大,弱化作用越强,越容易发生破坏。随着卸压速度的提高,煤样破碎后的粉化程度增强,瓦斯解吸量亦随之增高,导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从0.01 MPa/s增大至0.1 MPa/s时,破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了21.05%~40.00%。卸压速度的增大,使得构造煤样的破碎程度、气体流动通道和煤体内能增加,初始瓦斯解吸量也随之增加,最终导致瓦斯膨胀能的增加。研究表明卸压速度对诱导突出连续发展有着关键作用,其控制瓦斯膨胀能的正反馈过程不断循环是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。
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关键词
煤与瓦斯突出
卸压速度
粉化作用
瓦斯膨胀能
正反馈循环
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职称材料
构造异常区能量单元切割理论及冲孔-爆破协同增透技术
2
作者
蒋静宇
董晓斌
+3 位作者
魏民涛
王成浩
程远平
史孝宁
《煤炭学报》
2025年第5期2477-2495,共19页
煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层...
煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层相邻冲孔钻孔之间易形成新的应力集中带,限制和影响瓦斯抽采。采用理论分析,数值模拟和现场实验相结合的方法,研究了冲孔与爆破联合卸压增透降能消突原理。主要研究结论为:①提出了突出能量单元切割理论及冲爆协同增透技术,结合突出潜能分布和突出启动能量判据,将煤层划分若干个能量单元,进行边界处切割、内部分区治理。针对构造异常区煤体采用先冲孔后可控定向聚能爆破的方式对煤体定向致裂、释放应力,冲孔孔洞为爆破影响范围内煤体移动提供了自由空间,在爆破点处形成了煤体自由面并改变了煤层的连续性,爆生气体与定向应力波可促进应力再平衡。②FALC3D模拟显示,冲孔可以降低孔周煤体应力,随着冲孔半径的增大,卸压半径亦随之增大。且冲孔后会在孔周卸压区外形成一定范围的应力集中带,限制瓦斯流动。③阐明了可控定向聚能爆破技术的介质-能量切割原理,爆破改变了被切割单元煤体自由面附近的突出潜能赋存梯度,实现介质切割控制能量切割。单元切割有效增加了采掘工作面前方阻能区长度,降低了低能–高能过渡带内作业风险。④利用ANSYS/LS-DYNA软件,模拟了煤层可控定向聚能爆破与冲孔孔洞协同作用,结果表明可控定向聚能爆破实现了对煤体的定向致裂,在聚能方向上侵彻煤体形成较大裂隙。随着时间推移,以冲孔孔洞作为控制孔的孔周产生环向裂隙网,并随着裂隙扩展逐渐与非聚能方向的裂隙贯通,实现对煤体的有效增透。⑤冲爆协同增透技术现场试验表明,爆破孔周围10 m范围内冲孔区域煤体应力和排渣量显著降低,单、双根聚能管爆破后的瓦斯抽采纯量分别提高1.76~4.35倍和1.35~8.60倍。水力冲孔瓦斯有效抽采半径仅为5 m,冲孔与爆破协同卸压增透影响半径大于10 m,卸压效果提高一倍以上,煤巷月掘进速度提高了20 m。
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关键词
煤与瓦斯突出
构造异常区
能量单元切割
可控定向聚能爆破
卸压增透
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职称材料
题名
卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用
1
作者
蒋静宇
史孝宁
王成浩
程远平
黄一鸣
机构
中国矿业大学
煤矿灾害防控全国重点实验室
中国矿业大学
煤矿瓦斯治理国家工程
研究
中心
中国矿业大学
安全工程学院
中国矿业大学
人工智能
研究院
中国矿业大学贵州研究院
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期4473-4485,共13页
基金
国家自然科学基金资助项目(52174217)
江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师资助项目(苏教师函[2019]31号)。
文摘
煤与瓦斯突出(简称“突出”)多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程,为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理,选取地质构造复杂、突出灾害治理难度较大的平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象,开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴加载试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果揭示了不同卸压速度条件下构造煤体的粉化特征和瓦斯解吸规律,反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能,提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明:卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用,卸压速度越大,弱化作用越强,越容易发生破坏。随着卸压速度的提高,煤样破碎后的粉化程度增强,瓦斯解吸量亦随之增高,导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从0.01 MPa/s增大至0.1 MPa/s时,破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了21.05%~40.00%。卸压速度的增大,使得构造煤样的破碎程度、气体流动通道和煤体内能增加,初始瓦斯解吸量也随之增加,最终导致瓦斯膨胀能的增加。研究表明卸压速度对诱导突出连续发展有着关键作用,其控制瓦斯膨胀能的正反馈过程不断循环是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。
关键词
煤与瓦斯突出
卸压速度
粉化作用
瓦斯膨胀能
正反馈循环
Keywords
coal and gas outburst
pressure-unloaded speed
pulverization
gas expansion energy
positive feedback cycle
分类号
TD712 [矿业工程—矿井通风与安全]
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职称材料
题名
构造异常区能量单元切割理论及冲孔-爆破协同增透技术
2
作者
蒋静宇
董晓斌
魏民涛
王成浩
程远平
史孝宁
机构
中国矿业大学
煤矿灾害防控全国重点实验室
出处
《煤炭学报》
2025年第5期2477-2495,共19页
基金
国家自然科学基金资助项目(52174217,52104210,52404262)。
文摘
煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层相邻冲孔钻孔之间易形成新的应力集中带,限制和影响瓦斯抽采。采用理论分析,数值模拟和现场实验相结合的方法,研究了冲孔与爆破联合卸压增透降能消突原理。主要研究结论为:①提出了突出能量单元切割理论及冲爆协同增透技术,结合突出潜能分布和突出启动能量判据,将煤层划分若干个能量单元,进行边界处切割、内部分区治理。针对构造异常区煤体采用先冲孔后可控定向聚能爆破的方式对煤体定向致裂、释放应力,冲孔孔洞为爆破影响范围内煤体移动提供了自由空间,在爆破点处形成了煤体自由面并改变了煤层的连续性,爆生气体与定向应力波可促进应力再平衡。②FALC3D模拟显示,冲孔可以降低孔周煤体应力,随着冲孔半径的增大,卸压半径亦随之增大。且冲孔后会在孔周卸压区外形成一定范围的应力集中带,限制瓦斯流动。③阐明了可控定向聚能爆破技术的介质-能量切割原理,爆破改变了被切割单元煤体自由面附近的突出潜能赋存梯度,实现介质切割控制能量切割。单元切割有效增加了采掘工作面前方阻能区长度,降低了低能–高能过渡带内作业风险。④利用ANSYS/LS-DYNA软件,模拟了煤层可控定向聚能爆破与冲孔孔洞协同作用,结果表明可控定向聚能爆破实现了对煤体的定向致裂,在聚能方向上侵彻煤体形成较大裂隙。随着时间推移,以冲孔孔洞作为控制孔的孔周产生环向裂隙网,并随着裂隙扩展逐渐与非聚能方向的裂隙贯通,实现对煤体的有效增透。⑤冲爆协同增透技术现场试验表明,爆破孔周围10 m范围内冲孔区域煤体应力和排渣量显著降低,单、双根聚能管爆破后的瓦斯抽采纯量分别提高1.76~4.35倍和1.35~8.60倍。水力冲孔瓦斯有效抽采半径仅为5 m,冲孔与爆破协同卸压增透影响半径大于10 m,卸压效果提高一倍以上,煤巷月掘进速度提高了20 m。
关键词
煤与瓦斯突出
构造异常区
能量单元切割
可控定向聚能爆破
卸压增透
Keywords
coal and gas outburst
tectonic anomalies
energy unit cutting
controlled energy-accumulating blasting
pressure relief and permeability enhancement
分类号
TD712 [矿业工程]
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职称材料
题名
作者
出处
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被引量
操作
1
卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用
蒋静宇
史孝宁
王成浩
程远平
黄一鸣
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
2
构造异常区能量单元切割理论及冲孔-爆破协同增透技术
蒋静宇
董晓斌
魏民涛
王成浩
程远平
史孝宁
《煤炭学报》
2025
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