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1、西安科技大学 硕士学位论文 煤与瓦斯突出及持续发生的多尺度理论研究 姓名：许鸿杰 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：张天军 论文题目：煤与瓦斯突出及持续发生的多尺度理论研究 专 业：固体力学 硕 士 生：许鸿杰 （签名） 指导教师：张天军 （签名） 摘 要 为了研究掘进巷道掘进头煤与瓦斯突出产生及持续的力学条件，针对影响煤与瓦斯 突出及其持续发生的主要因素，采用 WY-98B 型瓦斯吸附常数测定仪，进行不同温度、 压力情况下煤吸附瓦斯的实验研究；利用 MTS8150.4 型电液三轴伺服试验系统，进行 煤岩单轴和三轴压缩试验，研究煤岩的强度分布特征。依据实验和理论分析结果，给出 煤与
2、瓦斯突出及其持续发生的多尺度力学条件，得到的主要结论如下： （1）不同煤样的等温吸附线不同，在常温态附近，温度越高吸附常数 a、b 越小； 煤体对瓦斯的吸附量随着温度的升高而变小，压力越大，煤体吸附量随吸附温度变化趋 势越明显，在相同温度变化趋势下不同煤的吸附常数的变化趋势不同。 （2） 由于煤岩内部的无序性使得煤的脆性断裂强度呈现非均匀分布， 不同煤的脆性 断裂强度的也存在着较大的差异。煤岩的断裂强度的近似正态分布规律同 Weibull 分布 相比，能够更加清晰的解释煤样破坏的时应力在一定范围内的集中问题。 （3）在球壳失稳理论的基础上，联系实验规律得出了突出发生的多尺度力学条件， 以及在温
3、度压力等因素下，进行煤与瓦斯突出预测的概率。 （4） 煤与瓦斯突出过程中， 破碎煤粒与瓦斯组成的二相流的分布密度和巷道中能量 分布密度大小随距煤岩突出中心的距离的增大而减小；煤与瓦斯组成的二相流的突出势 的大小随初始压力的增大而增大，初始压力越大其增大趋势也越大；温度、压力越大， 突出势越大，越易发生突出；突出势大于零，突出得以持续发生，突出势小于零不容易 发生持续突出。 关 键 词：煤与瓦斯突出；强度分布密度；多尺度；二相流体；能量 研究类型：应用研究 Subject : Research on The Multi-scale Mechanism Of Coal and Gas Outbur
4、st and Continuance Specialty : Solid Mechanic Name : Xu Hongjie (Signature) Instructor : Zhang 解解解解 Tianjun (Signature) ABSTRACT In order to study the mechanical conditions of that coal and gas outburst develops and lasts in drifting tunnel, experiments on adsorbed gas-coal under different temperatu
5、res and pressures by WY-98B adsorbed gas-coal coefficient apparatus are conducted with considering major factors of coal and gas outburst. Unaxial and triaxial compression tests of coal samples are also conducted with MTS8150.4 electro-hydraulic triaxial servo testing system, which test results are
6、analyzed for strength distributions of the samples. According to the experiment results and theoretical analysis, multi-scale mechanical conditions of that coal and gas outburst develops and lasts are presented. The main conclusions are as follows: (1) The adsorption isotherms of different coal samp
7、les are different. In normal mode, adsorption constants, a as well as b, decrease as the temperature increase. With the increase of the temperature, the quantity of adsorbed gas-coal decreases. With the increase of the pressure, the quantity of adsorbed gas-coal has significant change. When the temp
8、erature-change trend are same, adsorption constants-change trend of different coal samples are different. (2) Because of the randomness of coal samples, the brittle fracture strength distributions of coal samples appears non-uniform and the brittle fracture strength of different coals also have obvi
9、ous difference. Regarding fracture strength of coal samples, compare with Weibull distribution, approximate normal distribution can clearly explain stress concentration of coal samples in a certain range. (3) On basis of the spherical shell destabilization theory and experimental law, multi-scale me
10、chanical conditions of adsorbed gas-coal are presented. The predicted probability density function of coal and gas outburst under different temperature and pressure are also provided. (4) In the process of coal and gas outburst, probability density of two phase flow that consists of broken coal and
11、gas as well as energy distribution density in roadway both decrease with the distance increase from the center of coal rock outburst. With increase of original pressure, outburst potential energy of two phase flow increase, and outburst potential energy-change trend is more obvious. With increase of
12、 temperature and pressure, coal and gas outburst can easily develop. If outburst potential is larger than zero, outburst can last. Otherwise, outburst is not easy to develop. Key words : Coal and gas outburst Strength distribution function Multi-scale Two phase flow Energy Thesis : Applied Research
13、1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界上产煤最多的国家，煤炭是我国的主体能源和重要原料。在我国的一次 能源消费结构中，煤炭约占 67%，预计 2050 年仍将占 50%以上1。 在煤矿开采过程中，随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力的不断加大，地质 条件也越来越复杂，开采过程中发生的灾害也越来越多，如突水渗水事故、矿井巷道坍 塌、 煤与瓦斯突出与爆炸等等。 建国后 50 年(19491999 年)， 我国煤矿发生一次死亡 100 人以上的特重大矿难事故 14 起，死亡 2300 余人，其中与瓦斯动力灾害相关者占了 10 起，瓦斯灾害是煤矿事故中的
14、最为严重的事故之一2。近年来瓦斯动力灾害更是频繁发 生，如 2004 年 10 月 20 日河南大平煤矿、11 月 28 日陕西陈家山煤矿、2005 年 2 月 14 日辽宁阜新孙家湾煤矿，117 天内连发 3 起死亡百人以上的特大恶性瓦斯爆炸事故，共 死亡 528 人，这在人类采煤历史上都是罕见的。而发生一次死亡 10 人以上的瓦斯煤尘 爆炸和煤与瓦斯突出特大事故达 41 起，死亡 1202 人，占煤矿企业一次死亡 10 人以上 特大事故总起数的 70.7，总人数的 69.13。 煤与瓦斯突出是瓦斯动力灾害事故之一，它是指煤矿采掘过程中煤与瓦斯在一定条 件下的突然喷出，即煤和瓦斯在极短的时间
15、向巷道或工作面大量涌出的物理爆炸过程， 这种喷出在较短的时间内会产生很大的冲击力量，破坏工作面煤壁，从煤层深部排出大 量的煤和瓦斯气体，并且伴有强烈的声响4。煤与瓦斯突出常常发生在掘进巷道的掘进 头处。突出的煤体能够对人身及设备造成伤害和损坏，发生突出后释放大量的瓦斯不仅 能够造成井下工人的窒息，而且能够酿成瓦斯、煤尘爆炸事故。近年来，随着开采条件 的日趋复杂和生产机械化程度的提高，煤与瓦斯突出发生的强度及造成的人员伤亡呈增 长趋势5。 目前，国内外关于煤与瓦斯突出的认识大都依据于经典的弹塑性理论、能量守恒等 理论；对突出灾害的预测多采用经验类比分析、地音监测和钻屑法测量等方法。大量现 场监测
16、表明2，即使地质条件和开采条件相同，系统的演化结果也会表现出很大差异。 作为一种非连续介质，煤岩处于稳定态，但随着煤炭采出，某种因素影响了煤岩体动态 平衡过程，当这种动态平衡演化到临界点附近时，微小的扰动就可将原有的平衡状态打 破，使煤岩体发生失稳，在一定的瓦斯动力条件下就有可能发生突出现象。煤与瓦斯突 出的发生是在瞬间完成的，具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性和复杂性等特点。突 西安科技大学硕士学位论文 2 出现象的发生与煤岩内部的微观组分构成、煤岩介质的力学性质、煤岩瓦斯吸附解吸特 性、煤岩渗透特性以及原岩地应力、开采技术条件等密切相关，是典型的非线性不连续 现象6。 由于煤矿开采的重要性、突出灾害的频发性以及其现象的复杂性，研究煤与瓦斯突
