《煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理》PPT课件

1、汇报提纲1. 2009年度研究进展2. 五年计划任务的完成情况3. 进一步研究计划4. 经费使用情况5. 课题间的合作交流与科学数据共享2009年度研究进展1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法 煤与瓦斯突出和冲击地压的异同点 煤岩动力灾害统一能量模型 煤岩瓦斯动力灾害新的分类方法 瓦斯对冲击倾向性指标的影响2009年度研究进展煤与瓦斯突出和冲击地压的异同点1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法 力学及能量平衡系统遭到破坏 破坏过程快速而猛烈 均在高应力区或采掘过程中发生破坏相同点 能量来源有差别 灾害发生各阶段的能量耗损不同 破坏形式不同 表现特征不同不同点通过对大量矿区的灾害事

2、例分析发现：随着开采深度和强度的增加，许多原来只发生煤与瓦斯突出的含瓦斯煤层发生的动力灾害往往兼具煤与瓦斯突出和冲击地压两者的特征。煤与瓦斯突出和冲击地压在许多方面是统一的，在某些条件下可以相互诱发和转化。煤岩动力灾害统一能量模型1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法efdprEEEEE弹性应变能 + 游离瓦斯内能 + 吸附瓦斯内能 = 塑性应变能 + 剩余能量方程左边说明煤岩变形过程中集聚的弹性能、煤体中游离瓦斯由于体积变化而产生的膨胀能及煤岩破坏造成瓦斯解吸释放的能量构成了煤岩动力灾害发生前的能量状态，方程右边反映了煤体发生塑性破坏要消耗掉部分能量，剩余能量则成为动力灾害发生时的动力

3、源。煤岩动力灾害新的分类方法1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法地应力作用瓦斯作用冲击地压瓦斯作用地应力作用煤与瓦斯突出煤岩瓦斯压出煤岩瓦斯冲击瓦斯对冲击倾向性指标的影响1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法实验装置原理图实验装置实物图瓦斯对冲击倾向性指标的影响1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法46810-10123吸附瓦斯压力(MPa)单轴抗压强度(MPa) 01234-10123吸附瓦斯压力(MPa)弹性能量指数随着瓦斯压力升高，煤的冲击倾向性增加，因此在通过测量冲击倾向性来预测冲击地压时，应考虑瓦斯对煤体性质的影响。2.煤与瓦斯突出发展的力学模型2009年度研究进

4、展给出突出发展过程中孔洞壁煤体连续破坏的过程与条件建模与修正研究方法2.煤与瓦斯突出发展的力学模型破坏何种形式的破坏？破坏如何连续进行？损伤、断裂力学破坏动力学地应力对煤体的破坏2.煤与瓦斯突出发展的力学模型23 xyxxKfa压剪裂纹尖端的应力强度因子：实质：裂纹的起裂、扩展和贯通断裂裂纹岩桥贯通的三种方式：剪切破坏拉剪复合破坏翼裂纹破坏单独瓦斯压力对煤体的破坏2.煤与瓦斯突出发展的力学模型椭圆孔周围的应力强度因子：实质：裂纹尖端发生拉伸破坏和扩展21/2( )apaKE kb1/2( )bpKaE k1/21/42222sincos( )apKbabE k在纯瓦斯压力作用下，椭圆孔最先总沿

5、长轴方向扩展。突出发展过程中孔洞壁的连续破坏2.煤与瓦斯突出发展的力学模型突出发展过程中破坏煤体的力除了地应力和瓦斯压力之外，还有应力波的参与。 突出发展是动力学过程，动力学过程必然有波的产生； 突出孔洞基本不会在水平方向有大的拐弯，这是由于波的传播具有方向性的原因。 纵波（P波），传播速度为5.57km/s； 最初产生的波为平面波，随着突出的发展，后续产生的波的波阵面变为圆弧面。2.煤与瓦斯突出发展的力学模型突出发展过程中孔洞壁的连续破坏过程突出发展过程中孔洞壁的连续破坏过程2.煤与瓦斯突出发展的力学模型突出发动，形成新暴露面，支承压力向前转移应力波向前传递并衰减，煤壁发生损伤加剧2.煤与瓦

6、斯突出发展的力学模型瓦斯压力导致孔洞壁处裂隙扩展，煤壁剥离，形成新的暴露面，支承压力前移产生新的应力波并向前传递，孔洞壁煤体损伤进一步加剧瓦斯压力导致孔洞壁处裂隙扩展，煤壁剥离，形成新的暴露面3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验2009年度研究进展含瓦斯煤的解吸破坏实验煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验煤与瓦斯突出的三维相似材料模拟实验分析含瓦斯煤在外部应力突然卸载时，煤体内部瓦斯对煤体的破坏作用最简化力学条件下的煤与瓦斯突出实验，分析突出发展的力学过程分析复杂力学条件下，不同要素对突出的控制作用实验名称实验目的含瓦斯煤的解吸破坏实验3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验实验装置结构原理图实验装置实

7、物图实验实验组号组号煤样类型煤样类型成型压力成型压力/MPa煤样尺寸煤样尺寸/mm充入气体充入气体气体压力气体压力/MPa吸附时间吸附时间/h1实心型煤1005075CO22.2454空心型煤100(50 - 20) 67CO24.1252原煤505050CO22.2393原煤503050CO21.6393.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验实心型煤空心型煤卸压前卸压后3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验 卸压前卸压过程中原煤在卸压过程中的破坏含瓦斯煤的解吸破坏实验煤样类型煤样类型破坏程度破坏程度实心型煤卸压后煤体出现少量垂直轴向的裂纹空心型煤卸压后煤体被破坏为较大的块状原煤卸压过程中煤体表面有粒状

8、或薄片状颗粒剥离3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验分析与推论：1. 型煤不像原煤那样内部含有原生裂纹，从而导致型煤基本上不发生碎裂破坏；2. 原煤虽然能发生一定程度的碎裂破坏，但并不能像突出那样碎为极细的粉末，说明仅瓦斯作用时不能从较小的孔隙和微孔破坏煤体，而只能从较大的裂纹破坏煤体；3. 基本上可认为吸附瓦斯的解吸过程对煤体的破坏作用较弱。煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验实验装置结构原理图实验装置实物图3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验实验实验序号序号成型压力成型压力（MPa）成型成型时间时间（h）型煤密度型煤密度（t/m3）气体压力气体压力（MPa）充气

9、时间充气时间（h）煤被煤被抛出抛出发生发生层裂层裂12.0701.0321.5548是是23.0181.0821.0546是是33.0241.0860.6848否是2号实验在突出发展过程中拍摄到的层裂现象3号实验在突出后拍摄到的层裂现象3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验2号实验各气体压力测点压力变化图注：压力传感器从模型底部到孔洞口依次编号3号实验各气体压力测点压力变化图煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验分析与推论：1. 突出发展过程中存在一个向前推进的破坏阵面，在破坏阵面上煤体成层剥离，多个剥离后尚未完全破坏的分层组合起来呈现出“层裂”现象；2. 煤在层裂破

10、坏后的抛出过程中会发生更为彻底的破碎，可定义为“粉化”破坏；3. 随着瓦斯压力的降低，突出过程中煤体破坏的剧烈程度降低，抛出分层进一步粉化破坏的程度降低，甚至基本不破碎。限制突出口大小和突出口一端位移的突出实验3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验形成的突出口突出孔洞形状的石膏拓模推想：突出过程中应力波的传播煤与瓦斯突出的三维相似材料模拟实验3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验液 压 式 压 力 机xzyx2368754191011实验装置结构原理图实验装置实物图基本参数模型尺寸：0.220.220.1875m3巷道断面尺寸：3.02.5m23.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验实验编号瓦斯压力/MPa

11、垂向压力/t前侧压力/MPa右侧压力/MPa突出情况突出强度/g突出距离/cm10.257.762.802.37不突出0020.357.762.882.48突出158030.457.762.422.88突出20025040.677.762.422.88突出209074050.957.762.422.88突出2555790瓦斯压力为0.95MPa时的突出孔洞破坏情况不同瓦斯压力条件下的突出发生情况3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验不同瓦斯放散初速度条件下的突出发生情况实验编号瓦斯放散初速度垂压力/MPa水平压力/MPa侧压力/MPa突出情况突出强度/g突出距离/cm111.347.762.422

12、.88突出16015026.147.762.422.48突出1835313.747.762.422.88突出240250413.97.762.422.88突出550610510.47.762.422.88突出34033068.877.762.422.88不突出00716.87.762.422.88突出2480750024681012141618050010001500200025003000Data: Data1_BModel: BelehradekEquation: y = a*(x-b)cWeighting: yNo weighting Chi2/DoF= 240324.19404R2=

13、0.79112 a9.19819147.09454b6.1417.40966c2.254455.25848(P)(g)02468101214161802004006008001000Data: Data1_BModel: BelehradekEquation: y = a*(x-b)cWeighting: yNo weighting Chi2/DoF= 25121.64953R2= 0.79266 a6.2256959.69626b4.8632312.76177c1.933483.08183(P)(mm)瓦斯放散初速度与突出强度的关系 瓦斯放散初速度与突出距离的关系煤与瓦斯突出的三维相似材料模

14、拟实验分析与推论1. 三维突出实验同样验证了突出孔洞壁层裂现象的存在；2. 瓦斯压力表征了模型内总的瓦斯内能，因此瓦斯压力越大，突出强度也越大，等瓦斯压力小到一定程度时，将不会发生突出，实验结果与此论点相符；3. 瓦斯放散初速度表征了在突出时可参与做功的瓦斯量比重，因此瓦斯放散初速度越大，突出强度越大，实验结果也与此观点相符。3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型2009年度研究进展瓦斯涌出计算模型通用的计算公式与实际情况对比主要研究进展：1. 得出抛出煤的瓦斯涌出动态计算公式；2. 得出孔洞壁附近煤体瓦斯涌出动态计算公式，并以此为依据进行了相应的有限元分析；

15、3. 通过与现场实际情况对比验证了计算模型的可用性。4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型突出过程中的瓦斯涌出速度 321qqqqq1抛出煤的瓦斯涌出速度 ；q2孔洞周围的瓦斯涌出速度 ；q3 非突出条件下的征程瓦斯涌出速度。基本模型突出孔洞为椭球形4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型抛出煤的瓦斯涌出动态：q1Kttvq1由于突出发展过程抛出煤量是动态变化的，突出终止后抛出煤量是不变的，计算不同时间抛出的煤量，积分可得： 2321 12当133221 12当1122128（突出发展过程中）1121232121118（突出终止后）12312kkkkkktttabcv rtttkkkkkkrqt

16、tttabcv rtkkkkkr基本依据：碎煤的瓦斯解吸速度公式（文特式）：v1为煤样暴露1s时的瓦斯解吸速度，K为煤粒瓦斯涌出的衰减系数。4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型抛出煤的瓦斯涌出动态：q1突出持续时间不同时不同时刻抛出煤的瓦斯涌出速度v1和K不同时不同时不同时刻抛出煤的瓦斯涌出速度4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型孔洞周围的瓦斯涌出速度 ：q2基本依据：质量守恒定律、达西定律、朗缪尔方程。依据以上三个方程得出煤层瓦斯流动的连续方程：2222220211mmxyzabpabpppnpKKKxxyyzzpbptbp利用以上公式的求解过于复杂，因此要借助数值模拟的方法。为了反映损

17、伤造成的孔洞周围透气性系数升高，设mrrr)()10（为了便于从结果中寻找规律，对参数进行无量纲化，得25. 0)414(01000）（ mrrSpXtPF时间准数：瓦斯涌出速度准数：)(4Y102PPrq孔洞形状不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线突出强度不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线煤层透气性系数不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线瓦斯压力不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线煤层厚度不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线损伤范围不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线煤层透气性系数增长参数不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线突出持续时间不同时瓦斯涌出量随时间变化曲线4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型孔洞周围的瓦斯涌出速度 ：q

18、2根据以上数值计算结果，拟合得到孔洞周围的瓦斯涌出速度计算公式：BmAsrrpXtPePPrq25. 0414)(4010000112）（4.煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型计算结果是实际数据的对照常用的突出后瓦斯浓度随时间变化关系拟合函数有幂函数、指数函数和对数函数，这些函数没有上升段，与大型的突出后瓦斯涌出规律不相适应，因此提出新的拟合函数：teAtc02468100204060c/%t/s030060090002550CH4/%t/min 拟合 实测0501001502002503003500.02.55.0 实测 拟合CH4/%t/min拟合结果与中梁山南矿突出情况对比拟合结果与平煤

19、八矿5.28突出情况对比5.粉煤瓦斯流运动规律的数值模拟2009年度研究进展粉煤瓦斯两相流喷出时巷道内的流速分布入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.05入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.1入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.2入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.35.粉煤瓦斯流运动规律的数值模拟2009年度研究进展粉煤瓦斯两相流喷出时巷道内的流速分布入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.4入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.5入口压力/出口压力 = 2/1粉煤体积分数：0.6在相同压差条件下，随着粉煤体积分数的增加，孔洞内

20、对应各点的速度相应减小5.粉煤瓦斯流运动规律的数值模拟2009年度研究进展粉煤的体积分数与轴线最高速度的关系曲线5.粉煤瓦斯流运动规律的数值模拟2009年度研究进展粉煤瓦斯两相流喷出时巷道内的流速分布入口压力/出口压力 = 3/1粉煤体积分数：0.3入口压力/出口压力 = 5/1粉煤体积分数：0.3入口压力/出口压力 = 1.2/1粉煤体积分数：0.3在粉煤体积分数相同的条件下，随着压差的变化，可能会出现流态的突跃变化6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究 测定瓦斯含量时煤芯漏失的途径与力学条件； 取芯过程煤芯及周边瓦斯流动模型及数值模拟； 冷冻或密闭条件下煤吸附解吸瓦斯规律与影响机理； 卸压密闭

21、煤芯取样技术。 2009年度研究进展测定瓦斯含量时煤芯漏失的途径与力学条件6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究煤芯瓦斯漏失途径煤芯瓦斯漏失的力学条件：取芯过程煤芯及周边瓦斯流动模型及数值模拟6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究瓦斯想钻孔渗流模型10( )() (1)bxP xPPe钻孔周围瓦斯压力分布瓦斯压力与其距孔壁距离的关系曲线取芯过程煤芯及周边瓦斯流动模型及数值模拟6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究取芯钻孔瓦斯渗流模拟图取芯钻孔数值模型冷冻或密闭条件下煤吸附解吸瓦斯规律与影响机理6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究冷冻煤样解吸实验原理图02040608010012014001234567891

22、0解吸时间平方根（min1/2）解吸量（ml）冷冻后变温条件下的解吸量常温下的解吸量冷冻后恒温条件下的解吸量不同条件下的煤样解析曲线图卸压密闭煤芯取样技术6.煤层瓦斯压力与含量测定基础研究取芯器筒口自动密封保压技术取样煤芯真空卸压防瓦斯漏失技术 煤芯无转移防瓦斯漏失技术 双管单动卸压密闭取芯器 实验表明：该煤芯取样器能够满足煤芯取样过程中的前方密闭保压、后方真空卸压和最大限度保持煤芯完整性等要求，从而减少煤芯瓦斯漏失。五年计划任务的完成情况煤岩瓦斯动力灾害的诱发演化机制研究主要研究内容提出了煤与瓦斯突出的力学作用机理假设，并通过实验验证了该假设已取得的主要创新成果对照突出机理理论和冲击地压机理

23、理论，提出煤岩瓦斯动力灾害的统一机理理论五年计划任务的完成情况煤岩瓦斯动力灾害的动力效应及致灾机理研究主要研究内容得出了过程中和突出后的涌出瓦斯计算模型，并通过和现场实际数值对比验证了该模型已取得的主要创新成果建立了煤与瓦斯突出的气体动力学模型，研究了突出时孔洞内粉煤瓦斯流的运动参数以及致灾条件五年计划任务的完成情况 发表论文47篇，其中EI收录17篇，有11篇报告作为国内学术交流的特邀报告参加了学术交流，出版专著2部，申请国家发明专利5项。进一步的研究计划 应用损伤和断裂理论对突出过程中各个阶段煤岩体损伤劣化、裂纹扩展以及能量耗散规律进行描述。 进行更多的煤与瓦斯突出实验，研究不同力学条件对

24、突出的影响。 进一步完善煤岩瓦斯动力灾害的统一机理理论，在能量分析的基础上用破坏分析的方法对各类灾害进行比较研究。 选择更多的现场案例对已提出的理论进行验证。经费使用情况科目科目预算批复数预算批复数累计支出累计支出结余结余专项经费自筹经费合计专项经费自筹经费合计专项经费自筹经费合计经费支出合计经费支出合计760.00258.001018.00654.83220.31875.14105.1737.69142.861、设备费、设备费144.6071.98216.58154.1243.81197.93-9.5228.1718.65（1）购置设备费）购置设备费*107.933.35111.28*（2）试制设备费）试制设备费*31.1931.5662.75*（3）设备改造与租赁费）设备改造与租赁费*15.008.9023.90*2、材料费、材料费38.500.0038.5030.603.0033.607.90-3.004.903、测试化验加工费、测试化验加工费51.600.0051.6035.2010.0045.2016.40-10.006.404、燃料动力费、燃料动力费0.0019.0019.000.0010.7010.700.008.308.305、差旅费、差旅费92.400.0092.4072.339.8582.1820.07