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煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象,主要表现为在极短的时间内,由煤体向采掘空间抛出大量的煤岩并伴随大量高压瓦斯气体喷出。煤与瓦斯突出过程中,瓦斯内能消耗由两部分构成,一部分用于破碎煤岩体的抛出,另一部分用于粉化破碎煤体。从能量的角度看,煤与瓦斯突出是一个能量积聚、转移和耗散的过程。为研究煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律,设计并开展了一系列试验,主要包括不同硬度块煤的冲击破碎试验,不同煤样粒径、不同吸附气体和压力的碎煤抛出试验,对抛出煤特征进行研究分析,定量分析了吸附瓦斯参与突出做功的比例,解决了突出条件定量化分析瓦斯能量的难题,获得如下研究成果:
(1)在煤与瓦斯突出的突出发生过程,地应力激发突出,并与瓦斯压力共同作用对煤体进行剥离、破碎,控制煤体孔裂隙的扩张以及瓦斯的流动和解吸;瓦斯参与层裂煤体的剥离与破碎,是煤体抛出与粉碎的主动力;基于煤与瓦斯突出发生过程中的能量守恒,对突出发生过程中的能量耗散进行了分析,并得到了各部分能量的计算公式。
(2)设计了块煤的冲击破碎实验,研究了破碎功与新增表面积的关系、煤体破碎后的分形特征及分形维数与煤体坚固性系数的关系,结果表明,破碎功与新增表面积呈线性关系,分形维数与破碎功也具有良好的线性关系。
(3)设计了不同吸附性气体、不同压力作用下的煤与瓦斯突出的抛出模拟试验,结果表明,突出结束后,抛出煤在突出口及模拟巷道内的堆积形态类似,呈波浪状起伏;突出激发后,残余气体会继续解吸并对突出做功,直至动力不足以再抛出煤体。不同吸附性的气体的模拟试验结果表明:CO2气体相比空气对突出做功的能力更强,突出煤抛出距离更远,粉化比例更大。不同压力的模拟试验表明,随着气压的增大,突出煤的抛出距离与粉化比例都随之增大。
(4)通过突出发生过程中的能量分析,对突出过程中的瓦斯膨胀能、煤的抛出功和破碎功进行了计算,并在此基础上分析了吸附气体参与突出做功的比例,结果表明,气体压力越高,参与突出做功的瓦斯量越多、比例越高。试验气体与突出压力一致时,小粒径煤样的气体解吸量大于大粒径煤样,解吸气体对突出做功的能力更强,参与突出做功的比例更高,即煤体的破碎程度对瓦斯内能的膨胀释放起着重要的作用。
(1)在煤与瓦斯突出的突出发生过程,地应力激发突出,并与瓦斯压力共同作用对煤体进行剥离、破碎,控制煤体孔裂隙的扩张以及瓦斯的流动和解吸;瓦斯参与层裂煤体的剥离与破碎,是煤体抛出与粉碎的主动力;基于煤与瓦斯突出发生过程中的能量守恒,对突出发生过程中的能量耗散进行了分析,并得到了各部分能量的计算公式。
(2)设计了块煤的冲击破碎实验,研究了破碎功与新增表面积的关系、煤体破碎后的分形特征及分形维数与煤体坚固性系数的关系,结果表明,破碎功与新增表面积呈线性关系,分形维数与破碎功也具有良好的线性关系。
(3)设计了不同吸附性气体、不同压力作用下的煤与瓦斯突出的抛出模拟试验,结果表明,突出结束后,抛出煤在突出口及模拟巷道内的堆积形态类似,呈波浪状起伏;突出激发后,残余气体会继续解吸并对突出做功,直至动力不足以再抛出煤体。不同吸附性的气体的模拟试验结果表明:CO2气体相比空气对突出做功的能力更强,突出煤抛出距离更远,粉化比例更大。不同压力的模拟试验表明,随着气压的增大,突出煤的抛出距离与粉化比例都随之增大。
(4)通过突出发生过程中的能量分析,对突出过程中的瓦斯膨胀能、煤的抛出功和破碎功进行了计算,并在此基础上分析了吸附气体参与突出做功的比例,结果表明,气体压力越高,参与突出做功的瓦斯量越多、比例越高。试验气体与突出压力一致时,小粒径煤样的气体解吸量大于大粒径煤样,解吸气体对突出做功的能力更强,参与突出做功的比例更高,即煤体的破碎程度对瓦斯内能的膨胀释放起着重要的作用。