煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究

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煤与瓦斯突出是一种严重的矿井动力灾害。国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机理进行了大量的研究,但是仍然不能满足对煤与瓦斯突出准确预测的要求。尤其是近年来,随着煤矿开采强度、深度的增加,突出问题变得更加严峻。煤与瓦斯突出演化过程及机理,仍然是一个亟待解决的问题。本文建立能模拟不同瓦斯压力、应力以及不同煤体条件下的煤与瓦斯突出实验系统,利用该系统开展大量的实验研究,结合理论分析和数值模拟研究煤体、地应力和瓦斯压力对突出的影响规律,确定突出的发生条件;实时监测分析突出过程中煤体裂隙及电磁辐射、声发射和电位信号的变化规律,揭示煤与瓦斯突出演化过程,并进行了现场验证。本文取得了以下主要研究成果:(1)研发了煤与瓦斯突出模拟实验系统,可模拟不同的载荷、瓦斯压力和煤体及不同诱导方式条件下的煤与瓦斯突出,能够实现突出模拟过程中煤体破裂演化的实时观测,载荷、瓦斯压力和温度的连续采集及电磁辐射、声发射和电位信号的实时监测。(2)通过大量系统的实验,研究了不同条件下的煤与瓦斯突出,结合理论分析和数值模拟研究了煤与瓦斯突出的发生规律,揭示了煤与瓦斯突出影响因素(煤体、应力和瓦斯压力)的耦合关系,确定了突出发生的条件。结果表明:突出临界瓦斯压力值与应力值呈线性负相关,应力越大,发生突出所需瓦斯压力越小;提出了临界瓦斯压力实验确定方法,研究并确定了九里山矿突出临界瓦斯压力值;揭示了硬煤突出的规律。(3)测试分析了突出演化过程中煤体的声电信号特征规律,揭示了突出过程声电信号变化规律;实时观测和分析了突出过程中煤体破裂演化过程,并研究了突出过程中裂纹分形维数的变化规律,揭示了煤与瓦斯突出演化过程。(4)通过实验测试、理论分析并结合数值模拟的方法,研究了煤体、地应力和瓦斯压力在突出过程中的时空演化特征及影响规律,提出了煤与瓦斯突出的时空耦合跃迁失稳机理。(5)现场实时监测并分析井下掘进工作面水力掏槽、放炮过程中的电磁辐射、声发射信号规律,结果表明,电磁辐射和声发射超前于瓦斯涌出,并能较好的反应巷道前方的突出危险性,验证了煤与瓦斯突出演化过程。
致谢第5-6页
摘要第6-7页
Abstract第7-8页
Extended Abstract第9-12页
目录第12-16页
图清单第16-21页
表清单第21-22页
变量注释第22-23页
1 绪论第23-33页
    1.1 选题背景及意义第23页
    1.2 研究综述第23-30页
    1.3 存在的问题及不足第30-31页
    1.4 本文的主要研究内容及创新点第31-33页
2 煤与瓦斯突出模拟实验系统及实验测试第33-53页
    2.1 实验系统研制第33-46页
    2.2 试验装置的优点第46页
    2.3 煤与瓦斯突出模拟实验第46-52页
    2.4 本章小结第52-53页
3 煤与瓦斯突出规律及影响因素第53-65页
    3.1 煤体对突出的影响第53-57页
    3.2 应力对突出的影响第57-58页
    3.3 瓦斯压力对突出的影响第58-62页
    3.4 突出过程应力、瓦斯压力和煤体的相互作用分析第62-63页
    3.5 本章小结第63-65页
4 煤与瓦斯突出演化过程声电信号规律第65-93页
    4.1 声电测试传感器布置第65-66页
    4.2 瓦斯吸附过程声电信号特征规律第66-74页
    4.3 加载过程声电信号特征规律第74-80页
    4.4 突出过程声电信号规律特征第80-92页
    4.5 本章小结第92-93页
5 煤与瓦斯突出过程裂纹演化研究第93-113页
    5.1 突出演化过程煤体裂纹分布规律第93-95页
    5.2 煤体移动规律第95-97页
    5.3 突出过程煤体裂纹演化的分形特征第97-104页
    5.4 突出后煤体裂纹分布规律第104-108页
    5.5 突出前后煤体显微结构及表面特征分析第108-111页
    5.6 本章小结第111-113页
6 煤与瓦斯突出演化过程及机理研究第113-139页
    6.1 突出演化过程裂纹演化特征第113-119页
    6.2 突出演化过程地应力对突出的影响分析第119-123页
    6.3 突出演化过程瓦斯压力对突出的影响机理分析第123-128页
    6.4 外载扰动对突出的诱导作用分析第128-129页
    6.5 煤与瓦斯突出时空耦合跃迁失稳机理第129-138页
    6.6 本章小结第138-139页
7 突出演化过程声电信号特征现场测试研究第139-153页
    7.1 概述第139-140页
    7.2 实验工作面概况及典型突出规律第140-145页
    7.3 煤与瓦斯突出演化过程声电规律第145-152页
    7.4 本章小结第152-153页
8 全文总结、创新点及展望第153-156页
    8.1 全文总结第153-154页
    8.2 创新点第154-155页
    8.3 展望第155-156页
参考文献第156-166页
作者简历第166-169页
学位论文数据集第169页
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