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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