煤与瓦斯突出相似模拟试验的能量原理
程远平1
雷杨2
杨斯杰1
1.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221116;煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 2211162.贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550025
摘要：煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害,由于这种动力灾害通常难以直接观测,煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法.然而,突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究.通过对过去 70a中突出模拟试验的回顾,发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率(10%～40%,中位数为 21.2%),显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能(几倍到几十倍).为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征,基于相似准则,利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验.结合观测数据与能量分析,发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分,占总能量的 87.50%～95.31%,其中初始游离气体的贡献占比为 1/3～2/3;证明了实验室模拟试验的本质,是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程.特别是,由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能,模拟试验可以不依赖应力条件,甚至可以由非吸附性气体(如He)在低压下(约 0.45 MPa)诱发.与现场实际突出相比,模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放,缺乏应力与瓦斯之间的相互作用,因而难以还原突出的激发过程.在未来的试验装置设计中,如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当(通常为1%～11%)是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键.
关键词：煤与瓦斯突出瓦斯膨胀能试验仪器能量原理突出机理
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52034008)国家自然科学基金(52374240)
论文发表日期：2023-11-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：19( 4078-4096 )
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