煤与瓦斯突出的能量源及能量耗散机理研究

煤与瓦斯突出是煤矿地下开采过程中遇到的一种极其复杂的瓦斯动力灾害现象,威胁着矿井安全以及生产,是地下空间行业亟需攻克的难题之一。煤与瓦斯突出过程从能量学角度上看,是一个能量聚集与耗散的过程。本文以突出原煤和非突出原煤为研究对象,通过实验室实验与理论分析相结合的方法,对煤与瓦斯突出过程中能量源及能量耗散过程进行深入探索。在以下方面取得了一些进展:(1)为分析煤与瓦斯突出过程中吸附瓦斯解吸后参与突出做功,研制了一种高压气体瞬间对称卸压实验装置。该装置主要由加载系统、充气系统、温度和气体压力检测系统及瞬间对称卸压系统4个部分组成。具有以下特点:可在不同气体不同气压条件下对煤岩材料进行保压吸附一段时间后瞬间卸压实验;对称卸压系统保证瞬间卸压,同时也兼顾了卸压过程中煤样受力均衡,克服了传统单向煤瓦斯突出试验装置存在的不足;能提供轴向加压装置,模拟煤瓦斯突出过程中地应力作用。(2)通过煤颗粒形状的理论分析可知,颗粒形状对表面积的确定影响很大;在计算破碎功时,将煤颗粒视作圆球形处理,所得到的破碎功是下限;由煤粉显微镜观测实验可知,不论是突出煤还是非突出煤,当煤破碎到0.075mm以下时,其颗粒形状均以椭球形和球形为主;且这些微小颗粒形状与破碎前的块度、施加能量的方式和大小、所经历的破碎过程均无关。这为采用球表面积计算煤破碎后颗粒新增表面积提供了依据。(3)突出煤与非突出煤破碎后,小于0.075mm微小颗粒的筛下累计质量分布均服从Logistic分布;而筛上质量分布却不同,突出煤服从Gauss分布;而非突出煤服从正态分布。为突出煤与非突出煤的鉴别提供一种辅助手段,同时也为精确计算煤岩破碎功提供实验指导。(4)当煤岩体破碎后,0.075mm以下的微小颗粒所占比例不大,却占有相当大的表面积;两种煤的比表面积随能量增加而增加,在相同的能量条件下,突出煤的比表面积比非突出煤的大1～2倍;非突出煤的破碎比功随能量增加先下降后保持平稳不变,而突出煤的破碎比功随能量的增加而增加,说明给予同样的能量突出煤更容易破碎;煤岩破碎后其新增表面积与能量之间呈指数关系;把煤破碎得越小,颗粒形状越趋于稳定,进一步破碎的难度就越大,要达到同一破碎增量所需的破碎功就越多。(5)在不考虑温度影响时,将朗格缪尔方程展开成泰勒级数并保留前两项,使得吸附瓦斯对外做功的计算得到了简化,从而得到了吸附瓦斯解吸对外膨胀的计算式。由该计算式可知,不同吸附气体做功的能力取决于气体吸附常数。(6)通过理论分析可知,相同条件下且不考虑吸附,不同气体瞬间卸压对外做功相同;结合实验后煤样破碎程度分析可知,不同气体进行实验时,煤样破碎程度不同,因此说明在瞬间卸压破碎煤实验过程中吸附瓦斯参与了做功。施加轴压后,煤试样破碎程度加剧,说明在地应力作用下致使煤体产生大量裂纹裂隙,降低了煤体强度同时给瓦斯足够的流动和储存空间,当瓦斯压力瞬间降低时瓦斯气体膨胀才能继续破坏并粉碎煤体。(7)在分析煤与瓦斯突出能量来源及能量耗散过程,建立了煤瓦斯突出能量方程:煤与瓦斯突出的主要能量源为煤岩体弹性应变能、煤体中游离瓦斯以及吸附瓦斯解吸后的膨胀能;而能量耗散煤岩体破碎、抛出、移动、振动和声响等。通过对以往突出案例的能量分析,突出煤体孔隙瓦斯的膨胀能小于煤体破碎功,因此仅突出煤体的孔隙瓦斯不足以提供煤瓦斯突出所需的能量。突出过程中涌出瓦斯量远大于孔隙游离瓦斯,且涌出瓦斯所提供的能量与孔隙游离瓦斯提供的能量相差3～4个数量级。(8)根据突出的强度大小和突出的终止位置,可得到突出强度较小且突出终止面在应力峰值前、突出强度较小且突出终止面在应力峰值后、突出强度较大且突出终止面在应力峰值前、突出强度较大且突出终止面在应力峰值后四个煤与瓦斯突出能量条件。