本文選題：煤與瓦斯突出　切入點(diǎn)：能量機(jī)制　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤炭是我國(guó)的主體能源,2015年,煤炭在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重約為64%,并且在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),煤炭的主體能源地位不會(huì)變化。我國(guó)煤炭開采條件復(fù)雜,特別是煤與瓦斯突出事故無論在事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)上都處在煤礦事故的前列,煤與瓦斯突出已成為煤炭安全生產(chǎn)的挑戰(zhàn)性難題。加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的研究,發(fā)現(xiàn)突出的影響因素、產(chǎn)生條件和發(fā)展過程,有利于加深對(duì)突出的認(rèn)識(shí)。加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯突出物理模擬的相似性研究有利于從相似模擬試驗(yàn)角度研究突出機(jī)理與規(guī)律。本文對(duì)型煤試件的煤體彈性能、瓦斯膨脹能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)分析,得出了型煤試件變形破壞過程中的能量變化規(guī)律;對(duì)煤與瓦斯突出的煤體彈性能、瓦斯膨脹能等主要潛能和煤體破碎功、拋出功等主要耗能進(jìn)行了理論分析,構(gòu)建了能量方程,分析了突出的主要能量來源;本文分析了相似準(zhǔn)則的建立方法和難點(diǎn),開展了煤與瓦斯突出物理模擬相似準(zhǔn)則研究;在相似準(zhǔn)則的指導(dǎo)下,研制了煤巖相似材料和瓦斯相似氣體,滿足"固-氣"耦合模擬試驗(yàn)需求;分析了當(dāng)前煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)儀器的優(yōu)勢(shì)和不足,研發(fā)了大型相似模擬試驗(yàn)儀器。研究獲得的結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)型煤試件在單軸壓縮下發(fā)生能量交換,輸入的總能量有一部分轉(zhuǎn)換為彈性能,峰值強(qiáng)度附近彈性能達(dá)到最大,占總能量輸入的70%左右,峰值強(qiáng)度后彈性能迅速釋放。型煤試件的瓦斯膨脹能在峰值強(qiáng)度以前變化不大,峰值強(qiáng)度時(shí)驟然增大25%以上,引起突出潛能的突變。(2)煤體彈性能、瓦斯膨脹能是突出的主要能量,煤體破碎功和拋出功是能量的主要耗散方式。得出了突出潛能和突出耗能的計(jì)算方法,并得出了符合量綱和諧原理的煤與瓦斯突出能量方程。開展了能量方程的數(shù)值解算,得出瓦斯膨脹能是突出的最主要能量,比煤體彈性能大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。(3)基于能量方程推導(dǎo)得出了相似準(zhǔn)則,得到了容重、孔隙率、吸附性、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)關(guān)系的相似準(zhǔn)數(shù)。根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)得出了一組方便實(shí)用的相似比尺。(4)腐植酸鈉水溶液作為煤巖相似材料膠結(jié)劑基本不改變煤體吸附性,且膠結(jié)劑濃度能夠調(diào)節(jié)相似材料的強(qiáng)度性質(zhì),15MPa下相似材料容重、孔隙率與原煤比較一致。該相似材料十分切合煤體的物理力學(xué)特性和相似準(zhǔn)則要求。不同濃度配比的CO2+N2二元混合氣體作為甲烷氣體的相似氣體十分理想,并且相似度和安全性更高。(5)構(gòu)建了以模型反力與密封單元、地應(yīng)力加載與控制單元、瓦斯氣體加載與控制單元、微型巷道掘進(jìn)與控制單元、多物理量信息獲取單元為主要模塊的大型煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)裝置。研制的試驗(yàn)儀器模型空間合理、真三維加載、密封能力高,實(shí)現(xiàn)了模擬巷道開挖功能,且更加自動(dòng)化、信息化和安全化。
[Abstract]:Coal is the main source of energy in our country. In 2015, the proportion of coal in the disposable energy consumption structure was about 64%, and in a long period of time, the main energy status of coal will not change. In particular, coal and gas outburst accidents are in the forefront of coal mine accidents in both the number of accidents and the number of deaths. Coal and gas outburst has become a challenging problem in coal production safety. Discover prominent influencing factors, production conditions and development processes, Strengthening the similarity study of physical simulation of coal and gas outburst is beneficial to the study of outburst mechanism and law from the angle of similarity simulation test. The gas expansion energy is measured and analyzed in laboratory, and the energy change law during deformation and failure of briquette specimen is obtained, and the main potential of coal and gas outburst, such as coal body elasticity energy, gas expansion energy, and coal body breaking work, are obtained. The main energy consumption such as throwing work is analyzed theoretically, the energy equation is constructed, the main energy sources of outburst are analyzed, the methods and difficulties of establishing similarity criterion are analyzed, and the similarity criterion of physical simulation of coal and gas outburst is studied. Under the guidance of similarity criterion, similar materials of coal and rock and similar gas of gas are developed to meet the needs of "solid-gas" coupling simulation test, and the advantages and disadvantages of the current simulation test instrument for coal and gas outburst are analyzed. A large scale similar simulation test instrument has been developed. The main conclusions of the study are as follows: (1) the energy exchange occurs in uniaxial compression of coal samples, and part of the total input energy is converted into elastic energy. The elastic energy near the peak intensity reaches the maximum, accounting for about 70% of the total energy input. After the peak strength, the elastic energy can be released rapidly. The gas expansion energy of the briquette sample does not change much before the peak strength, but increases suddenly over 25% at the peak strength. The energy of gas expansion is the main energy of outburst, and the crushing and ejecting work of coal body are the main dissipation modes of energy. The calculation method of outburst potential and outburst energy is obtained. The energy equation of coal and gas outburst is obtained in accordance with the dimensional harmony principle. The numerical solution of the energy equation is carried out, and the gas expansion energy is the main outburst energy. Based on the energy equation, the similarity criteria are derived, such as bulk density, porosity, adsorption, modulus of elasticity, Poisson's ratio, cohesion, etc. According to the similarity criterion, a group of convenient and practical similar scale. 4) Sodium humate solution as cementing agent of similar material of coal and rock can not change the adsorbability of coal body. And the concentration of binder can adjust the strength property of the similar material and the bulk density of the similar material under 15MPa. The porosity is consistent with that of raw coal. The similar material is very suitable for the physical and mechanical properties of coal and the requirement of similarity criterion. The binary mixture of CO2 N2 with different concentrations is ideal as the similar gas of methane gas. The model reaction and sealing unit, the in-situ stress loading and control unit, the gas loading and controlling unit, the micro roadway driving and controlling unit are constructed. A large scale simulation test device for simulating coal and gas outburst with the main module of multi-physical quantity information acquisition unit is developed. The model space of the developed test instrument is reasonable, the true three-dimensional loading, the sealing ability is high, and the excavation function of simulated roadway is realized. And more automation, information and security.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD713

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本文編號(hào)：1623356