厚硬岩层破断冲击扰动含瓦斯煤动力响应特征与突出灾变机制
批准号:
51674252
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
王亮
依托单位:
学科分类:
安全科学与工程
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘洪永、康建宏、陈明义、郭海军、涂庆毅、张浩、孙立硕、刘飞、陈二涛
中文摘要
我国50%以上矿区的煤系地层中赋存厚层坚硬顶板岩层,其受大面积采掘作业扰动会发生失稳破断,并形成冲击效应直接作用于下伏高瓦斯煤体,导致其煤与瓦斯突出危险性大大增加。针对不同煤阶煤层原煤自然水分差异大的特点,项目以3种不同煤阶含自然水分煤为研究对象,将顶板厚硬岩层失稳破断的冲击效应作为外部条件,以瓦斯突出动力灾害能量演化为主线,采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究含瓦斯煤强度动态变化微观力学机制和冲击效应下含瓦斯煤细观损伤与渗透性演化规律,建立冲击扰动含瓦斯煤损伤本构方程和多相耦合条件应力-损伤-渗流耦合模型;在此基础上,建立冲击扰动含瓦斯煤突出动力灾害的综合能量判别准则,确定突出动力灾害的发生条件和灾变模式,揭示厚硬岩层破断冲击扰动含瓦斯煤突出动力灾变机制。上述研究成果可以实现多物理场和多尺度的煤体损伤破坏预测,为指导煤层突出动力灾害预测工作提供理论基础。
英文摘要
In China, more than 50 % of the mining areas exist thick-hard rock strata in the roof in the coal measures strata, where the large area mining of underlying high gassy coal seams often leads to instability and rupture of the thick-hard rock strata, forming impact effect directly on the underlying gassy coal, and causing the increasing of the coal and gas outburst risk. By taking three different rank underlying gassy coal with original moisture as the research objects, the impact effect induced by instability and rupture of the thick-hard rock strata is considered as the external conditions, and the energy evolution of gas dynamic disaster is seen as the main research line. Based on theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field investigation, gas sorption-induced strength reduction mechanism, meso-damage and permeability evolution laws of gassy coal under impact effect are researched, and the constitutive equation and coupling model on stress-damage-seepage of gassy coal with original moisture are established. Based on these results above, the synthesis energy criterion on outburst dynamic disaster induced by the instability of thick-hard rock strata could be established, and conditions and models of the disaster could be determined, which could reveal the mechanism of the outburst dynamic disaster. The above research results could be used to achieve multi-scale damage prediction of coal in multiple physical fields and provide theoretical basis for hazard prediction work.
项目以不同煤阶含自然水分煤为研究对象,以顶板厚硬岩层失稳破断的冲击效应为外部条件,以瓦斯突出动力灾害能量演化为主线,采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究含瓦斯煤强度动态变化微观力学机制和冲击效应下含瓦斯煤细观损伤与渗透性演化规律,确定突出动力灾害的发生条件和灾变模式,揭示了厚硬岩层破断冲击扰动含瓦斯煤突出动力灾变机制,上述研究成果可为指导煤层突出动力灾害防治工作提供理论基础。主要内容如下:.1)构建了厚硬顶板岩层结构见方失稳模型,并通过地表沉陷观测数据和FLAC3D数值模拟验证了其准确性与可靠性;从应力和能量角度研究了坚硬顶板岩层结构失稳后对下伏煤体的冲击力能效应。.2)对不同变质程度煤孔隙结构特征进行了定性和定量分析。基于光电辐射技术手段,通过最大球算法理论和三维重构建立拓扑性质等价性的孔隙网络模型,对原生煤和构造煤的孔隙网络模型孔腔和喉道参数进行结构表征及精细化识别,分析了变质作用和构造作用对原生煤和构造煤多尺度形态结构的影响。.3)设计、应用了气态吸附法制备不同含水率煤样,对不同变质程度自然水分原煤样和干燥原煤样的吸附解吸特性进行了测定,得到了吸附变形微观损伤演化机制;利用含声发射监测系统的煤岩吸附-渗透-力学耦合特性测定仪测定了多重因素作用下含瓦斯煤的损伤-渗透特性,获得了与冲击效应相符的力学路径下的含瓦斯煤细观损伤、渗透特性及其耦合机制。.4)构建煤岩-瓦斯多场耦合模型,利用COMSOL数值模拟获得了不同应力条件下含瓦斯煤体的自身致灾潜能,获得了岩床失稳诱发煤岩动力灾害的综合能量判别准则;进行了不同含水率条件下真三轴煤与瓦斯突出试验,研究了水分抑制解吸对突出的影响,得到不同含水率煤体发生突出的灾变条件和灾变模式。.5)综合上述研究,系统获得了厚硬岩层结构失稳冲击扰动含瓦斯煤动力灾变机制和下伏离层瓦斯灾变机制,提出了厚硬岩层下伏煤岩瓦斯动力灾变能量判据和综合防治方法,并在杨柳煤矿等工程现场进行了成功应用。
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DOI:
10.13347/j.cnki.mkaq.2018.01.028
发表时间:
2018
期刊:
煤矿安全
影响因子:
--
作者:
[毋首杰, 王亮]
通讯作者:
王亮
Establishment of the equivalent structural model for the tectonic coal and some implications for the methane migration.
构造煤等效结构模型的建立及其对甲烷运移的一些启示(开放获取)
DOI:
10.1039/c9ra10304j
发表时间:
2020-03-06
期刊:
RSC advances
影响因子:
3.9
作者:
[]
通讯作者:
A novel in-seam borehole hydraulic flushing gas extraction technology in the heading face: Enhanced permeability mechanism, gas flow characteristics, and application
新型掘进工作面煤层钻孔水力冲刷瓦斯抽采技术:增透机理、瓦斯流动特性及应用
DOI:
10.1016/j.jngse.2017.08.022
发表时间:
2017-10-01
期刊:
JOURNAL OF NATURAL GAS SCIENCE AND ENGINEERING
影响因子:
--
作者:
[Zhang, Hao, Cheng, Yuanping, Wang, Wei]
通讯作者:
Wang, Wei
Reservoir reconstruction technologies for coalbed methane recovery in deep and multiple seams
深层多煤层煤层气开采储层改造技术
DOI:
10.1016/j.ijmst.2017.01.026
发表时间:
2017-03
期刊:
International Journal of Mining Science and Technology
影响因子:
11.8
作者:
[Wang Liang, Liu Shimin, Cheng Yuanping, Yin Guangzhi, Zhang dongming, Guo Pinkun]
通讯作者:
Guo Pinkun
The effects of magma intrusion on localized stress distribution and its implications for coal mine outburst hazards
岩浆侵入对局部应力分布的影响及其对煤矿突出灾害的影响
DOI:
10.1016/j.enggeo.2017.01.002
发表时间:
2017-02
期刊:
Engineering Geology
影响因子:
7.4
作者:
[Wang Liang, Liu Shimin, Cheng Yuan-Ping, Yin Guang-zhi, Guo Pin-kun, Mou Jun-hui]
通讯作者:
Mou Jun-hui
共 19 条
坚硬顶板破断—断层滑移应力波叠加诱导含瓦斯构造煤突出灾变机制
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批准号:52474260
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项目类别:面上项目
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资助金额:48.00万元
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批准年份:2024
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负责人:王亮
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依托单位:
高水低阶烟煤孔裂隙精细表征与瓦斯跨尺度传质行为响应机制
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批准号:52174216
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项目类别:面上项目
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资助金额:58万元
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批准年份:2021
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负责人:王亮
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依托单位:
高温热流诱导煤体孔裂隙结构响应及损伤增透机制研究
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批准号:51974300
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2019
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负责人:王亮
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依托单位:
岩浆侵入对煤层瓦斯圈闭效应及突出灾害的控制作用研究
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批准号:51004106
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2010
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负责人:王亮
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依托单位:
国内基金
海外基金