含水煤体瓦斯突出孕灾过程表面温度场分布规律研究

Practices at home and abroad show that the temperature change of coal can reflect the ground stress, coal gas content and the physical and mechanical properties, so it can be used as a auxiliary prediction method for outburst. However, there are still different views in its basic theory at present. The project is to explore a new dynamic continuity prediction method for coal and gas outburst, deeply analyze coupled thermal-mechanical process during coal and gas outburst preparing process by theoretical analysis and numerical simulation, found a kind of nonlinear mathematical model with many factors for explaining the distribution law of surface temperature field of the coal body with water, which can analyze more comprehensively thermal effect of the moisture content, the ground stress, the gas pressure and the physical properties of coal itself. The project is of great significance for preventing and controlling coal and gas outburst in deep coal mine.

国内外实践表明，煤体的温度异常变化规律综合反映了地应力、瓦斯含量及煤的物理力学性质三个因素，可以作为预测突出的一个辅助指标，而目前在其基础理论方面尚存在着不同的观点和看法。本项目以探索新的煤与瓦斯突出动态连续性预测方法为出发点，拟通过理论分析、数值模拟、实验室研究等手段，深入分析煤与瓦斯突出孕育过程的热力耦合过程，初步建立一种含水煤体突出孕灾过程影响煤体温度场分布的多因素非线性数学模型，能较全面地分析含水率、应力、瓦斯压力、煤自身的物理性质等因素的热力效应。本项目对煤炭深部开采控制和防治煤与瓦斯突出灾害、保证煤炭资源的安全及高效地生产具有较重要的意义。

煤矿进入深部开采后，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害尤为突出，而国内外实践表明，煤体的温度异常变化规律综合反映了地应力、瓦斯含量及煤的物理力学性质三个因素，可以作为预测突出的一个非接触式指标。本项目分析了含水煤体突出孕灾过程的热力耦合机理，搭建了观测含水、气煤体孕灾过程温度变化的实验平台，并对不同含水率、加载速度、破坏程度、瓦斯压力以及损伤角度等因素进行试验研究，结合数值模拟结果建立多元非线性数学模型。研究发现：水分对软煤具有固结作用而对硬煤具有软化作用，含水煤体表面温度-时间的分形维数随水分升高而降低即对于煤体表面温度变化呈抑制作用；随着加载速率增加，煤体强度降低，但耗散能比例增高，同时红外辐射高温异常点出现变早，异常高温点辐射强度升高；瓦斯的存在对煤体具有一定的劣化作用，煤体强度降低，并对红外辐射强度的变化幅度有一定的抑制作用；破坏程度对煤体的物理性质有着较大的影响，主要反映在弹性模量与抗压强度，随着f值的升高，煤体表面红外辐射逐渐明显；指出损伤角度与煤体破裂前红外辐射强度成正相关，而应力集中部分为红外辐射增强的主要区域；建立了煤体的热-流-固耦合数学模型，定量分析了水、气、弹性模量在该过程中发挥的影响效果，发现三种因素对最终温度变化的影响程度为：气体>弹性模量>水分，其中气体与煤体表面温度成负相关，弹性模量与之成正相关，水分使之最终变化波动增强；同时建立了多元非线性数学模型，能较全面地分析含水率、应力、瓦斯压力、煤自身的物理性质等因素的热力效应。通过以上系统研究，对含水煤在突出孕灾过程中的热力耦合机理进一步探究，揭示了煤体孕灾表面温度变化的规律及各影响因素的作用，为利用温度作为非接触式指标预警煤岩体动力灾害提供理论依据。