基于煤结构的煤瓦斯突出能量耗散机制及突出发生条件研究

An outburst is a violent expulsion of coal and gas from a working face, which has posed a serious threat for the safety of underground coal production for a long time. This project is aimed to explore mechanisms of coal and gas outbursts based on energy conservation combined with coal texture, and thus predict conditions for outbursting occurrence in a more reliable way. First, a major apparatus will be devised and fabricated, which can not only simulate conventional coal and gas outbursts, but fragment gassy coal specimens by suddenly releasing high pressure gas in both symmetrical and asymmetrical forms; second, the total energy possibly dissipated in a outburst will be investigated through Hargrove grindability test associated with hammer dropping test on coal with different texture; third, gas sorption and desorption tests on coal of various sizes with different texture will be performed to understand the effect of coal texture and size on the desorption rate ; fourth, outburst simulation and coal breakage experiments will be carried out to know the crushability of coal and energy consumption; last, base on combined results of the above mentioned research, energy sources and their roles as well as how they dissipate in outbursts will be clarified clearly, and then conditions for outburst occurrence will be discussed and therefore be proposed. The research project may be of practical significance for improvement in prediction accuracy and prevention techniques of coal and gas outburst.

煤瓦斯突出是煤矿地下采掘作业过程中大量瓦斯伴随煤剧烈喷出的一种动力现象，是煤矿地下开采的重大灾害之一。本项目针对煤瓦斯突出能量来源和耗散机制这一关键科学问题，根据能量守恒原理，自制多功能环向多孔煤瓦斯突出模拟与破煤实验装置，围绕煤的结构、破碎性、突出能耗和突出过程中的能量来源及耗散机制，通过不同煤的破碎表面能测试，测算煤瓦斯突出所需能量；开展不同结构煤在不同粒度条件下的吸附解吸实验，研究煤的结构和粒度对煤瓦斯吸附量和解吸速度的影响；通过破煤及煤瓦斯突出模拟实验，分析不同结构煤的破碎和能耗特点；并在此基础上，探索煤瓦斯突出过程中的能量耗散机制，研究煤瓦斯突出的发生条件。研究成果可进一步厘清煤瓦斯突出中的能量来源，明确这些能量耗散机制，深化煤瓦斯突出的能量机理认识，得到煤瓦斯突出发生条件，为进一步提高煤瓦斯突出预测和防治技术提供理论基础。

煤与瓦斯突出的发生经常伴随着煤体的破坏及大量的瓦斯释放，本项目着眼于煤与瓦斯突出过程中煤体的破碎机制及煤中瓦斯参与破煤的作用机制，以“基于煤结构的煤瓦斯突出能量耗散机制及突出发生条件研究”为题，综合运用现场调研、理论分析、试验设计、实验装置开发及试验研究等多种手段，开展如下研究并取得了丰硕的成果。.研制了多功能环向多孔煤瓦斯突出模拟与破煤实验装置，该装置不仅可以进行传统意义上的煤与瓦斯突出模拟试验，还可以进行含瓦斯煤的突出倾向性测试，并且基于此提出了一种更加完善的煤的突出倾向性测试方法，为深入理解煤与瓦斯突出过程中煤的破碎机制提供了可靠的试验测试方法和设备基础；提出了基于哈氏可磨性原理的煤的断裂韧度及其破碎表面能测试方法，创新性地考虑了突出煤及构造煤这一类具有软岩性质煤的特殊性，使得该方法在测试煤的断裂韧度及破碎表面能方面更加准确完善；开展了不同粒度下煤的吸附解吸试验研究并建立了理论模型，创新性地考虑了突出后破碎煤颗粒的分布状态，分析了煤破碎前后瓦斯扩散率的变化，得到了扩散速率与表观面积比之间的关系，为阐明煤与瓦斯突出过程中瓦斯参与作用的机理提供了理论依据，对深入分析突出过程中煤体被破碎至极小颗粒的能量来源及耗散机制具有重要意义；进行了不同条件下的突出破煤试验，分析研究了不同条件对于瞬时卸压过程中含瓦斯煤破坏及煤的突出倾向性的影响，首次发现并验证了瞬时卸压过程中轴向应力抬升现象，初步分析了其形成的原因，为理解突出过程中瓦斯参与破煤的作用机制提供了新的试验及理论基础；基于大量的试验研究及理论分析，深入分析了突出过程中各种能量源的作用耗散机制，创新性地考虑了煤破碎前井下开采循环扰动造成煤体中积蓄的弹性变形能及瓦斯膨胀能的耗散，并总结了其规律；最后基于对突出过程中的能量源作用耗散机制分析，提出了基于煤结构和破碎性的煤瓦斯突出发生的能量必要条件，为预防和控制煤与瓦斯突出灾害提供了能量理论判据。.根据计划任务书，项目无论在科学内容还是在预期成果指标上，都圆满完成了任务。发表标注本基金号论文18篇，其中SCI收录12篇，EI收录8篇；申请国家专利技术4项；获得2017年教育部科学技术进步奖一等奖；依托项目指导培养研究生13人。