瓦斯膨胀能影响规律及煤与瓦斯突出可拓层次分析预测方法研究

发布时间：2020-06-12 02:08

【摘要】：煤炭长期以来都是我国的主体能源。然而经过长期大规模的开发,浅部资源日渐枯竭,深部煤炭和高瓦斯煤层的开采是无法避免的难题,深部开采矿井面临的瓦斯威胁越来越严重,煤与瓦斯突出的预测与防治工作十分严峻,已成为世界性难题和研究热点,也成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待解决的科学问题,是国家能源安全的重要战略需求和突破方向。从能量角度分析,突出能量主要来自于瓦斯膨胀能,因此,研究煤体瓦斯膨胀能的大小及其影响因素对预测煤与瓦斯突出具有重要意义。同时,把瓦斯膨胀能作为预测煤与瓦斯突出的重要指标,建立行之有效的煤与瓦斯突出预测预警方法,可以避免或减少伤亡事故的发生,减少防突工程量与时间,保证采掘生产的正常进行,保障井下生命财产的安全,具有十分重要的经济效益和社会效益。本文优化改进研发了初始释放瓦斯膨胀能测定系统,并依托该系统对瓦斯膨胀能的影响因素开展了试验研究,继而把瓦斯膨胀能作为煤与瓦斯突出预测预警指标体系的重要部分,基于物理模型试验,运用可拓理论和模糊层次分析法相结合的方法,提出一种可拓层次分析预测方法并进行了可行性测试主要结论如下:(1)在前人基础上优化改进研发了新型初始释放瓦斯膨胀能测定系统,并对该系统进行了详细介绍,制定了试验步骤和注意事项。本系统采用模块化设计理念,由膨胀能测定主体单元,数据采集控制单元,高压瓦斯控制单元,温度控制单元等四个单元组成,从喷口设计、传感器布设到整体布局都做出了优化改进,极大地提高了系统的稳定性、气密性、便捷性和精确度。(2)初始释放瓦斯膨胀能影响因素试验研究发现:1)在瓦斯压力0.5～1.5MPa区间内,瓦斯快速放散过程中煤样温度下降值在0.3～1.2℃之间,瓦斯压力越高,温度下降越大,主要原因是高压气体降压吸热和瓦斯解吸吸热,瓦斯解吸导致的降温最大可达0.5℃。2)在瓦斯压力0.5～1.5MPa区间内,煤粒的瓦斯膨胀能在10.45～55.55mJ/g之间,瓦斯压力越大,瓦斯膨胀能越大,两者呈线性关系。3)相同气压下,喷口面积越大,对应的瓦斯膨胀能越小。喷口面积越大,膨胀能和气压斜率越小,喷口面积为1.13 mm2时,斜率为36.56,喷口面积为3.39mm2时,斜率仅为25.72。4)煤样粒径越大,初始释放瓦斯膨胀能越小,瓦斯膨胀能W与煤样平均粒径d成负指数下降的关系,喷口面积越大,对应的相关系数a,b,k越小,即瓦斯膨胀能越小。5)气体的种类并不影响气体压力与膨胀能之间的线性关系,但不同气体的斜率大小有着明显的区别。其中CO2的斜率最大,为38.747,CH4的斜率次之,为29.815,N2的斜率最小,仅为24.97。即在相同的吸附气体压力下,三种气体的瓦斯膨胀能大小关系为CO2CH4N2。6)喷口面积,瓦斯压力,煤样粒径和气体种类4个因素对初始释放瓦斯膨胀能的影响均比较显著,其中气体压力对膨胀能的影响最大,煤样粒径对膨胀能的影响最小,瓦斯压力、气体种类、喷口面积、煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能的影响程度依次降低。7)煤岩应力越大,原煤试件的初始释放瓦斯膨胀能越大,在75%峰值强度之前,膨胀能的变化幅度不大,从75%峰值强度到100%峰值强度膨胀能的变化幅度产生了突变,斜率突然变大,是原来的3倍以上,直至峰后阶段,膨胀能的变化幅度一直很大。(3)利用可拓理论和模糊层次分析法(FAHP)相结合,建立了一种基于物理模型试验的煤与瓦斯突出可拓层次分析预测方法,该方法以初始释放瓦斯膨胀能,地应力,瓦斯压力,煤体强度,瓦斯放散初速度指标AP,坚固性系数f等6个指标组成预测指标体系,将预测结果分为无突出危险(N1),低突出危险(N2),中突出危险(N3),高突出危险(N4)四个风险等级。并通过自主研发的物理模型试验系统展开试验,预测结果与实际的煤与瓦斯突出物理模型试验结果十分吻合,验证了该方法在煤与瓦斯突出物理模型试验中应用的可行性。
【图文】：

技术路线图,瓦斯膨胀能,可拓,层次分析

逦瓦斯膨胀能影响规律及煤与瓦斯突出可拓层次分析预测方法研究逦逡逑（２）应用自主研发的初始释放瓦斯膨胀能测定系统开展了不同喷口面积、逡逑气体压力、煤样粒径、不同气体等多因素对瓦斯膨胀能的影响规律研究，以及原逡逑煤标准试件不同应力阶段的瓦斯膨胀能研宄。逡逑（３）基于物理模型试验，将瓦斯膨胀能作为煤与瓦斯突出预测预警指标的逡逑重要组成部分，建立煤与瓦斯突出可拓层次分析预测方法并进行了可行性测试。逡逑１．４．２技术路线逡逑｜瓦瓦可

合作关系,单元,思路,膨胀能

本系统采用模块化设计思路，主要由膨胀能测定主体单元，数据采集控制单逡逑元，高压瓦斯控制单元，温度控制单元等４个单元组成。各系统间相互合作关系逡逑如图２．２所示。具体设计思路为：逡逑（１）
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712.5

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