1、匯報提綱1. 2009年度研究進展2. 五年計劃任務的完成情況3. 進一步研究計劃4. 經費使用情況5. 課題間的合作交流與科學數據共享2009年度研究進展1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法 煤與瓦斯突出和沖擊地壓的異同點 煤巖動力災害統一能量模型 煤巖瓦斯動力災害新的分類方法 瓦斯對沖擊傾向性指標的影響2009年度研究進展煤與瓦斯突出和沖擊地壓的異同點1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法 力學及能量平衡系統遭到破壞 破壞過程快速而猛烈 均在高應力區或采掘過程中發生破壞相同點 能量來源有差別 災害發生各階段的能量耗損不同 破壞形式不同 表現特征不同不同點通過對大量礦區的災害事

2、例分析發現：隨著開采深度和強度的增加，許多原來只發生煤與瓦斯突出的含瓦斯煤層發生的動力災害往往兼具煤與瓦斯突出和沖擊地壓兩者的特征。煤與瓦斯突出和沖擊地壓在許多方面是統一的，在某些條件下可以相互誘發和轉化。煤巖動力災害統一能量模型1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法efdprEEEEE彈性應變能 + 游離瓦斯內能 + 吸附瓦斯內能 = 塑性應變能 + 剩余能量方程左邊說明煤巖變形過程中集聚的彈性能、煤體中游離瓦斯由于體積變化而產生的膨脹能及煤巖破壞造成瓦斯解吸釋放的能量構成了煤巖動力災害發生前的能量狀態，方程右邊反映了煤體發生塑性破壞要消耗掉部分能量，剩余能量則成為動力災害發生時的動力

3、源。煤巖動力災害新的分類方法1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法地應力作用瓦斯作用沖擊地壓瓦斯作用地應力作用煤與瓦斯突出煤巖瓦斯壓出煤巖瓦斯沖擊瓦斯對沖擊傾向性指標的影響1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法實驗裝置原理圖實驗裝置實物圖瓦斯對沖擊傾向性指標的影響1.煤巖瓦斯動力災害的統一機理與新的分類方法46810-10123吸附瓦斯壓力(MPa)單軸抗壓強度(MPa) 01234-10123吸附瓦斯壓力(MPa)彈性能量指數隨著瓦斯壓力升高，煤的沖擊傾向性增加，因此在通過測量沖擊傾向性來預測沖擊地壓時，應考慮瓦斯對煤體性質的影響。2.煤與瓦斯突出發展的力學模型2009年度研究進

4、展給出突出發展過程中孔洞壁煤體連續破壞的過程與條件建模與修正研究方法2.煤與瓦斯突出發展的力學模型破壞何種形式的破壞？破壞如何連續進行？損傷、斷裂力學破壞動力學地應力對煤體的破壞2.煤與瓦斯突出發展的力學模型23 xyxxKfa壓剪裂紋尖端的應力強度因子：實質：裂紋的起裂、擴展和貫通斷裂裂紋巖橋貫通的三種方式：剪切破壞拉剪復合破壞翼裂紋破壞單獨瓦斯壓力對煤體的破壞2.煤與瓦斯突出發展的力學模型橢圓孔周圍的應力強度因子：實質：裂紋尖端發生拉伸破壞和擴展21/2( )apaKE kb1/2( )bpKaE k1/21/42222sincos( )apKbabE k在純瓦斯壓力作用下，橢圓孔最先總沿

5、長軸方向擴展。突出發展過程中孔洞壁的連續破壞2.煤與瓦斯突出發展的力學模型突出發展過程中破壞煤體的力除了地應力和瓦斯壓力之外，還有應力波的參與。 突出發展是動力學過程，動力學過程必然有波的產生； 突出孔洞基本不會在水平方向有大的拐彎，這是由于波的傳播具有方向性的原因。 縱波（P波），傳播速度為5.57km/s； 最初產生的波為平面波，隨著突出的發展，后續產生的波的波陣面變為圓弧面。2.煤與瓦斯突出發展的力學模型突出發展過程中孔洞壁的連續破壞過程突出發展過程中孔洞壁的連續破壞過程2.煤與瓦斯突出發展的力學模型突出發動，形成新暴露面，支承壓力向前轉移應力波向前傳遞并衰減，煤壁發生損傷加劇2.煤與瓦

6、斯突出發展的力學模型瓦斯壓力導致孔洞壁處裂隙擴展，煤壁剝離，形成新的暴露面，支承壓力前移產生新的應力波并向前傳遞，孔洞壁煤體損傷進一步加劇瓦斯壓力導致孔洞壁處裂隙擴展，煤壁剝離，形成新的暴露面3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗2009年度研究進展含瓦斯煤的解吸破壞實驗煤與瓦斯突出的一維相似材料模擬實驗煤與瓦斯突出的三維相似材料模擬實驗分析含瓦斯煤在外部應力突然卸載時，煤體內部瓦斯對煤體的破壞作用最簡化力學條件下的煤與瓦斯突出實驗，分析突出發展的力學過程分析復雜力學條件下，不同要素對突出的控制作用實驗名稱實驗目的含瓦斯煤的解吸破壞實驗3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗實驗裝置結構原理圖實驗裝置實

7、物圖實驗實驗組號組號煤樣類型煤樣類型成型壓力成型壓力/MPa煤樣尺寸煤樣尺寸/mm充入氣體充入氣體氣體壓力氣體壓力/MPa吸附時間吸附時間/h1實心型煤1005075CO22.2454空心型煤100(50 - 20) 67CO24.1252原煤505050CO22.2393原煤503050CO21.6393.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗實心型煤空心型煤卸壓前卸壓后3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗 卸壓前卸壓過程中原煤在卸壓過程中的破壞含瓦斯煤的解吸破壞實驗煤樣類型煤樣類型破壞程度破壞程度實心型煤卸壓后煤體出現少量垂直軸向的裂紋空心型煤卸壓后煤體被破壞為較大的塊狀原煤卸壓過程中煤體表面有粒狀

8、或薄片狀顆粒剝離3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗分析與推論：1. 型煤不像原煤那樣內部含有原生裂紋，從而導致型煤基本上不發生碎裂破壞；2. 原煤雖然能發生一定程度的碎裂破壞，但并不能像突出那樣碎為極細的粉末，說明僅瓦斯作用時不能從較小的孔隙和微孔破壞煤體，而只能從較大的裂紋破壞煤體；3. 基本上可認為吸附瓦斯的解吸過程對煤體的破壞作用較弱。煤與瓦斯突出的一維相似材料模擬實驗3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗實驗裝置結構原理圖實驗裝置實物圖3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗實驗實驗序號序號成型壓力成型壓力（MPa）成型成型時間時間（h）型煤密度型煤密度（t/m3）氣體壓力氣體壓力（MPa）充氣

9、時間充氣時間（h）煤被煤被拋出拋出發生發生層裂層裂12.0701.0321.5548是是23.0181.0821.0546是是33.0241.0860.6848否是2號實驗在突出發展過程中拍攝到的層裂現象3號實驗在突出后拍攝到的層裂現象3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗2號實驗各氣體壓力測點壓力變化圖注：壓力傳感器從模型底部到孔洞口依次編號3號實驗各氣體壓力測點壓力變化圖煤與瓦斯突出的一維相似材料模擬實驗3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗分析與推論：1. 突出發展過程中存在一個向前推進的破壞陣面，在破壞陣面上煤體成層剝離，多個剝離后尚未完全破壞的分層組合起來呈現出“層裂”現象；2. 煤在層裂破

10、壞后的拋出過程中會發生更為徹底的破碎，可定義為“粉化”破壞；3. 隨著瓦斯壓力的降低，突出過程中煤體破壞的劇烈程度降低，拋出分層進一步粉化破壞的程度降低，甚至基本不破碎。限制突出口大小和突出口一端位移的突出實驗3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗形成的突出口突出孔洞形狀的石膏拓模推想：突出過程中應力波的傳播煤與瓦斯突出的三維相似材料模擬實驗3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗液 壓 式 壓 力 機xzyx2368754191011實驗裝置結構原理圖實驗裝置實物圖基本參數模型尺寸：0.220.220.1875m3巷道斷面尺寸：3.02.5m23.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗實驗編號瓦斯壓力/MPa

11、垂向壓力/t前側壓力/MPa右側壓力/MPa突出情況突出強度/g突出距離/cm10.257.762.802.37不突出0020.357.762.882.48突出158030.457.762.422.88突出20025040.677.762.422.88突出209074050.957.762.422.88突出2555790瓦斯壓力為0.95MPa時的突出孔洞破壞情況不同瓦斯壓力條件下的突出發生情況3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗不同瓦斯放散初速度條件下的突出發生情況實驗編號瓦斯放散初速度垂壓力/MPa水平壓力/MPa側壓力/MPa突出情況突出強度/g突出距離/cm111.347.762.422

12、.88突出16015026.147.762.422.48突出1835313.747.762.422.88突出240250413.97.762.422.88突出550610510.47.762.422.88突出34033068.877.762.422.88不突出00716.87.762.422.88突出2480750024681012141618050010001500200025003000Data: Data1_BModel: BelehradekEquation: y = a*(x-b)cWeighting: yNo weighting Chi2/DoF= 240324.19404R2=

13、0.79112 a9.19819147.09454b6.1417.40966c2.254455.25848(P)(g)02468101214161802004006008001000Data: Data1_BModel: BelehradekEquation: y = a*(x-b)cWeighting: yNo weighting Chi2/DoF= 25121.64953R2= 0.79266 a6.2256959.69626b4.8632312.76177c1.933483.08183(P)(mm)瓦斯放散初速度與突出強度的關系 瓦斯放散初速度與突出距離的關系煤與瓦斯突出的三維相似材料模

14、擬實驗分析與推論1. 三維突出實驗同樣驗證了突出孔洞壁層裂現象的存在；2. 瓦斯壓力表征了模型內總的瓦斯內能，因此瓦斯壓力越大，突出強度也越大，等瓦斯壓力小到一定程度時，將不會發生突出，實驗結果與此論點相符；3. 瓦斯放散初速度表征了在突出時可參與做功的瓦斯量比重，因此瓦斯放散初速度越大，突出強度越大，實驗結果也與此觀點相符。3.煤與瓦斯突出的相似材料模擬實驗4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型2009年度研究進展瓦斯涌出計算模型通用的計算公式與實際情況對比主要研究進展：1. 得出拋出煤的瓦斯涌出動態計算公式；2. 得出孔洞壁附近煤體瓦斯涌出動態計算公式，并以此為依據進行了相應的有限元分析；

15、3. 通過與現場實際情況對比驗證了計算模型的可用性。4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型突出過程中的瓦斯涌出速度 321qqqqq1拋出煤的瓦斯涌出速度 ；q2孔洞周圍的瓦斯涌出速度 ；q3 非突出條件下的征程瓦斯涌出速度。基本模型突出孔洞為橢球形4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型拋出煤的瓦斯涌出動態：q1Kttvq1由于突出發展過程拋出煤量是動態變化的，突出終止后拋出煤量是不變的，計算不同時間拋出的煤量，積分可得： 2321 12當133221 12當1122128（突出發展過程中）1121232121118（突出終止后）12312kkkkkktttabcv rtttkkkkkkrqt

16、tttabcv rtkkkkkr基本依據：碎煤的瓦斯解吸速度公式（文特式）：v1為煤樣暴露1s時的瓦斯解吸速度，K為煤粒瓦斯涌出的衰減系數。4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型拋出煤的瓦斯涌出動態：q1突出持續時間不同時不同時刻拋出煤的瓦斯涌出速度v1和K不同時不同時不同時刻拋出煤的瓦斯涌出速度4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型孔洞周圍的瓦斯涌出速度 ：q2基本依據：質量守恒定律、達西定律、朗繆爾方程。依據以上三個方程得出煤層瓦斯流動的連續方程：2222220211mmxyzabpabpppnpKKKxxyyzzpbptbp利用以上公式的求解過于復雜，因此要借助數值模擬的方法。為了反映損

17、傷造成的孔洞周圍透氣性系數升高，設mrrr)()10（為了便于從結果中尋找規律，對參數進行無量綱化，得25. 0)414(01000）（ mrrSpXtPF時間準數：瓦斯涌出速度準數：)(4Y102PPrq孔洞形狀不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線突出強度不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線煤層透氣性系數不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線瓦斯壓力不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線煤層厚度不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線損傷范圍不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線煤層透氣性系數增長參數不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線突出持續時間不同時瓦斯涌出量隨時間變化曲線4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型孔洞周圍的瓦斯涌出速度 ：q

18、2根據以上數值計算結果，擬合得到孔洞周圍的瓦斯涌出速度計算公式：BmAsrrpXtPePPrq25. 0414)(4010000112）（4.煤與瓦斯突出的涌出瓦斯來源計算模型計算結果是實際數據的對照常用的突出后瓦斯濃度隨時間變化關系擬合函數有冪函數、指數函數和對數函數，這些函數沒有上升段，與大型的突出后瓦斯涌出規律不相適應，因此提出新的擬合函數：teAtc02468100204060c/%t/s030060090002550CH4/%t/min 擬合 實測0501001502002503003500.02.55.0 實測 擬合CH4/%t/min擬合結果與中梁山南礦突出情況對比擬合結果與平煤

19、八礦5.28突出情況對比5.粉煤瓦斯流運動規律的數值模擬2009年度研究進展粉煤瓦斯兩相流噴出時巷道內的流速分布入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.05入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.1入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.2入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.35.粉煤瓦斯流運動規律的數值模擬2009年度研究進展粉煤瓦斯兩相流噴出時巷道內的流速分布入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.4入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.5入口壓力/出口壓力 = 2/1粉煤體積分數：0.6在相同壓差條件下，隨著粉煤體積分數的增加，孔洞內

20、對應各點的速度相應減小5.粉煤瓦斯流運動規律的數值模擬2009年度研究進展粉煤的體積分數與軸線最高速度的關系曲線5.粉煤瓦斯流運動規律的數值模擬2009年度研究進展粉煤瓦斯兩相流噴出時巷道內的流速分布入口壓力/出口壓力 = 3/1粉煤體積分數：0.3入口壓力/出口壓力 = 5/1粉煤體積分數：0.3入口壓力/出口壓力 = 1.2/1粉煤體積分數：0.3在粉煤體積分數相同的條件下，隨著壓差的變化，可能會出現流態的突躍變化6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究 測定瓦斯含量時煤芯漏失的途徑與力學條件； 取芯過程煤芯及周邊瓦斯流動模型及數值模擬； 冷凍或密閉條件下煤吸附解吸瓦斯規律與影響機理； 卸壓密閉

21、煤芯取樣技術。 2009年度研究進展測定瓦斯含量時煤芯漏失的途徑與力學條件6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究煤芯瓦斯漏失途徑煤芯瓦斯漏失的力學條件：取芯過程煤芯及周邊瓦斯流動模型及數值模擬6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究瓦斯想鉆孔滲流模型10( )() (1)bxP xPPe鉆孔周圍瓦斯壓力分布瓦斯壓力與其距孔壁距離的關系曲線取芯過程煤芯及周邊瓦斯流動模型及數值模擬6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究取芯鉆孔瓦斯滲流模擬圖取芯鉆孔數值模型冷凍或密閉條件下煤吸附解吸瓦斯規律與影響機理6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究冷凍煤樣解吸實驗原理圖02040608010012014001234567891

22、0解吸時間平方根（min1/2）解吸量（ml）冷凍后變溫條件下的解吸量常溫下的解吸量冷凍后恒溫條件下的解吸量不同條件下的煤樣解析曲線圖卸壓密閉煤芯取樣技術6.煤層瓦斯壓力與含量測定基礎研究取芯器筒口自動密封保壓技術取樣煤芯真空卸壓防瓦斯漏失技術 煤芯無轉移防瓦斯漏失技術 雙管單動卸壓密閉取芯器 實驗表明：該煤芯取樣器能夠滿足煤芯取樣過程中的前方密閉保壓、后方真空卸壓和最大限度保持煤芯完整性等要求，從而減少煤芯瓦斯漏失。五年計劃任務的完成情況煤巖瓦斯動力災害的誘發演化機制研究主要研究內容提出了煤與瓦斯突出的力學作用機理假設，并通過實驗驗證了該假設已取得的主要創新成果對照突出機理理論和沖擊地壓機理

23、理論，提出煤巖瓦斯動力災害的統一機理理論五年計劃任務的完成情況煤巖瓦斯動力災害的動力效應及致災機理研究主要研究內容得出了過程中和突出后的涌出瓦斯計算模型，并通過和現場實際數值對比驗證了該模型已取得的主要創新成果建立了煤與瓦斯突出的氣體動力學模型，研究了突出時孔洞內粉煤瓦斯流的運動參數以及致災條件五年計劃任務的完成情況 發表論文47篇，其中EI收錄17篇，有11篇報告作為國內學術交流的特邀報告參加了學術交流，出版專著2部，申請國家發明專利5項。進一步的研究計劃 應用損傷和斷裂理論對突出過程中各個階段煤巖體損傷劣化、裂紋擴展以及能量耗散規律進行描述。 進行更多的煤與瓦斯突出實驗，研究不同力學條件對

24、突出的影響。 進一步完善煤巖瓦斯動力災害的統一機理理論，在能量分析的基礎上用破壞分析的方法對各類災害進行比較研究。 選擇更多的現場案例對已提出的理論進行驗證。經費使用情況科目科目預算批復數預算批復數累計支出累計支出結余結余專項經費自籌經費合計專項經費自籌經費合計專項經費自籌經費合計經費支出合計經費支出合計760.00258.001018.00654.83220.31875.14105.1737.69142.861、設備費、設備費144.6071.98216.58154.1243.81197.93-9.5228.1718.65（1）購置設備費）購置設備費*107.933.35111.28*（2）試制設備費）試制設備費*31.1931.5662.75*（3）設備改造與租賃費）設備改造與租賃費*15.008.9023.90*2、材料費、材料費38.500.0038.5030.603.0033.607.90-3.004.903、測試化驗加工費、測試化驗加工費51.600.0051.6035.2010.0045.2016.40-10.006.404、燃料動力費、燃料動力費0.0019.0019.000.0010.7010.700.008.308.305、差旅費、差旅費92.400.0092.4072.339.8582.1820.07