当高气体的上部煤层坚硬厚砂岩顶板,采空区的瓦斯爆炸事故甚至造成屋顶倒塌。10的1007工作面开采煤层下夏KuoTan煤矿为工程背景,通过室内实验和理论分析的方法,研究了岩石摩擦效应点燃气体的可能性。根据工程地质条件,结果表明,摩擦产生的热硬砂岩可以点燃气体的过程。根据3 dec数值模拟,研究了上覆岩层坚硬岩石的不稳定性特征。结果表明,板不稳定区域的大小没有改变当工作面长度的增加。屋顶的厚度增加时,滑动失稳的面积增加,不稳定滑动的程度更为严重。在隧道的边界,上覆地层遭受最大的剪切应力,这往往会形成一个以更大的滑动摩擦表面不稳定。gydF4y2Ba
一定浓度的甲烷和空气混合物可以形成暴力引起的氧化反应,如爆炸或燃烧火来源,这将带来巨大的伤害gydF4y2Ba
到1887年,普鲁士委员会指出,煤矿瓦斯气体爆炸和燃烧的可能性引起的摩擦效应当采空区瀑布的屋顶或大量的岩石在旧的道路突然坏了(gydF4y2Ba
上述研究证实了坚硬的岩石的摩擦效应的可能性点燃气体从理论和试验的角度,但岩石的着火源点燃气体摩擦过程和顶板岩层的地方容易形成摩擦效应在矿业面临尚未深入研究。在生产初期,煤矿1007工作面Xiakuotan导致很多气体在采空区顶板坍塌事故。基于这个工作面为工程背景,主要天然气岩石摩擦效应引起的点火来源取决于测试方法。基于3 dec数值模拟,危险区域的气体在采空区顶板破坏引起的崩溃进行了分析。gydF4y2Ba
夏KuoTan煤矿位于河谷地区的南部天山中国(如图gydF4y2Ba
(一)矿山位于新疆,中国。(b)煤矿的全景。gydF4y2Ba
1007工作面位于10号煤层没有pseudotop或直接屋顶。主要的屋顶是由细砂岩和石英砂岩组成的平均总厚度约20.8米;的成分主要是石英和长石。岩层具有良好的完整性和不容易洞穴。采用综采放顶煤开采过程的方法,面对倾向长度是862米,长度是150米,平均煤层厚度5.5米,平均倾角是13°。工作面顶板岩性的表所示gydF4y2Ba
1007工作面顶板岩性。gydF4y2Ba
| 岩性gydF4y2Ba | 厚度(m)gydF4y2Ba | 特性gydF4y2Ba |
|---|---|---|
| 砂岩和砾岩gydF4y2Ba | 3.7gydF4y2Ba | 砾石、石英含量高,困难gydF4y2Ba |
| 细砂岩gydF4y2Ba | 2.9gydF4y2Ba | 细晶粒结构、钙、粘土胶结gydF4y2Ba |
| 砂质泥岩gydF4y2Ba | 11.2gydF4y2Ba | 沙子和页岩、高含砂量部分,砂岩层互层gydF4y2Ba |
| 石英砂岩gydF4y2Ba | 13.9gydF4y2Ba | 高石英组成,部分石英石头,很努力gydF4y2Ba |
| 细砂岩gydF4y2Ba | 6.9gydF4y2Ba | 粘钙质粘土、硬、高石英组成gydF4y2Ba |
| 10号煤层gydF4y2Ba | 5.5gydF4y2Ba | 粉状或支离破碎,易碎,垂直裂缝的发展gydF4y2Ba |
时的返回巷工作面先进55米和173米,瓦斯在采空区的屋顶倒塌时,点燃,和天然气燃烧火焰闯入工作空间和工人。这些事件发生,如图gydF4y2Ba
工作面布局和事件指示。gydF4y2Ba
由于摩擦的作用,在岩石的过程中产生摩擦热块运动,,岩石块的机械能转换为热能。如果接触表面是均匀的,摩擦热将接触表面的均匀分布。然而,在实践中,接触表面总是不均匀,有大量的microoutburst岩石表面,这是受到物理属性,如材料和密度的影响,而这些microoutburst身体有很大的偶然性。接触摩擦的过程中,一些microconvex身体会产生数百甚至数千度的高温接触表面由于接触面积大,非常小的热释放区域,它只持续几毫秒或更少。所以它叫flash温度。gydF4y2Ba
研究摩擦flash温度比较研究领域的金属摩擦、闪光灯和摩擦的影响温度和温度对岩石研究更少。Dangwei和百盛gydF4y2Ba
在公式(gydF4y2Ba
根据microconvex的均匀分布模型,接触参数gydF4y2Ba
在公式(gydF4y2Ba
的1007工作面Xiakuotan煤矿工作面的长度是150米,按步骤的周期是25.5米,厚度的第一个主要的屋顶是6.9米,比热容gydF4y2Ba
通过理论分析和计算,就可以知道的工程和采矿条件下夏KuotTan煤矿,当摩擦不稳定覆岩发生在1007工作面,摩擦flash最高温度达到了瓦斯爆炸温度,可以点燃,引爆气体。在接下来的一章,室内测试将进行讨论爆炸或燃烧特征气体点燃的岩石摩擦加热效果。gydF4y2Ba
郭台铭(gydF4y2Ba
分析了岩石样本D / Max 2500 pc x射线衍射仪的上端的工作面。结果表明,细粒砂岩顶板的主要阶段是石英、伊利石、高岭石、碳酸钙和少量的镁矿石,石英含量是56 - 68%。石英砂岩顶板的主要阶段是石英,它包含少量的白云石和跟踪高岭石、石英含量在91%到78之间。gydF4y2Ba
使岩石摩擦影响瓦斯爆炸测试箱,如图gydF4y2Ba
测试设备和标本。gydF4y2Ba
甲烷燃烧和爆炸测试箱gydF4y2Ba
岩石样本和样本gydF4y2Ba
过程中滑动和不稳定岩石破裂后,破碎岩石块之间会发生严重的摩擦,摩擦表面将上升到一个很高的温度在短时间内,火花和热岩从摩擦表面粒子将被扔掉。束火花和高温岩粉流可能成为潜在的点火来源。测试的气体浓度在6%和12.8%之间。选择三组岩性相同的标本24测试,和单一测试时间控制在20年代。测试结果如表所示gydF4y2Ba
天然气点火硬砂岩摩擦测试的结果。gydF4y2Ba
| 数量gydF4y2Ba | 样品数量gydF4y2Ba | 摩擦速度(米/秒)gydF4y2Ba | 气体浓度(%)gydF4y2Ba | 测试结果gydF4y2Ba | 数量gydF4y2Ba | 样品数量gydF4y2Ba | 摩擦速度(米/秒)gydF4y2Ba | 气体浓度(%)gydF4y2Ba | 测试结果gydF4y2Ba |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 1.99gydF4y2Ba | 11.9gydF4y2Ba | 未爆炸的gydF4y2Ba | 13gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 10.3gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 2gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 2gydF4y2Ba | 10.2gydF4y2Ba | 未爆炸的gydF4y2Ba | 14gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 8.6gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 3gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 4gydF4y2Ba | 10gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 15gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 7.7gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 4gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 4gydF4y2Ba | 6.8gydF4y2Ba | 未爆炸的gydF4y2Ba | 16gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 9.1gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 5gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 4gydF4y2Ba | 10.1gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 17gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 10.5gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 6gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 4gydF4y2Ba | 6.6gydF4y2Ba | 未爆炸的gydF4y2Ba | 18gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 12.8gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 7gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | 4.02gydF4y2Ba | 10.5gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 19gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | 7.99gydF4y2Ba | 10gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 8gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | 5.94gydF4y2Ba | 6.5gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 20.gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 8gydF4y2Ba | 12.4gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 9gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | 5.98gydF4y2Ba | 9.7gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 21gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 8gydF4y2Ba | 10gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 10gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 5.99gydF4y2Ba | 10.5gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 22gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | 9.96gydF4y2Ba | 9.8gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 11gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 未爆炸的gydF4y2Ba | 23gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 10gydF4y2Ba | 10.9gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
| 12gydF4y2Ba | 1 - 1gydF4y2Ba | 6gydF4y2Ba | 12gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba | 24gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 10gydF4y2Ba | 9.9gydF4y2Ba | 爆炸gydF4y2Ba |
结果表明,硬砂岩和石英含量高,当气体的燃烧或爆炸浓度范围,样本之间的摩擦速度决定了天然气点火的可能性。相对摩擦速度越高,释放的能量密度越大,越容易气体被点燃。9试样的测试过程作为一个例子,摩擦火花的初始形状变成了时间的起源,火花形成的过程,直到气体分析引爆,如图gydF4y2Ba
过程中硬砂岩摩擦接种和天然气火花点火。gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
1.217秒gydF4y2Ba
2.817秒gydF4y2Ba
4.650秒gydF4y2Ba
4.667秒gydF4y2Ba
4.867秒gydF4y2Ba
在测试期间,摩擦火花首先出现在形式的点火花,短期和火花能量低。火花的出现时间点是1.217秒显示在图gydF4y2Ba
可以看出,当气体浓度适当,岩石摩擦效应可以点燃并引爆气体。然而,岩石摩擦的最高温度不能轻松地记录下测试,最大摩擦力flash摩擦表面温度是由理论分析计算。gydF4y2Ba
根据# 10煤表面开采条件和地质条件建立数值模型,如图gydF4y2Ba
# 10煤层数值模型。gydF4y2Ba
自由表面模型的顶部,均布荷载10 MPa,侧压力系数为0.3,模型限制四周和底部的位移。根据工程地质报告,上覆岩层的物理力学性质在煤层通过实验室测试,测试和相关的岩层的物理力学参数。的物理力学参数的主要地层模型如表所示gydF4y2Ba
岩性参数。gydF4y2Ba
| 岩性gydF4y2Ba | 体积弹性模量(GPa)gydF4y2Ba | 剪切模量(GPa)gydF4y2Ba | Cohension (MPa)gydF4y2Ba | 内摩擦角(°)gydF4y2Ba | 抗拉强度(MPa)gydF4y2Ba | 密度(公斤·mgydF4y2Ba3gydF4y2Ba)gydF4y2Ba |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 煤炭gydF4y2Ba | 0.97gydF4y2Ba | 0.90gydF4y2Ba | 1.10gydF4y2Ba | 20.gydF4y2Ba | 1.34gydF4y2Ba | 1300年gydF4y2Ba |
| 砂质泥岩gydF4y2Ba | 2.20gydF4y2Ba | 1.21gydF4y2Ba | 2.10gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | 1.83gydF4y2Ba | 2340年gydF4y2Ba |
| 粉砂岩gydF4y2Ba | 4.40gydF4y2Ba | 2.90gydF4y2Ba | 2.50gydF4y2Ba | 28gydF4y2Ba | 2.18gydF4y2Ba | 2696年gydF4y2Ba |
| 细砂岩gydF4y2Ba | 5.87gydF4y2Ba | 4.38gydF4y2Ba | 3.26gydF4y2Ba | 30.gydF4y2Ba | 3.19gydF4y2Ba | 2700年gydF4y2Ba |
| 石英砂岩gydF4y2Ba | 8.06gydF4y2Ba | 7.89gydF4y2Ba | 5.80gydF4y2Ba | 32gydF4y2Ba | 4.54gydF4y2Ba | 3300年gydF4y2Ba |
工作面长度的影响和屋顶的厚度基本岩石岩石的摩擦表面形成的下降。分别设计长度的脸gydF4y2Ba
测点示意图。gydF4y2Ba
当工作面长度逐渐增加,沿工作面断层线的位置会变化,所以不稳定的摩擦表面的位置可能会改变。本文中的每个测点的剪应力变化挖掘研究,和物体的下降的可能性。下降的情况和时间点测量的点进行了分析。工作面长度的影响不稳定区域的开采面积确定。不管模拟初始平衡压力值,分析数据从脸开始开挖(对应于8800年开始循环的步骤)。先进的支承压力的影响,曲线在峰值应力在13500步。面通过后,压力下降,压力保持稳定在一个范围内。当周期的数量在20000 ~ 25000的范围,压力曲线波动了。这个地区是主要的研究范围,叫做压力波动区域。gydF4y2Ba
当基本屋顶厚度是1.5倍的厚度矿业工作的最大剪应力面长度200米,如图gydF4y2Ba
70行gydF4y2Ba
80行gydF4y2Ba
90行gydF4y2Ba
100行gydF4y2Ba
110行gydF4y2Ba
在70行,如图gydF4y2Ba
在80行,如图gydF4y2Ba
在90行,如图gydF4y2Ba
在100行,如图gydF4y2Ba
在110行,如图gydF4y2Ba
从上面的分析,我们可以看到,该地区是容易产生滑动失稳,形成摩擦表面,如图gydF4y2Ba
当基本屋顶厚度是1.5倍的厚度矿业工作的最大剪应力面长度是250米,如图gydF4y2Ba
70行gydF4y2Ba
80行gydF4y2Ba
90行gydF4y2Ba
100行gydF4y2Ba
110行gydF4y2Ba
在70行,如图gydF4y2Ba
在80行,如图gydF4y2Ba
在90行,如图gydF4y2Ba
在100行,如图gydF4y2Ba
在110行,如图gydF4y2Ba
从上面的分析,我们可以看到,该地区是容易产生滑动失稳,形成摩擦表面,如图gydF4y2Ba
总之,通过比较分析与最大剪应力曲线的长度不同的工作表面,容易滑动不稳定的地方,我们可以看到,巷道的顶板岩石的剪切应力边界各点的最大。所以,岩石的位置更容易破碎和下降的发生不稳定形成摩擦表面。与工作面长度的增加,工作区域内的面积下降的变化不是很大。gydF4y2Ba
当屋顶的厚度增加时,所需的能量屋顶破裂增加,这将对骨折的位置有一定的影响,摩擦表面的位置。当基本屋顶厚度是2.5倍的厚度矿业工作的最大剪应力面长度200米,如图gydF4y2Ba
70行gydF4y2Ba
80行gydF4y2Ba
90行gydF4y2Ba
100行gydF4y2Ba
110行gydF4y2Ba
在70行,如图gydF4y2Ba
在80行,如图gydF4y2Ba
在90行,如图gydF4y2Ba
在100行,如图gydF4y2Ba
在110行,如图gydF4y2Ba
从上面的分析,我们可以看到,该地区是容易产生滑动失稳,形成摩擦表面,如图gydF4y2Ba
总之,从数字gydF4y2Ba
摩擦热效应是屋顶崩溃的根源和点火气体。屋顶裂缝岩石街区在工程现场,当发生滑动摩擦时由于不稳定滑动,摩擦表面通常是狭窄的空间和大量的机械能转化为热能和积累,在摩擦表面加热。的高温摩擦表面是主要的点火来源点燃气体gydF4y2Ba
它可以用来判断上覆占据与滑动失稳发生内部剪切应力的变化趋势。当一个点的剪切应力急剧减少,滑动的上覆地层可能发生不稳定在这个位置gydF4y2Ba
在隧道边界最大剪切应力,在最容易不稳定和摩擦表面的形成gydF4y2Ba
工作面长度增加后,它几乎没有影响的面积上覆岩层坚硬的岩石地层不稳定容易滑动,摩擦表面。屋顶的厚度增加时,滑动摩擦变得更加强烈和摩擦表面的地方容易被增加增加gydF4y2Ba
本文验证气体点火的可能性,通过实验室实验岩石的摩擦效应。这一结论具有普遍适用性为特定类型的岩石。通过数值模拟,可能发生滑动摩擦地区不同岩层条件下在煤矿进行了讨论。在未来,有必要考虑实际工程条件的煤矿,和研发先进的测试方法和测试技术,为进一步阐明摩擦不稳定的可能范围,使此类事故的控制更有针对性。gydF4y2Ba
所有的数据都是通过实验和数值模拟没有参考或借鉴别人。使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba
这项研究是由中国的山东省重点研发计划(批准号2019 sdzy034-1),深矿井岩爆灾害评估的工程实验室开放项目(LMYK2020007),中国国家自然科学基金(批准号。51504145,51504145),和山东省科学技术研究所的计划(批准号J17KB041)。作者感谢他们的支持。gydF4y2Ba