文摘

在深层煤矿瓦斯突出是一个重要的问题。目前,gas-rock耦合变化预测瓦斯突出机理和强度尚不清楚。瓦斯突出模拟实验的研究尤为重要。国家重点实验室的气体灾害监测和应急技术的中国独立开发一个大型煤与瓦斯突出物理模拟试验系统。然而,试验机的设计参数对模拟实验的稳定性和准确性尚不清楚。本文分析了能量转换的过程中,瓦斯突出通过模拟实验现象和结果。实验仿真结果表明,该能源有限公司发布的₂气体在类似的材料是最重要的能量来源。相似材料的裂缝增加名义体积相似的材料,和变形能量存储在相似材料略有增加。实验仿真结果与现场实际情况相一致。结合CAE模拟分析,硬度计压头的位移和压力实验机的实验期间,基本上保持不变,系统没有产生共鸣。综合分析表明,测试机器的设计满足仿真要求。

1。介绍

中国的煤炭生产和消费一直在世界上排名第一(1]。煤与瓦斯突出事故是最严重的灾害之一,瘟疫地下煤矿的安全生产2,3]。突发事故的规模占32%的瓦斯突出事故,以及引起的死亡等事故占所有类型的煤矿死亡人数的33.3% (4]。与此同时,中国的浅层煤炭资源逐渐枯竭,深部煤炭资源的开采越来越成为煤炭行业的需求(5]。然而,煤和岩石的耦合气体动力学等深环境灾害高地应力、高气体压力和高地面温度是更复杂的5- - - - - -7]。这一科学问题的大型物理模拟分析是目前最适用的研究方法(1,8]。

煤与瓦斯突出是一个矿山动力灾害引起的地壳应力等因素的组合,气体压力,和煤炭物理性质9,10]。一旦发生煤与瓦斯突出,大量的煤是扔进巷道空间(11]。瞬间迸发出大量的气体遇到火源,瓦斯爆炸发生,破坏了矿山生产系统和危及工人的生活。煤与瓦斯突出的机理和预测一直是一个世界性的问题,煤矿安全领域的试图解决(6,7]。

瓦斯突出机理的认识仍处于假说阶段,并不统一,但研究瓦斯突出的物理模型是相似的(12- - - - - -19]。瓦斯突出的准备阶段是能量积累阶段。这种能量的大小随煤的弹性9,弹性潜能的释放方法随煤的力学性能(2,12]。突出的发生和发展阶段主要完成行动的气体在煤(2]。煤时突然破碎,气体迅速从吸附状态变为自由(2,12]。同时,气体膨胀进一步打破了煤炭,并把它扔进巷道(20.),扩大工作气体释放速率成正比(2]。由于煤与瓦斯突出机理的复杂性,大规模的煤与瓦斯突出的使用测试设备探讨煤与瓦斯突出的激发条件在复杂环境中是当前的发展趋势5,8,11]。

专注于深部煤炭开采的特点,中国煤炭科学和工业集团重庆研究院有限公司有限公司研发深矿井煤和岩石天然气动力灾害模拟实验系统。的最大垂直承载能力试验系统是25 MPa,最大水平承载能力是16 MPa,系统刚度 N / m,最大气体压力是6 MPa,地面最低温度达到60°C (21]。

煤与瓦斯突出模拟实验系统由六个部分组成:机械加载系统、密封和爆发生成系统,通货膨胀系统,模拟巷道系统,监控系统,除尘系统,如图1。实验系统可以模拟所有的流程(潜伏期、发生、演化和终止)煤与瓦斯突出。除了学习原因机理和煤与瓦斯突出灾害的动态演化特征,它还可以研究煤与瓦斯突出的迁移两相流在道路和煤尘的分离和积累。这个实验系统提供支持,对矿井煤与瓦斯突出的研究disaster-prevention-control。

在测试期间,大量的弹性能量存储在测试机器。岩石样品受损时,弹性能量存储在试验机突然释放,这使样本进一步严重受损。为了避免这种损害,必须改善试验机的刚度,满足实验的需要。此外,瓦斯突出仿真实验系统是一个有限的空间,而深瓦斯突出在一个几乎无限空间。上述问题将影响瓦斯突出的稳定性和误差仿真实验系统。

本文使用该实验系统来模拟煤岩瓦斯突出事故1331年战绩缝(1)输送机隧道驾驶的淮南Dingji煤矿4月19日,2009年。分析能量变化过程中瓦斯突出现象的实验结果,然后决定是否试验机的设计满足模拟试验的要求。

2。仿真实验

公司使用的模拟实验₂实验气体,在实验中岩石的块(大小 )是一个白手起家的类似的材料。煤粉是类似材料的主要成分(质量比为78.16%)。此外,质量比率的水泥、沙子、水,和活性炭是7%,5.5%,8.5%,和0.84%,分别。类似的材料是由分层(4层)。预加压力的压力是25 MPa。形成类似材料的保持时间是30分钟,和类似材料的固化时间是30天。类似材料属于软岩的力学性能。相似材料的单轴抗压强度为1.88 MPa,弹性模量是178.62 MPa,孔隙度为2.99%,密度是1590公斤/米³。吸附常数(2,20.a和b]类似的材料是33.98和1.63,分别。材料的相似比例是1:1。

使类似的模型时,传感器排列在类似的模型。共有31个传感器被安排在相似模型,包括12个气压传感器,13原位应力传感器,和6个温度传感器,如图2。

准备类似的岩石后,它被控0.2 MPa的有限公司₂取代的空气中类似的模型。在公司₂取代空气一段时间,一个初始侧向压力3.0 MPa和16.0 MPa的轴向应力应用于类似的模型。继续,我们也注入了有限公司₂气体的平衡室爆炸装置和类似的材料。我们双方之间的压力差破裂盘不到其破裂压力0.4 MPa和做出类似的材料基本上达到吸附平衡。填补与超压气体设备的平衡毒气室大于0.4 MPa诱导突起。电脑记录数据在实时实验。高速采集开始时有限公司₂瓦斯突出发生。爆发后的有限公司₂气体,煤粉在巷道的分布以及收集爆孔的形状特征。实验过程的示意图如图3。

3所示。实验结果

分析实验结果之前,我们得到的刚度试验机通过CAE仿真(22,23]。发现在某一方向上位移的线性关系与外加应力,如图4。计算纵向刚度、横向刚度的实验机 N / m和 N / m,分别。之间存在相互影响的水平硬度计压头位移和纵向硬度计压头位移实验机。当纵向加载硬度计压头,水平硬度计压头的位移比-0.218;当加载水平硬度计压头,纵向硬度计压头的位移比是-0.243。

根据类似的比例,模拟突出煤数量39.74吨,与实际突出煤量在该领域是35 t。考虑到实验室错误和田野的统计误差数据,实验数据与实际情况是一致的。

存储的能量计算瓦斯突出前的实验系统。计算结果表明,变形的能量(24的实验机 J,变形能量存储在类似的材料 J。免费的体积有限公司₂气体在类似的材料是0.028704米³,自由气体存储能量 J。公司的质量₂气体吸附在类似的材料是43.8公斤,大于自由有限公司的质量₂气体。吸附CO的能量储存₂天然气将远远大于自由气体(9]。

瓦斯突出实验实际上是能量的转换(11]。主要有四种能量转换频道:类似材料的温度变化,能量转换为动能的煤和空气,能量是用于类似材料的断裂,和能源用于系统耗散。阻尼振动能量耗散的主要通道(11- - - - - -13]。

煤与瓦斯突出过程中,类似的材料的温度会改变由于能量转换和气体解吸。如图5在实验中,温度变化。防止温度传感器被损坏在实验中,热电偶是放置在一个类似材料的空腔。实际的温度测量的热电偶温度传感器有限公司₂气体在类似的材料。因此,公司的温度₂天然气显然是受到压力的影响,反映在公司的过程₂天然气增压和饱和度。温度下降了3度瓦斯突出发生后,这是由公司的扩张₂气体。在这个过程中,释放的能量由温度降低约403 J。

孔的形状后,有限公司₂瓦斯突出是不规则半椭球体。孔的深度约15厘米,最大宽度的洞是30厘米。墙的上部煤洞里显示明显的分层断裂。同时,大部分的驱逐煤是片的形式,和煤的堆积高度片占2/3以上的孔直径。

在爆发过程中,破碎的类似材料扔进隧道,把气体的作用下,这反映了爆发的力量。在这种类似的仿真实验,共18.09公斤的类似材料被扔出来,和最远的距离是3.3米的洞。实验后,巷道的岩屑被分成5个区域采样、权衡、筛选。结果如图6和7。如图6,扔岩屑质量下降沿巷道。在0.6米的洞,扔岩屑的质量占59.4%。图7显示了岩屑的粒度分布在不同的地区。图7显示,超过80%的岩屑在洞里(0 ~ 0.15)超过9毫米。岩屑粒度分布的其他地区是相同的,和岩屑的粒度的比例每个区域显示了先降低,然后增加的趋势随着粒径减小。在每个区域中,岩屑粒度大于9毫米或小于1毫米的占绝大多数,而中型岩屑占比例相对较小。通过计算能量用于扔掉岩屑大约是550 J。

在模拟瓦斯突出实验中,气体压力的相似的岩石块如图8。孔附近的相似材料失去支持由于突然曝光,和弹性能量积累和气体压缩能量迅速释放。这将导致类似的材料被打破和扔掉形成最初的突出的洞。爆发后,类似的岩石块破裂,形成综合交错的裂缝。接近孔,裂缝密度越大。孔附近的气体压力很快衰减到0.0 MPa,如图8(一个)。相似材料远离洞的气体压力逐渐降低,如图8 (b)。仍然有一些气体类似材料后,瓦斯突出。能源存储在类似的材料并不是完全释放(10]。在最初的毛孔形成瓦斯突出,测试条件高压力和低孔隙度、裂缝密度远离洞很小,透气性是虚弱的。新公司眠₂气体没有积累足够的能量,进一步打破,把类似的材料,突出是终止。因此,压力下爆发的持续时间短。

爆发发生后,吸附CO₂在类似的材料迅速眠,喷出来的巷道空间,导致了有限公司₂集中在道路附近的洞增加迅速,在很短的时间内达到15.4%。的爆发,有限公司₂气体浓度逐渐降低。仍有一个相对稳定之源有限公司₂气体在突出的洞在很短的时间内,所以浓度在3.15%的隧道逐渐达到一个稳定值。通过观察气体压力在类似的岩石块,得出在2000秒之后,压缩自由气体的质量在相似材料实验前应占60%的质量。在实验的最后,气体压力在类似的材料一般约0.2 MPa,和有限公司₂气体在类似的材料被稳定地释放。因此,它所释放的能量计算有限公司₂气体在相似材料大于3500 J。

一个类似材料的单轴压缩曲线示例如图9。一个粗略的计算显示,单位体积吸收能量密度的标准样品22200 J / m³当它坏了。损坏的样品有多个主要断裂和分为几大块,但没有崩溃。单轴压缩下的弹性能量吸收的标本用于标本失败和开裂。我们相信类似的材料所需的能量密度形成裂缝如图922200 J /米³。在整个相似材料,破碎的尸体都集中在这个洞,和类似的材料的裂纹密度逐渐随距离的增加而减小的洞。根据裂缝的密度相似材料实验后,它可以估计的能源用于破坏和开裂相似材料实验期间约为2220 J。

释放的能量来自于温度的降低和有限的释放₂气体压缩能量相似的材料。压缩能源有限公司发布的₂气体在类似的材料是最重要的能量来源。

4所示。分析测试机参数

与现场工作条件的无限空间相比,最大的区别在于实验系统是一个有限的空间。测试机的参数将决定仿真实验系统的稳定性和准确性。这将在下面进行分析。

首先,分析了影响储存的变形能的试验机模拟实验的准确性。后的相似材料有限公司₂爆发还有的承压能力,内部的压力前后观测点瓦斯突出如图10。从图可以得出结论,类似材料的孔附近的应力减少,而增加了压力远离洞。

在实验期间,硬度计压头的位移测试的机器几乎是0.0,和压力增加硬度计压头的试验机是大约0.1 MPa。这一现象的观察是一致的现场工作条件。在瓦斯突出实验,测试机的液压缸处于锁定状态。因此,测试机可以被视为一个压缩弹簧一端固定,一端作用于类似的材料。压力的增加表明,春天是进一步压缩,和试验机的机械能量增加。实验现象表明,类似的材料有新的裂缝,这些裂缝增加名义体积相似的材料。瓦斯突出的过程是扩张的过程相似的材料。此外,这些裂缝减少类似材料的弹性模量。通过上面的计算与分析,可以判断变形能量存储在相似材料略有增加。试验机的能量增加不超过1000 J和类似的材料。

在田间条件下,应力和应变的变化在无穷远处几乎是零。在这个实验中,测试机器的硬度计压头的位移很小,和压力的变化非常小。试验机的刚度满足瓦斯突出仿真实验的需要。类似大小的材料可以进一步增加增加仿真实验的准确性。

第二,我们分析的振动特征的影响试验机的精度和稳定性的仿真实验25]。根据上述分析,实验期间释放的能量大于吸收的能量系统,和多余的能量消散的实验系统。实验系统的阻尼振动能量耗散的主要方式26,27]。根据几何结构的实验系统,它分为实验机和类似的材料。瓦斯突出会导致之间的耦合振动试验机和类似的材料。测试机的振动激励来自于相似的材料;相似材料的振动激励来自于振动试验机和瞬时气体爆炸发生时的能量释放。

数据显示,相对完整的岩石的自然振动频率高于1000赫兹(28]。试验结果表明,相似材料的固有频率为2170赫兹。类似于岩石相似材料,应力波的传播速度是3.2到7.0公里/秒(29日]。因此,在实验模拟过程中,类似的材料的变形可以被认为是瞬时的。类似材料的阻尼比在0.06和0.11之间(30.),而破碎的岩石的衰减率较高(31日]。应力波传播的过程是能量耗散的过程相似的材料。岩石振动频率越高,能量衰减越快。地震波的频率范围兴奋通过人工地震通常是2至50赫兹(32]。我们可以判断的激振频率相似材料试验机2-50赫兹的范围。

我们使用ANSYS WORKBENCH有限元软件分析的固有频率测试机器。测试机的固有频率和振型计算获得的。前六个订单的固有振动频率是22.47赫兹,29.89赫兹,43.01赫兹,93.09赫兹,99.971赫兹,128.35赫兹。相似材料的振动激励频率较低,因此,高阶频率的振动实验机不需要考虑。四阶模式是93.09赫兹的频率,这模式是主要的振动模式兴奋类似的材料。激励频率接收到测试机是低于93.09赫兹。之间的差异测试机的固有频率和激励频率更有利于能量耗散。分析表明,该实验系统可以不产生明显的共振现象在实验中,对实验结果影响不大。

在现场条件下,大部分的能量传送到遥远的地方以地震波的形式,能量逐渐消散的过程中传播。在实验仿真、振动波反射在接口的一部分,和部分振动波吸收试验机。试验机吸收的能量越大,越大模拟试验机的准确性。添加一个阻尼结构试验机使试验机吸收和消散更多的能量。本文中的实验仿真系统增加了多个高阻尼装置来吸收能量。总之,测试机的参数对模拟实验的准确性的影响最小。

5。结论

本文的仿真实验进行了煤与瓦斯突出利用深井煤和岩石的模拟实验系统气体动力学的灾难。瓦斯突出的能量转换过程中通过实验现象和结果进行了分析。然后,根据实验现象和CAE仿真、参数测试的影响机器的稳定性和准确性是瓦斯突出模拟实验审判。获得的主要结论如下:(1)瓦斯突出实际上是能量的转换。释放的能量来自于温度的降低和有限的释放₂气体压缩能量相似的材料。压缩能源有限公司发布的₂气体在类似的材料是最重要的能量来源(2)仿真实验表明,裂缝增加名义体积相似的材料。这些优惠减少类似材料的弹性模量和略增加变形能量存储在类似的材料(3)测试机的参数满足实验的需要。硬度计压头的位移和压力试验期间基本上保持不变。激振频率传输到试验机2-50赫兹,和固有频率的测试机器是93.09赫兹。系统不会产生共振稳定满足实验的需要。建议添加一个阻尼结构试验机,以便试验机可以更多的能量消散

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51974358,51974358,51774319),科技创新和创业基金的中国煤炭科技工程集团(2019 - td - qn037和2019 - td - qn040),重庆市自然科学基金(cstc2020jcyj-msxmX1052和cstc2019jcyj-msxmX0531),和重庆杰出青年科学基金(cstc2019jcyjjqX0019)。