煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及机理研究

煤炭学报
网络首发时间：2024-06-28 17:00:30

作者

张超林刘明亮王恩元王培仲姜巧真曾伟
单位

煤矿灾害防控全国重点实验室煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室中国矿业大学安全工程学院
摘要

煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象，严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是一个综合反映煤层特性的重要参数，利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统，开展了不同渗透率条件下（1.38、6.69、7.34和9.10 mD）煤与瓦斯突出物理模拟试验。结果表明，随着煤层渗透率的增加，突出两相流运移形态逐渐由栓流演变为分层流和沙丘流，且煤粉运移速度及其峰值逐渐降低，由1.38 mD条件下31.98 m/s减小为9.10 mD条件下20.10 m/s；伴随突出两相流运移产生的冲击波呈现阶段式演化特征，对应负相压区间冲击波超压谷值的最大绝对值大于正相压区间冲击波超压峰值，且在巷道前端随煤层渗透率的增加而下降；4次试验对应相对突出强度分别为75.63%、44.65%、38.01%、10.97%，拟合得到相对突出强度随煤层渗透率增大呈指数下降关系。理论分析认为，瓦斯压力梯度是以渗透力的形式作用于煤体，而煤层渗透性主要是通过影响瓦斯渗透力动态变化，进而影响煤与瓦斯突出强度以及突出两相流运移状态；随着煤层渗透率的增加，瓦斯流动受到的阻力减小，瓦斯压力下降较快，难以形成高瓦斯压力梯度，同时暴露面附近的瓦斯渗透力较低，并快速向远处转移，无法进一步破坏暴露面煤体，导致突出强度下降，甚至不发生突出。最后，从瓦斯压力梯度和瓦斯渗透力的角度系统探讨了煤与瓦斯突出全过程演化特征，得出煤层渗透率在突出各个阶段均占据重要作用，结合我国煤与瓦斯突出预测现状及难题，认为煤层渗透率有望成为突出预测新指标，关键在于如何结合煤矿现场实际条件确定其临界值，分别从试验研究、理论分析和工程实践等方面提出了未来展望。研究成果对于煤与瓦斯突出鉴定、预测及防控具有重要指导价值。
关键词

煤与瓦斯突出煤层渗透率突出两相流瓦斯压力梯度瓦斯渗透力
文章目录

1 试验方案设计
2 试验结果与分析
2.1 突出煤粉在巷道内运移及分布规律
2.2 突出冲击波在巷道内时空演化特征
2.3 渗透率对煤粉运移及冲击波演化的影响
2.4 渗透率对突出强度的影响规律及机理分析
3 讨论
4 结论