用于揭示煤与瓦斯突出机理与规律的模拟试验仪器及应用

本书针对煤与瓦斯突出模拟试验的关键科学技术难题，在相似理论、相似材料、仪器系统、功能技术、方法工艺取得重要突破与创新：构建完善煤与瓦斯突出相似准则，研发含瓦斯煤、低渗性岩层等相似材料，研发了用于含瓦斯煤物理力学特性研究的六套基础试验仪器，研发了以巷道掘进诱突为目标的多尺度煤与瓦斯突出定量模拟试验系统，创建煤层高压气体“三层密封”方法，创建“煤层预制+岩层现浇”的模式化试验模型制作方法。本书可供从事煤与瓦斯突出综合治理的采矿工程、煤炭安全技术及工程、防灾减灾工程与防护工程、岩土工程及相关领域的科研人员和工程技术人员参考，也可以作为高等院校相关专业研究生和本科生的教学参考书。

前言
第1章绪论1
1.1研究意义1
1.1.1煤炭是我国主体能源1
1.1.2煤与瓦斯突出灾害及其机理亟待突破1
1.2煤与瓦斯突出灾害及假说4
1.3国内外研究现状10
1.3.1研究现状10
1.3.2存在的问题与不足14
1.4主要研究内容与方法14
1.5研究目标16
1.6主要创新与进展17
参考文献19
第2章煤与瓦斯突出物理模拟相似准则创建22
2.1煤与瓦斯突出物理模拟相似准则进展23
2.2固气耦合模型及相似转化24
2.2.1煤与瓦斯突出准备阶段数学模型24
2.2.2准备阶段数学模型的相似转化24
2.3能量模型及其相似转化26
2.3.1煤与瓦斯突出能量模型26
2.3.2能量模型的相似转化28
2.4煤与瓦斯突出相似准则建立及其相似性分析29
2.4.1相似准数选取29
2.4.2煤与瓦斯突出相似准则建立29
2.4.3相似准则相似性分析30
2.5相似准则相似性分析与验证31
2.6小结32
参考文献33
第3章吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料研发35
3.1煤的物理力学特性及相似材料研究进展35
3.1.1煤的孔隙结构特征35
3.1.2煤的吸附解吸特性36
3.1.3煤的放散特性37
3.1.4煤的力学特性38
3.1.5煤岩相似材料研究进展39
3.2吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料选择与制备39
3.2.1吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料选择39
3.2.2吸附解吸特性含瓦斯煤相似材料试件的制作41
3.3基本物理力学参数测试43
3.4影响因素分析47
3.4.1容重和孔隙率47
3.4.2吸附性48
3.4.3单轴抗压强度49
3.4.4弹性模量50
3.4.5内聚力50
3.4.6内摩擦角、泊松比51
3.5含瓦斯煤相似材料的优势51
3.6小结52
参考文献52
第4章低渗透性岩层相似材料研发54
4.1岩层特性及低渗性相似材料研究进展54
4.2低渗性岩层相似材料选择55
4.3基本物理力学参数测试56
4.3.1测试方案56
4.3.2物理力学性质测试方法57
4.4影响因素分析58
4.4.1密度59
4.4.2单轴抗压强度及弹性模量59
4.4.3渗透率61
4.5材料适用性分析62
4.6小结63
参考文献64
第5章本安型瓦斯相似气体研发66
5.1瓦斯特性与本安型瓦斯相似气体66
5.2相似指标与气体筛选66
5.2.1相似指标66
5.2.2气体筛选68
5.3相似指标测定与结果分析69
5.3.1瓦斯/气体含量Q测定69
5.3.2瓦斯/气体放散初速度△P测定71
5.3.3初始释放瓦斯/气体膨胀能Wp测定72
5.3.4含瓦斯/气体煤力学性质Rc测定74
5.4瓦斯与相似气体的相关性分析75
5.5小结76
参考文献76
第6章相关基础试验仪器的研发78
6.1可视化恒容固气耦合试验仪研发78
6.1.1研发意义78
6.1.2仪器构成与原理79
6.1.3仪器功能与技术指标80
6.1.4仪器详细介绍81
6.1.5冲击力测试84
6.2标准试件环向位移测试系统研发87
6.2.1研发意义87
6.2.2系统构成89
6.2.3测试方法与原理89
6.2.4系统主要参数91
6.2.5系统测试精度验证91
6.3岩石三轴力学渗透测试仪研发93
6.3.1研发意义93
6.3.2仪器功能与技术参数94
6.3.3仪器构成与各部分关键技术95
6.3.4仪器操作流程100
6.4瓦斯膨胀能测定仪优化改进101
6.4.1研发意义101
6.4.2测定原理102
6.4.3设计思路与仪器构成103
6.4.4仪器优化改进与性能指标104
6.5煤粒瓦斯放散测定仪研发107
6.5.1研发意义107
6.5.2仪器构成与简介107
6.5.3测量原理及方法109
6.6相似材料渗透率测试仪研发110
6.6.1研发意义110
6.6.2仪器简介和工作原理110
6.7基础试验仪器的应用112
6.7.1含瓦斯煤力学特性研究112
6.7.2煤岩吸附瓦斯放散特性研究133
6.7.3瓦斯膨胀能影响规律研究138
6.7.4受力过程煤岩气体渗透特性研究142
6.8小结146
参考文献146
第7章煤与瓦斯突出物理模拟试验仪器研发原理152
7.1突出关键因素与突出物理模拟试验仪器系统构成152
7.1.1突出关键因素152
7.1.2突出物理模拟试验仪器系统构成155
7.2合理确定模拟范围及相似比尺155
7.2.1确定模拟范围155
7.2.2确定相似比尺160
7.3多尺度煤与瓦斯突出物理模拟试验仪器研发161
参考文献162
第8章小型瞬间揭露煤与瓦斯突出模拟试验仪器164
8.1仪器构成与设计164
8.1.1研制思路164
8.1.2系统主要技术参数165
8.1.3模拟系统构成与功能165
8.2仪器验证与应用168
8.2.1试验方案与过程168
8.2.2模拟试验过程171
8.2.3试验现象与结果分析172
8.3小结176
参考文献177
第9章中型煤与瓦斯突出模拟试验仪器178
9.1仪器构成与设计178
9.1.1反力密封单元179
9.1.2应力加载单元182
9.1.3气体充填单元182
9.1.4巷道掘进单元184
9.1.5信息采集单元186
9.2仪器验证与应用188
9.2.1试验方案188
9.2.2试验过程189
9.2.3试验结果及分析191
9.3小结194
参考文献195
第10章大型煤与瓦斯突出模拟试验仪器196
10.1仪器构成与设计196
10.1.1研发思路196
10.1.2定量化模拟基础——相似体系构建196
10.1.3系统构成与技术指标197
10.1.4五大关键单元构成与功能200
10.2仪器验证与应用208
10.2.1试验方案208
10.2.2试验过程209
10.2.3试验结果与分析210
10.3小结214
参考文献214
第11章煤与瓦斯突出物理模拟方法工艺创新216
11.1煤层高压气体“三层密封”方法216
11.1.1低强高黏气体密封胶密封216
11.1.2低渗岩层材料密封217
11.1.3反力装置密封218
11.2试验模型精细化制作工艺220
11.2.1模型制作方案220
11.2.2相似材料配制221
11.2.3模型分层振实222
11.2.4煤层铺设与密封224
11.2.5传感器埋设与变送器气密封保护225
11.2.6模型完成制作与封盖225
11.3试验流程与创新工艺226
11.3.1试验流程226
11.3.2创新工艺229
11.4小结229
第12章揭煤致突试验与影响因素分析230
12.1瞬间揭煤致突试验230
12.2煤体强度对突出的影响规律230
12.2.1研究意义230
12.2.2试验方案230
12.2.3试验结果232
12.2.4影响规律分析232
12.2.5煤体强度对突出的能量影响机制235
12.3气体吸附含量对突出影响规律238
12.3.1研究意义238
12.3.2试验方案239
12.3.3试验结果240
12.3.4影响规律分析243
12.3.5吸附气体对突出能量影响机制分析244
12.4小结248
参考文献248
第13章淮南典型突出事故物理模拟与分析250
13.1工程概况250
13.1.1典型突出案例——新庄孜矿煤与瓦斯突出事故250
13.1.2试验原型参数251
13.2试验方案252
13.3试验结果与分析259
13.3.1试验现象259
13.3.2试验数据结果261
13.4小结268
参考文献269
第14章结论与展望270
14.1结论270
14.2展望274