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。

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目录
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