Tiêu chí cơ học cho hiện tượng phun than và khí: góc nhìn từ mô hình đa vật lý

Springer Science and Business Media LLC - Tập 8 Số 6 - Trang 1423-1435 - 2021
Ting Liu1, Baiquan Lin1, Xuehai Fu2, Ang Liu3
1School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China
2Key Laboratory of CBM Resources and Dynamic Accumulation Process, China University of Mining & Technology, Xuzhou, 221008, China
3Department of Energy and Mineral Engineering, G3 Center and EMS Energy Institute, The Pennsylvania State University, University Park, PA, USA

Tóm tắt

Tóm tắtMặc dù đã có nhiều giả thuyết được đề xuất, cơ chế của hiện tượng phun than và khí vẫn chưa được làm rõ. Với những hiện tượng phun có chỉ số thấp thường gặp trong thực tiễn khai thác mỏ, chúng tôi cố gắng khám phá cơ chế này bằng cách sử dụng mô hình kết hợp đa vật lý, tính đến ảnh hưởng của độ bền than và sự chuyển giao khối lượng khí lên sự cố. Dựa trên phân tích lực của than trước mặt cắt, chúng tôi đề xuất một chỉ số nhận diện rủi ro Cm và một tiêu chí quan trọng (Cm ≥ 1) về sự không ổn định của than. Theo tiêu chí này, lực tác động của một đợt phun bao gồm độ căng và chênh lệch áp suất khí dọc theo hướng mặt cắt đường mỏ, trong khi đó lực kháng lại phụ thuộc vào sức kháng cắt và sức kháng kéo của than. Kết quả cho thấy rằng rủi ro phun giảm nhẹ, sau đó tăng nhanh, khi áp lực dọc tăng, trong khi nó giảm khi độ bền của than tăng và tăng một cách đơn điệu khi áp suất khí tăng. Bằng cách sử dụng phương pháp bề mặt phản ứng, một mô hình đa yếu tố kết hợp cho chỉ số nhận diện rủi ro được phát triển. Kết quả cho thấy có sự tương tác mạnh mẽ giữa các yếu tố kiểm soát. Hơn nữa, các giá trị quan trọng của các yếu tố tương ứng với hiện tượng phun thay đổi tùy thuộc vào môi trường của các lớp than, thay vì là các hằng số. Khi độ sâu chôn lấp của một lớp than tăng, các giá trị quan trọng của áp suất khí và độ bền của than giảm nhẹ, sau đó tăng nhanh. Theo các yếu tố kiểm soát, hiện tượng phun có thể được chia thành các loại: loại chi phối bởi áp lực, loại chi phối bởi độ bền của than, loại chi phối bởi áp suất khí, và các loại hợp chất đa yếu tố. Dựa trên sự phân loại này, một phương pháp kiểm soát phân loại được đề xuất nhằm giúp ngăn chặn hiện tượng phun một cách có mục tiêu hơn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Alonso E, Alejano LR, Varas F, Fdez-Manin G, Carranza-Torres C (2003) Ground response curves for rock masses exhibiting strain-softening behaviour. Int J Numer Anal Met 27(13):1153–1185

An F, Yuan Y, Chen X, Li Z, Li L (2019) Expansion energy of coal gas for the initiation of coal and gas outbursts. Fuel 235:551–557

Cao W, Shi J, Durucan S, Si G, Korre A (2020) Gas-driven rapid fracture propagation under unloading conditions in coal and gas outbursts. Int J Rock Mech Min 130:104325

Chen KP (2011) A new mechanistic model for prediction of instantaneous coal outbursts-dedicated to the memory of Prof. Daniel D. Joseph. Int J Coal Geol 87(2):72–79

Chen L, Jin X (2012) Study on the applicability of three criteria for slope instability using finite element strength reduction method. Chin Civil Eng J 45(9):136–146

Danesh NN, Chen Z, Aminossadati SM, Kizil MS, Pan Z, Connell LD (2016) Impact of creep on the evolution of coal permeability and gas drainage performance. J Nat Gas Sci Eng 33:469–482

Fan C, Li S, Luo M, Du W, Yang Z (2017) Coal and gas outburst dynamic system. Int J Min Sci Technol 27(1):49–55

Fan C, Elsworth D, Li S, Zhou L, Yang Z, Song Y (2019) Thermo-hydro-mechanical-chemical couplings controlling CH4 production and CO2 sequestration in enhanced coalbed methane recovery. Energy 173:1054–1077

Guan P, Wang H, Zhang Y (2009) Mechanism of instantaneous coal outbursts. Geology 37:915–918

Jing W, Xue W, Yao Z (2018) Variation of the internal friction angle and cohesion of the plastic softening zone rock in roadway surrounding rock. J China Coal Soc 43(08):2203–2210

Li H, Xiong G, Zhao G (2016) An elasto-plastic constitutive model for soft rock considering mobilization of strength. T Nonferr Metal Soc 26(3):822–834

Liu T, Lin B, Yang W (2017) Impact of matrix-fracture interactions on coal permeability: model development and analysis. Fuel 207:522–532

Liu Q, Cheng Y, Dong J, Liu Z, Zhang K, Wang L (2018) Non-darcy flow in hydraulic flushing hole enlargement-enhanced gas drainage: does it really matter? Geofluids 2018:1–15

Liu T, Lin B, Fu X, Zhu C (2020a) Modeling air leakage around gas extraction boreholes in mining-disturbed coal seams. Process Saf Environ 141:202–214

Liu T, Lin B, Fu X, Liu S (2020) A new approach modeling permeability of mining-disturbed coal based on a conceptual model of equivalent fractured coal. J Nat Gas Sci Eng 79:103366

Liu T, Lin BQ, Fu XH, Zhao Y, Gao YB, Yang W (2021) Modeling coupled gas flow and geomechanics process in stimulated coal seam by hydraulic flushing. Int J Rock Mech Min Sci 142:104769

Lu S, Wang C, Liu Q, Zhang Y, Liu J, Sa Z et al (2019) Numerical assessment of the energy instability of gas outburst of deformed and normal coal combinations during mining. Process Saf Environ 132:351–366

Luo MK, Fan CJ, Li S et al (2018) Failure criterion of the geological dynamic system of coal and gas outburst. J China Univ Min Technol 47:137–144

Ma Y, He X, Li Z (2020) A unified model with solid-fluid transition for coal and gas outburst and FEMLIP modeling. Tunn Undergr Sp Tech 99:103349

Ma Y, Nie B, He X, Li X, Meng J, Song D (2020b) Mechanism investigation on coal and gas outburst: an overview. Int J Miner Metall Mater 27(7):872–887

Rudakov D, Sobolev V (2019) A mathematical model of gas flow during coal outburst initiation. Int J Min Sci Technol 29(5):791–796

Shu LY, Wang K, Qi QX et al (2017) Key structural body theory of coal and gas outburst. Chin J Rock Mech Eng 36:347–356

Sobczyk J (2011) The influence of sorption processes on gas stresses leading to the coal and gas outburst in the laboratory conditions. Fuel 90(3):1018–1023

Sobczyk J (2014) A comparison of the influence of adsorbed gases on gas stresses leading to coal and gas outburst. Fuel 115:288–294

Wu Y, Liu J, Elsworth D, Siriwardane H, Miao X (2011) Evolution of coal permeability: contribution of heterogeneous swelling processes. Int J Coal Geol 88(2–3):152–162

Wu X, Peng YW, Xu J, Yan Q, Nie W, Zhang TT (2020) Experimental study on evolution law for particle breakage during coal and gas outburst. Int J Coal Sci Technol 7(1):97–106

Xia T, Zhou F, Liu J, Gao F (2014) Evaluation of the pre-drained coal seam gas quality. Fuel 130:296–305

Yang D, Chen Y, Tang J, Jiang C (2021) Comparative experimental study of methods to predict outburst risk when uncovering coal in crosscuts. Fuel 288:119851

Zhai C, Xiang X, Xu J, Wu S (2016) The characteristics and main influencing factors affecting coal and gas outbursts in Chinese Pingdingshan mining region. Nat Hazards 82(1):507–530

Zhi S, Elsworth D (2016) The role of gas desorption on gas outbursts in underground mining of coal. Geomech Geophys Geo-Energy Geo-Resour 2(3):151–171

Zhou AT, Zhang M, Wang K, Elsworth D (2020) Near-source characteristics of two-phase gas–solid outbursts in roadways. Int J Coal Sci Technol. https://doi.org/10.1007/s40789-020-00362-9

Zou Q, Liu H, Zhang Y, Li Q, Fu J, Hu Q (2020) Rationality evaluation of production deployment of outburst-prone coal mines: a case study of Nantong coal mine in Chongqing, China. Safety Sci 122:104515