采动应力与瓦斯压力耦合效应研究

煤炭是我国基础能源的重要组成部分。但随开采深度增加，煤与瓦斯突出灾害日益升级，开采难度加大，严重影响了安全开采。而开采扰动造成的应力重新分布与煤层瓦斯压力演化的耦合作用构成了煤与瓦斯突出主要致灾背景，亟待深入研究。本课题以采动应力和瓦斯压力耦合作用为出发点，采用现场实测、实验室实验、数值模拟、理论分析和现场专项监测的综合研究方法，开展含瓦斯煤样应力变化对瓦斯压力的影响规律，在不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤样耦合应力应变关系的实验研究；在此基础上，研究采场围岩宏观应力壳环境对近场煤层应力和瓦斯压力演化的采动影响规律；并揭示采动应力对瓦斯压力动态演化的影响机理及相互作用关系，构建采动应力与瓦斯压力耦合作用的数力学模型，为指导现场煤与瓦斯突出的危险性评价及预测、防治技术及效果的检验提供正确的理论指导。

高瓦斯煤层动力灾害一直是煤矿生产安全的重大威胁，揭示煤层采动中瓦斯压力与应力的相互作用机理是防治煤与瓦斯动力灾害的关键。为此，项目综合采用现场实测、实验室实验、理论分析和数值模等方法，深入研究了高瓦斯煤层采动应力与瓦斯压力耦合效应，取得以下主要成果：自主研制了新型含瓦斯煤气固耦合参数测试系统，并开展了含瓦斯煤应力与瓦斯耦合互馈效应的参数测试研究，发现含瓦斯煤体扩容区瓦斯压力不稳定易突变失稳诱发动力灾害。综合数值模拟和实测研究表明，煤层瓦斯压力与采动应力分布趋势基本一致，具有典型的正相关性，在瓦斯压力峰值前，煤层处于瓦斯压力与采动应力“双增”状态，易失稳引起动力灾变，是煤岩瓦斯动力灾害重点防治区域。构建了采动应力与瓦斯压力耦合互馈的力学模型，深入揭示了含瓦斯煤体的瓦斯压力受控于采动应力耦合力学本质，在此基础上建立了含瓦斯煤扩容致灾能量判据模型，提出了扩容致灾安全判定指标，为煤岩瓦斯动力灾害的监测预警和防控技术奠定了理论基础。研究成果为高瓦斯煤层安全高效开采提供了重要的理论基础。