煤与瓦斯突出孔洞形成机理及突出条件的实验与理论研究

项目在总结前人研究成果和煤与瓦斯突出实例的基础上，紧紧围绕煤与瓦斯突出成灾机理这一重要科学问题展开研究工作，在研究过程中拟解决以下关键问题：.用力学方法研究煤与瓦斯突出孔洞的形成和演化，从理论上解决突出孔洞的圈定方法，揭示煤与瓦斯突出的力学条件；建立地应力场、温度场、孔隙压力场作用下瓦斯渗流理论，数值分析三场作用下瓦斯在裂隙煤体中的流动规律；从能量理论出发，研究煤与瓦斯突出过程中的功能转化关系，确定突出发生的临界条件和过程，进一步揭示煤与瓦斯突出机理。.通过大量突出案例分析，采用实验研究、理论研究、数值模拟相结合，提出了预测突出孔洞的力学方法；弄清了突出过程中功能转化关系；建立了地应力场、温度场、孔隙压力场作用下瓦斯在煤体中的渗流理论；全面认清煤与瓦斯突出成灾机理，确保巷道施工人员和设备安全，减少和杜绝煤与瓦斯突出灾害事故的发生，为煤与瓦斯突出预测预报和制定防治措施提供科学的依据。

我国是煤与瓦斯突出最严重、危害性最大的国家之一，严重威胁煤矿的安全生产，因此项目开展煤与瓦斯突出孔洞形成机理及突出条件的实验与理论研究，具有重要的科学意义与实用价值。在研究过程中拟解决以下关键问题：用力学方法研究煤与瓦斯突出孔洞的形成和演化，从理论上解决突出孔洞的圈定方法，揭示突出的力学条件；建立地应力场、温度场、孔隙压力场作用下瓦斯渗流理论，数值分析三场作用下瓦斯在裂隙煤体中的流动规律；从能量理论出发，研究煤与瓦斯突出过程中的功能转化关系，确定突出发生的临界条件和过程，进一步揭示煤与瓦斯突出机理。项目通过典型突出案例分析，采用实验研究、理论研究、数值模拟相结合，取得了以下研究成果：.（1）煤是一种双重孔隙介质，通过实验研究得出，煤体中存在大量的天然孔隙和裂隙网络。煤体中的孔隙，微孔占的体积小，但比表面积大，是瓦斯吸附的主要场所，小孔和中孔所占的体积大，但比表面积小。煤体中的裂隙为面割理和端割理。面割理裂隙较发育、延伸远、连续性好，是瓦斯渗流的主要通道。端割理一般连续性差，在面割理处终止，是瓦斯渗流的次要通道。.（2）煤对甲烷的吸附属于Ⅰ类吸附，可以用Langmuir方程进行很好的描述。煤中甲烷气体的解吸规律为：初始解吸速度较大，随时间的增加，解吸速度衰减最终趋于0。气体压力越高初始解吸速度越大，解吸总量增加。扩散模型、解吸-扩散模型能很好地描述甲烷气体的解吸规律。.（3）实验研究得出煤体的渗透率与所处的应力状态、温度、孔隙压力作用密切相关。在前人研究成果的基础上，建立了应力场、温度场、渗流场作用下的瓦斯渗流方程。并数值模拟了单场与多场耦合作用下瓦斯的渗流规律，模拟结果与实验结果基本一致。.（4）根据应力判据与应变判据，提出了巷道掘进工作面塑性断裂区圈定的两步计算法，实现工作面突出危险性的四维预测技术。根据煤与瓦斯突出现场实例与实验室模拟突出结果，采用理论计算突出的时间与实验时间在同一数量级上，因此提出的预测方法具有可行性。.（5）煤与瓦斯突出过程中能量主要来源于煤体中储备的弹性能，瓦斯膨胀能、煤体的重力势能爆炸能等。实验研究表明，单位体积弹性能随体应力的增大而增大，呈幂函数关系。瓦斯膨胀能与瓦斯压力呈线性关系，突出过程可以近似看作等温过程。根据煤与瓦斯突出能量的转换关系，得到了煤与瓦斯突出的激发条件与临界瓦斯压力，并通过实例验证。