低透突出煤层采动裂隙演化特征研究

Pingdingshan mining area features low permeability and outburst coal seam. In order to improve the gas drainage efficiency of the coal seams, this project aims at exploring the developping characteristics of mining-induced fracture in coal-rock mass, involving space feature, distribution, scale law, evolution and connectivity of fracture. A noval fractal method is proposed to describe quantitatively the macro-micro characteristics of mining-induced fracture. Perturbation theory will be employed to explain the characteristics of energy release and the fracture mechanism, to obtain the quantified relationship between the macroscopic mechanical properties and the microscopic structure, and to build the damage evolution equation of coal mass during mining process. The objective is to develop the inversion theory and genertating method for mining-induced fracture, to dynamically simulate mining-induced fracture network, and to reveal the law of gas flow in the fracture field coupled with gas and stress field. This research will build the foundation of the theory for predicting the coal-gas outburst accidents and regional gas control.

针对我国平顶山矿区煤层突出、低透的赋存条件，以提高低透突出煤层瓦斯抽采效率为目标，本课题将查明采动应力作用下煤岩体裂隙网络发育特征，重点研究采动应力作用下突出低透煤层煤岩体裂隙网络空间形态、分布特征、尺度律、演化规律及联通特性，提出采动裂隙场宏、细观分形定量表征新方法。引入微扰理论深入探讨工作面推进过程中，覆岩变形致裂机理及能量释放的变化规律，获得含瓦斯煤岩体宏观力学性质与细观结构之间的定量关系，建立采动煤岩损伤演化方程。发展采动裂隙场反演理论和生成方法，实现采动裂隙网络动态模拟，揭示裂隙场、瓦斯场及应力场三场耦合作用下瓦斯流动规律。研究成果将为瓦斯突出事故预测及区域瓦斯治理奠定理论基础。

瓦斯事故是煤矿的第一杀手，瓦斯治理离不开煤岩体裂隙网络的产生、发育及联通。项目依托平煤八矿煤层赋存特征，以及“深部(高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量、强吸附性)、集约化开采、低渗透”的三大突出特征，系统研究低透突出煤层采动裂隙演化特征，揭示裂隙场演化规律与瓦斯分布、流动、富集规律，为深部高突低透难采煤层的煤与瓦斯共采提供必要的技术保障。. 按照“低透突出煤层采动裂隙演化特征研究”的计划任务书约定研究计划，在过去的三年中开展了理论研究、数值分析、室内及现场实验，收集了大量可贵原始数据，结合理论以及实际情况，获得2大理论突破、解决现场2大工程技术难题。在国际国内重要科学期刊发表SCI论文3篇，EI论文6篇，出版专著1部，申报专利9项，培养硕博士及工程技术人员10名，完全达到预期指标。其研究成果主要表现在以下几个方面： .1).提出考虑不同开采方式下采动力学模型，突破以往试验加载曲线的单一性及缺陷性；.2).将预制后的裂隙煤岩体进行统计意义的分类，即单一、平行、交叉及混合裂隙煤岩体，并提出预测公式；.3).工业CT重构煤岩内部结构显示，受构造影响煤岩体内部杂质、微裂隙及空洞随机分布，范围较广，宏观上空间形态呈絮状，但联通率不高，不利于瓦斯流动；.4).完整试件及不同裂隙类型煤岩体在强度、变形等方面均有着较大的差异，随着裂隙复杂程度的增加，裂隙煤岩体强度参数间的差异降低，裂隙煤岩体表面裂隙分布维数越高其强度越低；.5).采动对上覆岩层裂隙网络沿开采方向的影响范围约为50m。位于影响区外上覆岩层随采面推进，其裂隙网络发育不明显。在垂直于顶板方向上，按裂隙空间分布特征可将上覆岩层分为：破碎区、近等间距离层裂隙区和随机节理区。.6).通过各孔孔壁裂隙分形维数以及沿孔深方向连通率的分析得到，分形维数随着采面的推进总体上呈增加趋势。连通率随采面推近变化有三个明显变化阶段，分别是（>50m）缓慢增加阶段、（50m～15m）线性增加阶段、（15m～0m）平稳阶段，距采面15m范围内为裂隙饱和区域。.7).获得距采面为14m、11.6m、6.2m以及3m时高17m、长60m的四种覆岩空间裂隙网络图。一定程度上其瓦斯流动规律可以代表顶板采动裂隙网络的瓦斯流动特征。