基于实验反演方法的煤与瓦斯突出微观孕育到宏观灾害转化机理研究

微观机理决定宏观灾害行为，目前国内外煤与瓦斯突出微观机理认识远远落后于宏观灾害行为研究。拟充分利用流固耦合力学、岩体力学等交叉学科优势，引入核磁共振实验技术，采用实验反演方法，预先由煤与瓦斯突出实验确定突出过程参数条件，通过自主研制可改变围压、轴压、孔隙压的非磁性突出孕育模拟仪，进行相同突出过程参数条件下的核磁共振实验，实验反演得到瓦斯吸附量、游离量、煤体变形量等定量化核磁指标变化规律，与突出实验得到的临界突出压力、突出强度、突出距离等参数对应，观察新现象，总结新规律，引入新参数，从而揭示煤与瓦斯突出由微观孕育到宏观灾害转化机理，获得瓦斯与煤体破裂间相互作用规律。通过瓦斯-煤耦合作用下煤微结构变形势能量变到瓦斯突出压力势能的质变将微宏观转化联系起来，继而基于固流耦合失稳理论建立煤与瓦斯突出力学模型，并加以数值仿真求解，提出突出发生判据，为完善现有的突出预测和防治提供科学参考。

基于目前微观机理决定宏观灾害行为，国内外煤与瓦斯突出微观机理认识远远落后于宏观灾害行为研究的实际情况，项目按计划顺利完成，以实验研究为主，理论分析和数值模拟为辅。.实验研究方面：.引入核磁共振实验技术，采用实验反演方法，预先由煤与瓦斯突出实验确定突出过程参数条件。研制了可实现轴压、围压、孔隙压三维加载、突出口自行打开的煤与瓦斯突出启动模拟仪，进行了轴压、围压、孔隙压下的煤与瓦斯突出模拟宏观实验研究，再现了大量现场观测到的煤与瓦斯突出口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征，得到了煤与瓦斯突出发生时临界瓦斯突出压力、突出强度、突出距离等突出过程参数间关系规律。利用研制的非磁性煤与瓦斯突出微观孕育模拟仪置于核磁共振磁体腔中，改变围压、轴压和孔隙压的不同加载组合，实验反演了煤与瓦斯突出孕育过程，得到了以核磁信号强度为微观定量指标的瓦斯吸附量、游离量、煤体变形量等变化规律。.理论分析方面：.在实验基础上，建立了由实验室突出模拟实验反演计算现场突出能量的理论方法，与实测能量值吻合较好，为煤与瓦斯突出能量预测提供了一种新方法。引入核磁共振弛豫理论，建立了游离瓦斯横向弛豫时间与煤孔隙半径间关系方程，提出将煤微观孔隙半径变化与宏观煤体变形、以核磁共振谱峰面积反映吸附瓦斯和游离瓦斯含量变化与宏观突出瓦斯压力局部化相关联，从微观角度预测宏观水平的突出能量。基于能量角度，建立了煤与瓦斯突出微观孕育到宏观灾害转化模型，从突出发展机制角度揭示了煤与瓦斯突出微观孕育到宏观灾害转化机理。.数值模拟方面：.进行了煤与瓦斯突出数值模拟，建立了含瓦斯煤热流固耦合模型，得到了不同煤层深度下煤与瓦斯突出过程中瓦斯压力、孔隙率、渗透率、有效应力变化规律。.项目取得成果为完善现有的突出预测和防治提供了科学参考。