突出煤层"包体"效应及对煤与瓦斯动力灾害的控制作用研究

在煤系地层内，存在着结构和性质与周围地层有明显差异的地质体，如断层、软分层、破碎带等，其内聚集了大量的弹性潜能和高压瓦斯-称为"包体"。建立含能包体局部失稳诱发煤与瓦斯突出的理论模型，用煤与瓦斯突出试验装置，根据相似理论构建包体地质体，在具有自动补偿液压加载系统的立体模型试验台上实验、理论分析和数值计算有机结合的方法，研究煤与瓦斯突出煤体包体气固耦合效应，和含能包体受采掘工程扰动诱发包体外层煤岩体卸压破裂、失稳，瞬间溃蹦，形成煤与瓦斯突出动力学演化过程和能量耗散机制。试验和理论分析逐步释放包体能量降低煤与瓦斯突出动力灾害危险性的基本原理，探索逐步释放包体能量降低煤与瓦斯突出动力灾害危险性的理论依据和缓慢释放包体能量的方法。该研究涉及煤矿安全理论及技术、构造地质力学、多孔介质流体力学、数学物理方法和微量测量原理等理论问题，成果可指导突出煤层巷道过断层或软分层施工时煤与瓦斯突出防治。

根据我国煤与瓦斯突出动力灾害发生的环境条件分析，发现煤与瓦斯动力灾害大多发生在地质构造带的煤层内。以此建立了典型环境条件下，如断层、软分层、破碎带等内部聚集了大量的弹性潜能和高压瓦斯的“包体”模型，系统研究了突出煤层的“包体”效应反应包体内部的能量集聚特征和内部能量对“包体”外煤岩体作用机制，并对含能“包体”失稳诱发煤与瓦灾害的动力效应，及其煤与瓦斯突出动力学演化过程进行了理论分析。设计加工并改进了煤与瓦斯突出模拟试验系统，按照相似原理和相关准则，装入一定相似比例配制的模拟材料，向试验系统内注入一定的瓦斯，构建“包体”试验模型，并布置相关测试探测器或传感器及测试仪表，系统的观测了模拟煤层巷道掘进工程施工过程中，破碎煤岩层及其周边岩体有关参数的变化和“包体”失稳诱发煤与瓦斯突出现象。根据模拟试验结果，分析了“包体”受采掘工程扰动，诱发抵抗瓦斯压力和集中地应力的“包体”外层面卸破裂压、失稳，含瓦斯煤岩体冲出破碎煤岩层，形成煤与瓦斯突出的动力学演化过程和能量耗散机制。根据含能“包体”局部弱面失稳诱发煤与瓦斯突出基本思想，探索出逐步缓慢释放 “包体”能量技术途径，从而使含能“包体”失稳前降能、减压，抑制其失稳，降低煤与瓦斯突出动力灾害危险性。该研究涉及煤矿安全理论及技术、构造地质力学、多孔介质流体力学、数学物理方法和微量测量原理等理论问题，成果可指导突出煤层巷道过断层或软分层施工时煤与瓦斯突出防治。