高瓦斯低透气煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合机理

以高瓦斯低透气煤层采掘工作面周围煤岩体为研究对象，利用MTS815试验机进行煤岩样压力试验和渗透试验，研究煤岩样全应力应变过程的变形、强度及渗透特征；完善自主研发的瓦斯吸附/解吸激振及测试系统，研究温度、瓦斯压力及动态载荷对煤吸附/解吸瓦斯的影响；进行现场矿压和瓦斯涌出量观测，研究瓦斯涌出量的异常变化与矿压显现之间的关联性；基于以上试验及现场观测结果，综合运用采矿学、矿山压力与岩层控制学、损伤断裂力学、岩石力学、渗流力学、多尺度力学等理论和数值编程计算方法，探讨煤岩体微细观损伤裂隙的形成扩展直至宏观破裂以及瓦斯在煤岩体中吸附/解吸规律；研究含瓦斯煤岩体中应力场-裂隙场-瓦斯场间的耦合作用，及采掘影响下其微、细、宏观破坏特征的多尺度耦合关系；并在工程实例计算和分析的基础上，揭示多场多尺度耦合下高瓦斯低透气煤层煤岩体灾变机理，为探索防治煤矿瓦斯动力灾害的技术措施提供理论依据。

本项目针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯事故频发的总体背景，以煤层采掘过程中煤岩灾变的多场多尺度耦合机理为研究主线，综合运用采矿学、矿山压力与岩层控制学、矿山工程力学、损伤断裂力学、渗流力学、弹性力学、多尺度力学等理论，采用室内试验、数值编程计算及现场监测分析相结合的方法，开展了大量的研究工作，取得了如下的主要研究成果：获取了高瓦斯低透气煤层煤岩的力学参数，得到了温度、瓦斯压力及激振动态载荷对煤吸附/解吸瓦斯的影响规律，建立了高瓦斯低透气煤层煤岩的三维微单元强度分布模型及其受力的邻近单元加权分担模型。在多孔有效应力原理的基础上，建立了采掘过程中应力场-裂隙场-瓦斯场多场作用下，煤岩破坏的多场多尺度耦合模型，获取了温度、瓦斯压力及孔隙率等因素影响下的煤岩宏观破坏概率和跨尺度敏感性，揭示了多场多尺度耦合下高瓦斯低透气煤层煤岩体的灾变机理。通过多场耦合下矿压显现与瓦斯涌出量的异常变化进行分析瓦斯涌出特征和瓦斯运移规律，建立具有复杂系统特征的瓦斯运移耦合动力学模型，解释了矿压显现和瓦斯涌出量异常变化的机理，并针对特征规律研究了煤与瓦斯突出辨识和实时预警系统，为工作面的安全生产的正常运行提供了科学依据。