含瓦斯煤压出层裂结构体形成及破坏失稳机理研究

The occurrence of gassy coal extrusion impacting on the safe and efficient production of coal mine is recently on the rise. At present, most of the studies on coal-rock and gas dynamical phenomenon put emphasis on the phenomenon of coal and gas outburst, rarely on gassy coal extrusion. Therefore, this project intends to target on the formation and destruction instability of layer-crack structure of gassy coal extrusion. Through using the combining method of experimental research, numerical simulation and theoretical analysis, the crack evolution process of gassy coal under three axial stress load-unload and the formation process of the layer-crack structure are studied. Then, according to the characteristics of fracture face of coal, the impact of the three axial stress and gas mechanism on the formation of layer-crack structure is analyzed. The destruction instability laws of layer-crack structure in the combined action of stress and gas pressure is studied, and coal deformation characteristics during the layer-crack structure destruction instability can be obtained. By establishing governing equations of the formation and destruction instability of layer-crack structure of gassy coal extrusion, the dynamic instability criterion is put forward, and the mechanism of formation and destruction instability of layer-crack structure of gassy coal extrusion is revealed. The research results have important theoretical significance for revealing the mechanism of gassy coal extrusion.

含瓦斯煤压出发生频率较以往升高，影响了煤矿的安全高效生产。目前针对煤岩瓦斯动力现象的研究多侧重于煤与瓦斯突出现象，含瓦斯煤压出研究较少。因此，本项目拟以含瓦斯煤压出层裂结构体的形成与破坏失稳作为研究主线，采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究三轴应力加卸载含瓦斯煤裂隙演化及层裂结构体的形成过程，结合裂隙面断口特征分析三轴应力和瓦斯对层裂结构体形成的影响机制，研究应力和瓦斯共同作用下层裂结构体破坏失稳过程，得到层裂结构体破坏失稳煤体变形特征，建立含瓦斯煤层裂结构体形成及破坏失稳控制方程，提出其动力失稳判据，揭示含瓦斯煤压出层裂结构体形成及破坏失稳机理。研究成果对于揭示含瓦斯煤压出机理具有重要理论意义。

含瓦斯煤压出发生频率较以往升高，严重影响煤矿的安全高效生产。目前针对煤岩瓦斯动力现象的研究多侧重于煤与瓦斯突出现象，含瓦斯煤压出研究较少。因此，本项目采用实验室试验、数值模拟及理论分析的方法对含瓦斯煤压出过程中层裂结构体形成失稳过程进行研究，分析了应力加卸载作用下含瓦斯煤层裂结构体形成过程力学性质变化，研究了层裂结构体形成过程中声发射特性，得到了层裂结构体破坏过程及特征，建立含瓦斯煤层裂结构体形成及失稳破坏控制方程，提出失稳判据，揭示含瓦斯煤压出层裂结构体形成及破坏失稳机理。.建立了真三轴含瓦斯煤变形破坏试验系统，测试了不同条件下含瓦斯煤变形破坏特征及声发射特性。研究结果发现：随着瓦斯压力的升高，煤体峰值强度逐渐降低，失稳破坏的峰值应变减小；在卸载围压的情况下，含瓦斯煤强度显著降低。数值模拟结果表明：在真三轴加卸载过程中，轴向应力和横向应力初期呈线性增加，当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降，直至煤样失去承载能力后基本保持恒定。初始围压、轴压越大、卸载速率越小，煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大；峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性，而与卸载速率表现出阶梯状，随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。固定轴压卸围压条件下不同瓦斯压力煤样声发射信号的多重分形谱均呈右钩状，小信号在时间序列中占据主要作用。.含瓦斯煤压出失稳破坏是一个缓慢的弱动力效应的过程，由浅及深渐进式推进，其发展推进过程可分为快速剥离和缓慢破坏两个阶段。在快速剥离阶段，破坏煤体被剥离并破坏成块状，瓦斯压力和应力迅速降低；在缓慢破坏阶段，煤体缓慢破坏并形成一组层裂裂隙，瓦斯压力缓慢释放，应力先升高后降低。煤体破坏径向支撑力卸载、瓦斯压力释放和应力不断转移的共同作用。