煤与瓦斯突出的构造力学机理及其量化表征

The mechanics mechanism of coal and gas outburst in view of complex geological structure is the key to study the mechanism of coal and gas outburst disaster. This topic is an academic problem of coal and gas outburst mechanism in view of the complex geological structure. It analysis the mechanical mechanism and quantitative characterization, the main contents include: studying the different residual tectonic stress field distribution property in view of complex geological structure, establishing model of quantitative characterization of residual tectonic stress of coal rock in the structure field, revealing the influence of tectonic stress field of mechanism; researching different geological structure of gas occurrence characteristics and seepage field space distribution, establishing the seepage calculation model of gas and parameter representation model of gas occurrence characteristics of coal rock near the structure, revealing the geological structure of gas occurrence and seepage mechanics; research different geological structure of the physical and mechanical properties of coal parameter space distribution, establish structure near spatial distribution regularity of coal and rock physical and mechanical parameters of quantitative models; studying the geological structure of coal and gas outburst classification characteristic parameters, structural classification parameter characterization model is established. Research crack structure type and related parameters on the stress field of coal and gas occurrence and distribution characteristics of seepage field, the physical and mechanical parameters of quantitative control law problems, for coal and gas outburst hazard monitoring will provide a scientific basis for the establishment of the early warning model.

煤与瓦斯突出的构造力学机理是研究煤与瓦斯突出灾变机理的关键科学问题。本课题针对复杂地质构造煤与瓦斯突出力学作用机理的学术难题，分析研究复杂地质构造煤与瓦斯突出力学行为及其量化表征，研究主要内容包括：研究不同地质构造的残余构造应力场空间分布规律，建立构造附近煤岩体残余构造应力量化表征模式；研究不同地质构造的瓦斯赋存特性及渗流场空间分布规律，建立构造附近煤岩体内瓦斯赋存特性参数表征模式；研究不同地质构造的瓦斯赋存特性及渗流条件下，煤岩体微结构的力学响应特性，建立不同地质构造特性对含瓦斯煤岩体流固耦合力学模型，研究不同地质构造的煤体物理力学特性参数空间分布规律，建立构造附近煤岩体物理力学参数的空间分布规律的量化模型；研究煤与瓦斯突出的地质构造分类特征参数，建立构造分类参数表征模式。课题研究旨在揭示地质构造对煤体应力场、瓦斯赋存及渗流场、物理力学参数的力学作用机理。

煤与瓦斯突出的构造力学机理是研究煤与瓦斯突出灾变机理的关键科学问题，其研究对煤矿瓦斯灾害防止具有重要的意义。本项目采用现场测试、实验室实验、数值模拟结合的方法对含断层构造应力场空间分布规律、瓦斯赋存特性及渗流场空间分布规律、含瓦斯煤岩体力学响应的地质构造分类特征参数进行系统研究，其主要研究成果如下：.1）.断层附近应力分布规律.现场测试石壕煤矿fA42逆断层的地应力，得到断层附近地应力分布特性。结果表明，断层主要影响范围距断层界面75-100m区域，各岩层最大主应力值随岩性强度减弱而减小，其中，岩性较坚硬的砂质泥岩、灰岩主要承受水平构造应力的挤压作用，以水平应力为主导；煤层水平方向受坚硬顶底板的支承作用而具有较小的水平应力，以竖直应力为主导。.2）.数值模拟断层参数对岩石力学行为的影响.计算分析了断层倾角、断层落差、岩石物理力学性能等因素对地应力分布特征的影响机制。结果表明，在靠近断层处，随着倾角增加的最大主应力明显减小，断层倾角影响显著，离断层80m以上对最大主应力基本无影响；在距离断层0-15m范围内，在断层倾角小于70度时，最大主应力急剧下降，呈现出应力集中，倾角越大应力集中离断层越近。断层落差由1m逐渐增大至15m时，煤岩应力集中和断层影响范围均随之下降。.3）含断层岩石失稳和滑移力学特性. 实验研究含断层砂岩在三轴加载下，断层在不同倾角和围压时的力学响应、破坏形式和滑移机制。结果表明，随倾角增加岩石强度极限逐步下降，超过45°急剧下降，在60°-75°有一个强度极限最低值；随断层倾角增加岩石的脆性下降，塑性增大，破坏形式由明显的脆性断裂演变为塑性破坏；随围压增加岩石的强度极限明显增大，弹性模量没有变化，表现出较好的塑性，但当围压达到40MPa时，岩石塑性显著下降。. 研究成果揭示了断层参数对岩体力学行为的影响机理、含断层岩石宏观力学响应机理，为含断层地质构造工程活动提供了理论支撑。