高应力作用下含瓦斯煤岩灾变演化机制研究

With the development of mining depth, original stress、gas stress and gas content have become higher, coal seam occurrence conditions and mining environment have become worsen, and then coal would happen to transform or fracture by high stress; if the process of transformation and fracture of rock burst and coal and gas bursting is violent, it will lead to disaster. In order to research the evolution mechanism of gas coal rock effected by high stress in the project, we develop a series of simulated experiment fracture evolution of gas coal rock by self-made simulated experimental system which has dynamic load and static load to quantificationally descriptive physical/mechanical characteristics and dynamic response characteristics. Rupture process and dynamic law of coal containing gas affected by high stress and multi factor coupling will be analysed. The corresponding relation between the stress/stain/coal strength/gas pressure and the characteristic parameters of dynamic response will be discussed, dynamic instability model of coal containing gas wil be established; so that the catastrophe evolution mechanism of coal containing gas can be revealed. The research results will be very important for us to learn the transformation conditions between the coal and gas outburst and rock burst on the condition under deep mining and will be theoretical guidance meaning to intensive study prediction technique and prevention method of compound dynamic disaster.

随着煤矿开采深度的增加，原始应力增高，瓦斯含量和瓦斯压力增大，煤层赋存条件和开采环境恶化，高应力含瓦斯煤岩冲击或突出等的失稳过程剧烈，灾变性后果严重。因此，针对高应力作用下含瓦斯煤岩灾变演化机制这一科学命题，通过自行研制的具有动静组合加载功能的大型含瓦斯煤岩复合动力灾害模拟实验系统，定量科学描述高应力场作用下含瓦斯煤岩的物理力学特性及动力学响应特性，分析高应力作用下的含瓦斯煤岩多因素耦合破裂失稳演化过程，研究该过程中煤岩与瓦斯耦合作用的动力学规律，探讨应力/应变-煤岩强度-瓦斯压力与动力学响应特征参数的对应关系，建立含瓦斯煤岩失稳的动力学模型，从而揭示含瓦斯煤岩破裂失稳灾变演化机制。该项目的研究对深刻认识深部开采条件下冲击-突出复合型动力灾害的成因及诱发和转化条件，进一步研究预测预防技术和方法奠定重要的理论基础。

煤矿进入深部开采以后，原始应力增高，瓦斯含量和瓦斯压力增大，煤层赋存条件和开采环境恶化，高应力含瓦斯煤岩冲击或突出等的失稳过程剧烈，灾变性后果严重。针对高应力作用下含瓦斯煤岩灾变演化机制，利用自主研发的煤岩瓦斯复合动力灾害模拟实验装备、煤岩瓦斯流-固耦合渗流实验平台、动态加载实验机进行了一系列模拟实验。主要研究成果如下：. 1）揭示了有效应力、瓦斯压力、围压及含水率对原煤试样瓦斯渗透率的影响规律；从最小二乘法原理出发，得出了各影响因素与渗透率的函数关系，引入耦合因子概念，提出了根据模糊互补判断矩阵确定耦合因子的方法，建立了煤岩瓦斯渗透率与各个影响因素间的综合数学模型，并将其用于修正瓦斯运移控制方程中的渗透率。. 2）研究了动静组合加载下能量传递特征，得到了饱水煤样能耗特征和煤样强度随饱水时间的变化规律：随着饱水时间的增加煤样静态强度、静弹性模量、动态强度都呈现降低趋势，但动弹性模量呈升高趋势。. 3）运用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统进行了大量的含瓦斯煤的动态破坏实验，认为各因素对突出强度影响程度的重要性排序为：瓦斯压力，煤体强度，地应力。. 4）基于Drucker-Prage强度准则，引入有效应力理论，修正了含瓦斯煤岩的强度准则，建立了含瓦斯煤岩失稳破坏的“理想条件”判据。经模拟实验和数值计算验证，认为以“理想条件”下突出的判据来判断含瓦斯煤岩是否存在潜在动力灾害危险具有重要意义。. 5）得出了复合型动力灾害发生的关键影响因素及影响程度的重要性排序；建立了含瓦斯煤岩的冲击失稳判据与发生条件. 6）在国内外著名学报发表学术论文8篇，SCI/EI收录5篇；授权发明专利3项，实用新型专利2项；出站博士后1名，培养博士研究生2名，硕士研究生8名。. 该研究成果对深刻认识深部高应力作用下冲击-突出复合型动力灾害的成因及诱发转化条件，进一步研究预测预防技术和方法奠定了重要的理论基础。