动力扰动下断层活化诱发煤与瓦斯突出机理研究

Coal and gas outburst in the terrain affected by fault is one of the large-scale dynamic disaster which threatens coal-mine safety, and coal and gas outburst in the terrain affected by fault tend to be induced by fault reactivation under dynamic disturbance during mining. The main concentration of the current study is in the static or quasi-static state, among them, physical test under dynamic disturbance has few chance to be taken into account in the study. For this purpose, this project adopts analogous simulation experiment and numerical simulation experiment to study on gas migration and the coal and gas outburst induced by fault reactivation under dynamic disturbance, analyze a mechanism of fault reactivation, gas migration in coal-rock mass and the seepage-stress-damage of coal and gas outburst. Meanwhile, basing on the principles of stress wave mechanics and multi-field theory of coal mines, and combining the results of the above studies, creating the mechanical model on the coal and gas outburst induced by fault reactivation under dynamic disturbance from the point of energy. According to the mechanical model, achieve numerical simulation, and through the simulation results and on-site analysis of examples, determinate occurring conditions of coal and gas outburst, create and acquire criterion which is based on the catastrophe theory of coal and gas outburst risk induced by fault reactivation under dynamic disturbance. Research results is of great reference value to further reveal the mechanism of coal and rock dynamic disaster, even predict and prevent coal and gas outburst effective.

断层影响带内的煤与瓦斯突出是影响煤矿安全开采的一大动力灾害，其发生原因往往是由开采时动力扰动引起断层活化所诱发的。目前的研究主要集中在静态或准静态作用方面，其中考虑动力扰动的物理试验研究开展的较少。为此，本项目采用相似模拟试验及数值试验，研究动力扰动下断层活化对瓦斯运移及煤与瓦斯突出的影响规律，分析动力扰动下断层活化、煤岩体内瓦斯运移及煤与瓦斯突出的渗流-应力-损伤机理；同时，根据应力波作用力学原理与煤岩瓦斯多场作用理论并结合上述研究结果，从能量的角度建立动力扰动下断层活化诱发煤与瓦斯突出的力学模型；根据建立的力学模型进行数值模拟，并通过对模拟试验结果和现场实例的分析，确定突出的发生条件，建立基于突变理论的动力扰动下断层活化诱发煤与瓦斯突出危险性的判据。研究结果对进一步揭示煤岩动力灾害发生机制，有效预测和防治煤与瓦斯突出具有重要价值。

断层影响带内的煤与瓦斯突出是影响煤矿安全开采的一大动力灾害，其发生原因往往是由开采时动力扰动引起断层活化所诱发的。目前的研究主要集中在静态或准静态作用方面，而忽略了大部分断层影响带内的突出都是发生在开采、掘进、爆破等过程中的应力扰动所诱发的，对动力扰动下断层活化诱发突出研究较少。为此，本项目采用相似模拟试验及数值试验，研究动力扰动下断层活化对瓦斯运移及煤与瓦斯突出的影响规律。通过开展力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性、水-热耦合作用下的煤中瓦斯解吸规律及温度对含瓦斯煤力学特性影响等试验，得到断层影响带内瓦斯运移及煤与瓦斯突出渗流-应力-损伤规律；以能量原理为基础，建立动力扰动下断层活化诱发煤与瓦斯突出的断层-围岩失稳力学模型，并引入动力扰动因素进行分析，分析了系统失稳煤岩突出的影响因素。借助动能守恒方程得知，开采扰动越强烈，围岩厚度的临界值则越大；当煤岩通过吸收外部能量转化为动能时，其初速度越大，则维持系统稳定即煤与瓦斯突出临界点时的断层围岩宽度则越大；结合折叠突变理论建立了断层-围岩失稳力学模型，并引入动力扰动因素进行分析，分析了系统失稳煤岩突出的影响因素。通过数值模拟软件RFPA对采动影响下断层活化诱导煤与瓦斯突出的影响因素进行研究；通过数值模拟软件3DEC研究了爆破扰动诱发煤与瓦斯突出机理、不同角度的逆断层对煤与瓦斯突出的影响机理、隐伏断层活化诱发石门揭煤突出和隐伏断层对采空区悬顶诱发突出的影响。该项目在执行期间出版专著2部，发表学术论文75 篇，其中：SCI论文12篇，EI论文9 篇，核心期刊论文44篇，一般期刊论文10篇。项目执行期间新申请国家发明专利28项，获得授权国家发明专利6项、实用新型专利25项（包括前期申请，执行期间获得授权）。项目组在执行期间，承办了第十六届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会等国内学术会议3次、参加了国内外学术会议24次；项目负责人获批贵州省高层次创新型人才和贵州省矿山动力灾害预警与控制技术科技创新人才团队，获得贵州省科技进步二等奖1项（排名第一）和其他奖励5项；团队成员李波波和邬忠虎获得副教授职称资格；培养了博士研究生3名、硕士研究生30名。该项目的研究结果对进一步揭示煤岩动力灾害发生机制，有效预测和防治煤与瓦斯突出具有重要价值。