煤巷掘进迎头煤与瓦斯突出的孕灾演化机理及动力失稳判据

煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的动力灾害之一，掘进煤巷中发生的突出占到突出总数的80%。已有研究表明，煤壁层裂体的形成、失稳破坏和抛出是煤与瓦斯突出的必经环节，对层裂体的演化过程进行研究是煤与瓦斯突出机理研究的核心内容。采用断裂力学和非线性动力学理论研究、实验室试验相结合的方法，开展以下研究工作：揭示煤体原生裂隙在地应力、瓦斯压力和掘进扰动作用下的扩展、贯通条件以及层裂体的自组织形成机制；通过分析层裂体的物理失稳的突变过程，获得层裂体的动力失稳判据并推演煤与瓦斯突出持续发展的条件；通过含瓦斯煤岩突然卸载破坏和缓慢拉伸破坏的试验研究，拟得到地应力和瓦斯压力对煤与瓦斯突出的控制作用，为制定合理有效的局部防突措施提供理论依据。本项目对揭示煤与瓦斯突出机理、防治瓦斯灾害具有重要意义。

我国发生的煤与瓦斯突出无论从数量上还是从规模上均居世界首位，是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家，对煤与瓦斯突出机理进行研究，搞清煤与瓦斯突出孕育、启动、发展和结束的整体过程，以及主要影响因素地应力、瓦斯压力和煤体力学性质之间的关系，是准确预测煤与瓦斯突出，确保煤矿安全生产的基础。本课题主要研究内容包括：层裂体的形成机理研究；层裂体的失稳机制研究；突出过程中层裂体的演化过程研究以及瓦斯压力对煤与瓦斯突出的影响研究。 .通过对上述内容的研究，本课题取得以下研究成果:在应力波的作用下，巷道围岩中交替出现拉应力和压应力，随着应力波峰值的增大，巷道围岩的应力数值出现不同程度的增大。相邻的平行裂纹较易发生剪切贯通破坏和拉伸贯通破坏，影响裂纹贯通的因素有裂纹倾角、排列方式和间距；将卸载拉应力和瓦斯应力场产生的拉应力视为广义驱动力，探讨了裂纹演化过程中的非线性特征，统计表明，裂纹的长度与产生频率遵守幂率规则。 .将煤与瓦斯突出的过程简化为层裂体在地应力与瓦斯压力的耦合作用下发生失稳的过程，对层裂体失稳的准静态过程进行了折迭突变分析，计算了煤与瓦斯突出时释放的能量和煤与瓦斯突出的强度。瓦斯解吸过程对煤体能够造成一定程度的破坏，但对原煤的破坏仅表现为煤体表面薄片状或粒状颗粒的剥离，对空心型煤也仅能破坏成较大的块状，试验后未发现极细的煤粉。较低瓦斯压力条件下，型煤不能发生突出，仅能在卸压后观察到层裂现象，较高瓦斯压力条件下，型煤能发生突出，突出过程中能监测到煤体是以层裂状态间断性抛出的。瓦斯压力较低条件下，煤样室壁上纵向排列的气体压力传感器监测到气体压力逐渐下降，而瓦斯压力较大时，气体压力出现瀑布式突降现象。但各点气体压力变化的启动时刻几乎完全一致，气体压力变化伴随突然卸压表现出明显的感应同步现象。.本课题研究成果揭示了煤与瓦斯突出过程中层裂体形成和失稳的过程，给出了临界瓦斯压力与煤岩物理力学参数的关系，为预测煤与瓦斯突出的发生和防治奠定了基础。