突出煤层开采中应力传递与能量释放规律研究

Coal and gas outburst is a complex dynamic mine disaster which is a serious threat to safety in coal mines. The disaster-causing mechanism is the key of coal and gas outburst disaster prediction and prevention. This project proposal to reveal the nature of disasters from stress transfer and energy release in the coal and gas outburst power systems. Through testing the physical and mechanical properties and seepage law of the coal samples containing gas, clearing the energy transfer mechanism, conversion mechanism, dissipation mechanism, release mechanism in its failure process. Set up the relationship between the energy mechanism of the coal samples and the strength criterion, the failure criteria. Analysis the characteristics of micro structure of coal samples containing gas before and after dynamic and static loading. Fully considering the influence of structural surface characteristics on the properties of coal and establish the relationship of the energy mechanism between laboratory scale and engineering scale. Based on the composition and scale of the power system of coal and gas outburst, research the method of determining the tectonic energy, mining energy and gas expansion energy, put forward the criterion of coal body instability under the condition of energy and forecast the danger of coal and gas outburst. The research results provide an important scientific basis for guaranteeing the safety of coal mine production.

煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井动力灾害，严重威胁着煤矿安全生产，煤与瓦斯突出致灾机理是煤与瓦斯突出灾害预测与防治的关键。项目提出从煤与瓦斯突出动力系统中应力传递和能量释放的角度揭示灾害发生的本质，通过测试含瓦斯煤样的物理力学性质与渗流规律，明确含瓦斯煤样破坏过程中能量的传递机制、转化机制、耗散机制、释放机制；建立煤样的能量机制与强度准则、破坏准则之间的关系；分析含瓦斯煤样受动静载荷作用前后微细观结构的变化特征；充分考虑结构面特征对煤体性质的影响，建立实验室尺度与工程尺度之间能量机制的关系。在明确煤与瓦斯突出动力系统组成和尺度的基础之上，研究构造能量、采动能量、瓦斯膨胀能的测定方法，提出能量条件下的煤体失稳判别准则，预测煤与瓦斯突出的危险性。研究成果对保障煤矿安全开采提供重要的科学依据。

摘要：煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力灾害，突出发生时，大量煤岩伴随瓦斯涌入采掘空间，可能造成财产损失和人员伤亡，给煤矿安全生产带来威胁。随着煤矿开采向深部延伸，煤与瓦斯突出发生的危险性还在继续增加。因此，揭示煤与瓦斯突出的致灾机理及灾变演化过程，对于准确预测与防治突出灾害具有重要意义。.项目综合运用理论分析、实验测试、数值模拟、工程验证等方法进行研究。通过压汞仪、HCA型气体吸附装置测试了突出煤的孔隙结构特征、瓦斯吸附/解吸规律，采用分离式霍普金森压杆系统研究了突出煤的冲击动力破坏特征，构建了实验尺度煤样与工程尺度煤体的力学强度关系，测定了煤样的渗流特性，获得了破裂煤层中瓦斯渗流规律，以上实验结果将作为数值模拟基础参数；提出煤与瓦斯突出地质动力系统致灾机理，认为地质动力系统由含瓦斯煤岩体、地质动力环境和采掘扰动三要素构成，详细阐述了三要素之间的相互作用关系，分析了突出地质动力系统的孕育、形成、发展、终止等演化机制，给出突出地质动力系统的形成判据C1、力学失稳判据C2和能量失稳判据C3；分析了煤与瓦斯突出多物理场耦合过程，推导出应力场、渗流场、损伤场的控制方程，构建突出煤层应力-损伤-渗流多物理场耦合模型，并通过煤样压缩-渗流模拟实现了耦合模型求解；模拟研究了突出地质动力系统的孕育及演化过程，分析了系统内瓦斯运移、应力与能量的传递、转化和耗散规律，获得了突出地质动力系统和突出地质体的三维空间模型，圈定了地质动力系统和突出地质体的尺度范围，该尺度范围为突出防治措施指明了目标区域。得出了地质动力系统和突出地质体随突出时间变化的煤岩体积量，模拟结果与现场突出煤岩量较为吻合。基于地质动力系统，提出了煤与瓦斯突出的“卸荷+降压”消突机制。针对现场实际，给出了水力冲孔与普通钻孔结合的底板巷穿层钻孔瓦斯抽采消突方案，模拟验证消突工程的有效性，并进行现场工程检验。地质动力系统机理为煤与瓦斯突出的预测与防治提供理论依据。