煤與瓦斯突出發(fā)展階段煤的破壞機(jī)理研究.pdf

1、煤與瓦斯突出包括孕育、激發(fā)、發(fā)展和終止多個(gè)階段，發(fā)展階段是其中的一個(gè)重要階段。至今突出發(fā)展階段煤體發(fā)生層裂破壞乃至產(chǎn)生大量碎煤的原因還沒有被完全弄清楚，這也是現(xiàn)階段突出機(jī)理研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本論文通過現(xiàn)場資料總結(jié)、數(shù)值模擬、物理模擬和理論分析的方法，研究了突出發(fā)展階段煤的動(dòng)力學(xué)破壞機(jī)理，解釋了突出發(fā)展階段的各種現(xiàn)象，完善了突出總過程的描述。研究成果促進(jìn)了突出機(jī)理理論的完善。
　　論文的研究工作主要包含以下三個(gè)部分:
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2、)通過案例資料整理、理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬等手段，為突出發(fā)展階段煤的破壞機(jī)理研究準(zhǔn)備“證據(jù)”材料。這些工作包括:①搜集整理國內(nèi)外發(fā)生的大量突出發(fā)展過程現(xiàn)場觀測和物理模擬數(shù)據(jù)資料，找出突出發(fā)展階段的特征及規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，突出發(fā)展過程可能經(jīng)歷多次的暫停和再次激發(fā)的循環(huán)。在單次循環(huán)周期中，煤的破壞是一個(gè)持續(xù)的過程，其破壞的主要形式包括層裂破壞和粉化破壞。突出的每次激發(fā)都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力效應(yīng)，而在煤的持續(xù)破壞過程則會(huì)產(chǎn)生脈沖式的振動(dòng)信號(hào)。

3、突出后所形成的孔洞形狀主要有口袋形、錐形和圓柱形三種。②通過數(shù)值模擬，得出了突出激發(fā)后極短時(shí)間內(nèi)孔洞壁的力學(xué)狀態(tài)。即在突出激發(fā)導(dǎo)致煤壁突然暴露之后的極短時(shí)間內(nèi)（小于100ms），煤壁附近的地應(yīng)力迅速向深部轉(zhuǎn)移，所形成的動(dòng)態(tài)支承壓力峰值遠(yuǎn)大于靜態(tài)值;瓦斯壓力僅在煤壁附近的薄層內(nèi)(小于2cm)快速下降，形成極高的瓦斯壓力梯度。③建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出處在高壓瓦斯氣體中的含瓦斯煤塊在外圍瓦斯壓力突然釋放后，由于煤中游離瓦斯對(duì)孔、裂

4、隙的擴(kuò)展作用能夠造成煤的破壞，但其破壞程度要遠(yuǎn)小于實(shí)際突出后煤的粉碎程度。
　　2)通過物理模擬、數(shù)值模擬和理論分析，找出突出發(fā)展階段煤破壞的原因。針對(duì)突出激發(fā)后煤壁突然卸載這一力學(xué)條件，建立了簡化的突出發(fā)展數(shù)學(xué)模型?；诖藬?shù)學(xué)模型分別進(jìn)行突出發(fā)展的物理模擬和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在只有瓦斯參與或只有地應(yīng)力參與時(shí)，都能使煤發(fā)生層裂破壞。利用應(yīng)力波的傳播理論，得出突出激發(fā)后由于新鮮煤壁處總應(yīng)力（由地應(yīng)力和瓦斯壓力構(gòu)成）的突然卸載，形成向煤體

5、深部傳播的卸載波，又由于卸載波波及的煤體同時(shí)還受到圍巖的約束，導(dǎo)致部分卸載波發(fā)生反射，反射波仍為卸載波，入射波和反射波疊加使煤體發(fā)生拉伸破壞，進(jìn)而導(dǎo)致層裂。裂隙擴(kuò)展過程中不斷解吸出來的游離瓦斯又加劇了層裂的發(fā)生和發(fā)展過程。又由于以下原因，煤在發(fā)生層裂后被進(jìn)一步破碎到達(dá)到標(biāo)志突出的破碎程度:動(dòng)態(tài)支承壓力對(duì)煤造成的剪切破壞，層裂裂隙發(fā)展過程中形成的斷裂過程區(qū)使大范圍的煤體受到損傷，孔、裂隙中游離瓦斯膨脹造成煤破碎，瓦斯高速滲流帶出煤中的粉煤

6、，碎煤拋出過程中因碰撞和摩擦造成進(jìn)一步破碎。
　　3)基于突出發(fā)展階段煤的破壞機(jī)理研究成果，對(duì)突出發(fā)展、暫停、再次激發(fā)和終止階段的各種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。使突出暫?；蚪K止的原因有兩個(gè):卸載波在傳播過程中能量耗散殆盡，或因突出孔洞被堵塞而使孔洞壁受到足夠的支撐作用。突出的再次激發(fā)是由于被堵塞的突出孔洞內(nèi)瓦斯不斷聚積，最終再次沖開孔洞口，在孔洞內(nèi)產(chǎn)生向里傳播的膨脹波，拋出其中的碎煤，并再次在孔洞壁上產(chǎn)生卸載波使其發(fā)生層裂破壞。此外，還分析