煤與瓦斯突出逾滲機理與演化規(guī)律研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全的嚴重災(zāi)害。隨著采深的增加,多場耦合作用復(fù)雜,原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變,煤與瓦斯突出的可能性和強度大大增加。機理不清導(dǎo)致突出仍是世界范圍內(nèi)的煤礦礦井生產(chǎn)過程中嚴重的自然災(zāi)害。基于采礦學(xué)、巖體力學(xué)、多尺度動力學(xué)和滲流力學(xué)等多學(xué)科理論,采用室內(nèi)實驗、理論研究和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,通過宏、細觀實驗觀測和分析煤巖體受應(yīng)力場作用后破壞破碎全過程,得到煤巖逾滲轉(zhuǎn)變基本參數(shù)與環(huán)境參數(shù)關(guān)系,獲得煤巖體內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)演化全過程的CT圖片

2、,研究煤與瓦斯突出潛伏、發(fā)生階段逾滲轉(zhuǎn)變的條件和判據(jù),考慮煤體逾滲演化規(guī)律,分階段考慮煤與瓦斯突出的演化全過程,揭示煤與瓦斯突出的逾滲機理。取得的主要研究成果如下:通過設(shè)備改裝,在實驗室進行了應(yīng)力和溫度條件下含瓦斯煤的物理力學(xué)特性實驗。實驗結(jié)果顯示,含瓦斯煤峰值強度隨瓦斯含量的增加而降低;彈性模量隨瓦斯含量增加而降低;滲透性隨瓦斯含量的增加而減少,但溫度的改變將對滲透率造成新的影響。實驗結(jié)果從不同角度說明瓦斯對煤體會產(chǎn)生各種宏觀作用,這

3、些作用主要是通過壓力、溫度、瓦斯壓力等對煤體孔、裂隙的發(fā)生和發(fā)展而實現(xiàn)。介紹了煤體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)特征,分析了孔隙、裂隙的分類,研究方法,模型,孔徑分布,煤階以及滲透率的關(guān)聯(lián)。闡明煤體的分形特征取決于孔隙、裂隙的非均質(zhì)分布。而對孔裂隙進行研究只采用宏觀方法不夠,應(yīng)采用CT高精度掃描實時條件下煤體孔隙、裂隙發(fā)生、發(fā)展過程,對煤與瓦斯突出細觀機理進行分析研究。通過材料和結(jié)構(gòu)的研究,成功研制了適用于微型圓柱形煤巖試件單軸抗壓強度測定的細觀煤巖

4、損傷破壞試驗機,該試驗機可與三維顯微CT耦合使用,觀測試件內(nèi)部的裂紋擴展和破壞規(guī)律。這個首創(chuàng)的試驗機填補了細觀研究領(lǐng)域的部分空白,實現(xiàn)了如實反映微型煤巖試件加載過程中的各個變形階段,得出的結(jié)論可深化煤巖破壞規(guī)律的相關(guān)理論。利用自行設(shè)計的細觀煤巖損傷破壞試驗機,與CT系統(tǒng)耦合使用進行了單軸實時荷載作用下煤體損傷破壞的CT掃描實驗。實驗結(jié)果證明在線彈性階段,煤體內(nèi)部已出現(xiàn)微裂隙;在屈服階段,煤體內(nèi)部原有微裂隙明顯擴大,新的裂隙產(chǎn)生;峰值強度

5、后,煤體內(nèi)部孔隙、裂隙大片連通,實驗結(jié)果揭示隨著應(yīng)力—應(yīng)變階段的改變,煤體內(nèi)部各剖面孔隙率持續(xù)增加,關(guān)聯(lián)長度呈現(xiàn)先增大后減少在大幅增大的規(guī)律,對主裂縫的發(fā)展進行了描述,闡述了煤體內(nèi)部孔、裂隙的發(fā)生有利于逾滲轉(zhuǎn)變的發(fā)生。系統(tǒng)進行了二維、三維煤體逾滲過程及規(guī)律研究。結(jié)果顯示:由于煤中孔隙分布的不均勻性,在逾滲轉(zhuǎn)變之前,最大孔隙團的膨脹速度遠遠大于理想模型,發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的閾值點普遍小于理想模型的結(jié)果,這就大大地降低了煤體發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的難度。閾

6、值和關(guān)聯(lián)長度的變化規(guī)律說明煤體內(nèi)部主裂隙從發(fā)生到發(fā)展完成會使得煤體發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的程度大幅增強。三維煤體逾滲過程分析結(jié)果表明:主裂隙帶區(qū)域孔隙點數(shù)隨著全應(yīng)力—應(yīng)變階段的改變而增大。煤體內(nèi)部最大連通團受應(yīng)力作用由原生孔隙發(fā)達區(qū)域向新裂隙轉(zhuǎn)移,最終擴展至與主裂隙匯合,形成逾滲團。煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育會避開高密度矸石區(qū),但會擠壓矸石區(qū),縮小其區(qū)域范圍。裂隙起始位置常為孔隙裂隙發(fā)達區(qū),逾滲參數(shù)變化規(guī)律與其他位置不同。對結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致

7、煤體破壞提前,逾滲概率增大;而且逾滲現(xiàn)象會增加連通的孔隙與裂隙,使瓦斯得以匯聚,主裂縫發(fā)生區(qū)即為逾滲轉(zhuǎn)變高危區(qū)和煤巖失穩(wěn)高危區(qū),發(fā)生突出可能性較大。將煤與瓦斯突出視為一個力學(xué)過程。分為孕育、潛伏、發(fā)生、發(fā)展和終止五個階段進行分析。被吸附的瓦斯對煤體本身的蝕損完成了孕育過程。地應(yīng)力和外界擾動使得孔裂隙發(fā)展,煤體孔隙率突破閾值,逾滲現(xiàn)象發(fā)生,瓦斯集結(jié)完成潛伏過程。逾滲轉(zhuǎn)變后,外界擾動導(dǎo)致煤體失穩(wěn),能量釋放,突出發(fā)生。層裂、粉化交替作用,突出