煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機(jī)制研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是含瓦斯煤體在應(yīng)力和瓦斯的綜合作用下發(fā)生的失穩(wěn)破壞。突出過程中,煤體裂隙擴(kuò)展、被剝離破碎拋向采掘空間。因此需對突出發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行研究,為防治煤與瓦斯突出奠定理論基礎(chǔ)。
　　本文運(yùn)用表面物理化學(xué)、巖石力學(xué)、滲流力學(xué)和相似理論等多學(xué)科理論,采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了含瓦斯煤體的吸附/解吸規(guī)律、應(yīng)力場-瓦斯場-溫度場耦合作用下的本構(gòu)關(guān)系和滲透演化規(guī)律,開展了突出模擬試驗(yàn),研究了突出的層裂發(fā)展機(jī)制,并取得了一定的創(chuàng)

2、新成果。本文的主要研究結(jié)論如下:
　　實(shí)驗(yàn)研究了臥龍湖煤礦10煤的不同溫度條件下的吸附規(guī)律,得出其吸附常數(shù)a不隨溫度變化,吸附常數(shù)b隨溫度的變化而改變。開展了大量的等溫條件下煤粒瓦斯解吸實(shí)驗(yàn),解吸量與時(shí)間的平方根之間符合Langmuir形式的方程。
　　將煤體全應(yīng)力應(yīng)變過程簡化為線彈性、非線性彈塑性、脆性跌落和理想塑性4個(gè)階段,滲透率演化對應(yīng)簡化為滲透率減小段、滲透率增加段、滲透率快速增加階段和滲透率不變段。研究煤體裂隙的內(nèi)

3、部結(jié)構(gòu),得出煤基質(zhì)的膨脹變形僅有部分作用于煤體裂隙,提出煤基質(zhì)膨脹變形對裂隙變形的影響因子fm,其值介于0~1之間。構(gòu)建了考慮吸附變形、熱膨脹變形和有效應(yīng)力作用的含瓦斯煤體本構(gòu)方程?；诖私⒘撕咚姑后w線彈性階段和塑性階段的滲透率模型。
　　基于相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了真三軸煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng),其性能參數(shù)為:瓦斯壓力≤10MPa,地應(yīng)力≤27MPa,溫度在室溫至60℃范圍內(nèi)變化。開展了煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)。以模擬試驗(yàn)條件為基礎(chǔ)

4、,建立了考慮瓦斯拉裂破壞、吸附膨脹變形和吸附對煤體強(qiáng)度影響的突出層裂發(fā)展模型。解算突出層裂發(fā)展模型,研究了瓦斯壓力、吸附能力、斷裂韌度和滲透率對突出發(fā)展的影響規(guī)律。
　　突出是一個(gè)快速的動(dòng)力過程,模擬得出其發(fā)展時(shí)間一般在1.68s。其發(fā)展過程大致可分為突出發(fā)展的加速期、穩(wěn)定期和衰減期。突出發(fā)動(dòng)后,在高壓瓦斯和瓦斯壓力梯度作用,煤體被快速破壞。此時(shí)煤體的瓦斯壓力梯度最大,煤體破壞產(chǎn)生的層裂的厚度較小。進(jìn)入穩(wěn)定期,突出面前方煤體的壓力