含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)力學(xué)作用機(jī)理及其應(yīng)用研究.pdf

1、煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅著我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全，由于災(zāi)害影響因素眾多，其發(fā)生機(jī)理及探測(cè)預(yù)防技術(shù)一直是我國(guó)煤礦安全研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了豐富對(duì)煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，本文以山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司趙莊礦和寺河礦及重慶天府礦業(yè)有限責(zé)任公司三匯-礦煤樣為研究對(duì)象，從含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)力學(xué)作用機(jī)理角度出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、理論研究、物理模擬、數(shù)值分析和工程實(shí)例相結(jié)合的方法，較為系統(tǒng)地研究了煤巖原生孔裂隙結(jié)構(gòu)及其瓦斯吸

2、附解吸特性、含瓦斯煤巖三軸壓縮破壞過(guò)程中的熱流固耦合效應(yīng)、含瓦斯煤巖剪切破斷過(guò)程裂紋演化規(guī)律、含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過(guò)程及其動(dòng)力效應(yīng)及煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)方法，并結(jié)合巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)等從理論層面上進(jìn)行了一系列有益探討。通過(guò)本文研究，在以下方面取得了一些進(jìn)展：
　　 1)分析了煤巖原生孔裂隙結(jié)構(gòu)特征，并利用HCA型高壓容量法吸附裝置對(duì)其吸附瓦斯特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了不同溫度下的等溫吸附曲線(xiàn)及吸附常數(shù)a、b

3、值隨溫度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出了瓦斯源失穩(wěn)概念，并對(duì)煤儲(chǔ)層瓦斯源失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行了分析。
　　 2)自主研發(fā)了含瓦斯煤巖熱流固耦合三軸伺服滲流裝置，該裝置為開(kāi)展含瓦斯煤巖破壞過(guò)程中的熱流固耦合效應(yīng)研究提供了有力的試驗(yàn)手段。利用該裝置開(kāi)展了較為系統(tǒng)的含瓦斯煤巖三軸壓縮力學(xué)特性及滲流特性試驗(yàn)，初步探明了含瓦斯煤巖破壞過(guò)程中應(yīng)力-瓦斯-溫度耦合作用機(jī)理。
　　 3)推導(dǎo)了完全理想約束條件下瓦斯吸附膨脹應(yīng)力及熱膨脹應(yīng)力的計(jì)算公

4、式，通過(guò)考慮其對(duì)含瓦斯煤巖有效應(yīng)力的影響，進(jìn)而對(duì)Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，修正后的含瓦斯煤巖強(qiáng)度準(zhǔn)則能較好地反映出不同條件下型煤及原煤試件在三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度特征。
　　 4)建立了考慮煤基質(zhì)收縮效應(yīng)及熱膨脹效應(yīng)的煤儲(chǔ)層滲透率模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)滲透率數(shù)據(jù)對(duì)其實(shí)用性及合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，考慮基質(zhì)收縮效應(yīng)及熱膨脹效應(yīng)影響的滲透率模型曲線(xiàn)能夠較好地反映實(shí)測(cè)滲透率的變化趨勢(shì)。
　　 5)

5、基于自主研制的含瓦斯煤巖細(xì)觀剪切試驗(yàn)裝置，提出了含瓦斯煤巖細(xì)觀剪切試驗(yàn)方法，并依此進(jìn)行了不同瓦斯壓力、不同加載速率、不同正應(yīng)力條件下的含瓦斯煤巖剪切試驗(yàn)，揭示了剪切面裂紋的時(shí)空演化規(guī)律及其斷裂力學(xué)機(jī)理，建立了剪切面裂紋分形維數(shù)與斷裂耗散能之間的關(guān)系方程。
　　 6)通過(guò)不同垂直應(yīng)力、不同水平應(yīng)力、不同集中應(yīng)力條件下的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究了含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過(guò)程及其動(dòng)力效應(yīng)，獲得了含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過(guò)程中瓦斯壓力、煤體