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

1、煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅著我國煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全，由于災(zāi)害影響因素眾多，其發(fā)生機理及探測預(yù)防技術(shù)一直是我國煤礦安全研究領(lǐng)域的重點和難點。為了豐富對煤與瓦斯突出發(fā)生機理的認(rèn)識，本文以山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(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-礦煤樣為研究對象，從含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)力學(xué)作用機理角度出發(fā)，采用實驗室測試、理論研究、物理模擬、數(shù)值分析和工程實例相結(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程中的熱流固耦合效應(yīng)、含瓦斯煤巖剪切破斷過程裂紋演化規(guī)律、含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過程及其動力效應(yīng)及煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測方法，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)等從理論層面上進行了一系列有益探討。通過本文研究，在以下方面取得了一些進展：
　　 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其吸附瓦斯特性進行了試驗研究，得到了不同溫度下的等溫吸附曲線及吸附常數(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，并對煤儲層瓦斯源失穩(wěn)狀態(tài)進行了分析。
　　 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，該裝置為開展含瓦斯煤巖破壞過程中的熱流固耦合效應(yīng)研究提供了有力的試驗手段。利用該裝置開展了較為系統(tǒng)的含瓦斯煤巖三軸壓縮力學(xué)特性及滲流特性試驗，初步探明了含瓦斯煤巖破壞過程中應(yīng)力-瓦斯-溫度耦合作用機理。
　　 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)力的計算公

4、式，通過考慮其對含瓦斯煤巖有效應(yīng)力的影響，進而對Drucker-Prager強度準(zhǔn)則進行了修正，修正后的含瓦斯煤巖強度準(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)的煤儲層滲透率模型，并通過實驗所測滲透率數(shù)據(jù)對其實用性及合理性進行了驗證，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能夠較好地反映實測滲透率的變化趨勢。
　　 5)

5、基于自主研制的含瓦斯煤巖細(xì)觀剪切試驗裝置，提出了含瓦斯煤巖細(xì)觀剪切試驗方法，并依此進行了不同瓦斯壓力、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，揭示了剪切面裂紋的時空演化規(guī)律及其斷裂力學(xué)機理，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研究了含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過程及其動力效應(yīng)，獲得了含瓦斯煤巖破壞失穩(wěn)演化過程中瓦斯壓力、煤體