深部煤层瓦斯动力灾害诱发机制研究与探讨

针对沈阳矿区瓦斯动力灾害多发、诱因复杂等特点，归类统计了历年发生的瓦斯突出事故灾害数据，分析了灾害特征，建立了瓦斯动力灾害的力学失稳模型，开展了不同参数条件下的数值模拟，并进行了工程实例验证。结果表明，随着开采深度的增加，发生动力灾害的次数及突出强度均发生递增；瓦斯压力是动力灾害的动力因素，内聚力是动力灾害发生的阻碍因素；随着瓦斯压力的升高，突出孔洞轮廓线弧度更加明显；随着应力的增加，损伤区由“I”型裂纹向“-”型裂纹转变，形成网格型裂纹，损伤区域明显收缩；瓦斯压力主要作用于灾害中期，决定了突出煤量和孔洞深度，地应力主要作用于灾害诱发初期及末期，决定了初期煤体损伤方式和孔洞的整体形状。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

含瓦斯煤层的真实突出危险性及其判别试验

由于含瓦斯煤层突出危险性的判别是预防煤与瓦斯突出的关键,因此通过分析煤层开挖现场的应力和瓦斯条件,提出了煤层"真实突出危险性"的定义,认为含瓦斯煤层如不存在瓦斯卸压带,在应力、煤层原始瓦斯压力作用下的稳定性代表了真实的突出危险性。利用RFPA2D-Flow软件和相似模拟试验方法,以煤体强度为分组指标,研究了各组煤体在应力、瓦斯压力作用下的真实突出危险条件。煤层突出的瓦斯压力-应力临界条件可分为3个阶段:1在低水平应力范围内,应力阻碍突出,此阶段发生的突出主要以瓦斯压力作用为主,应力的增加对煤体起加固作用;2随着应力的增加,应力的作用由加固煤体转变为破坏煤体,应力加剧突出;3随着应力继续增加,突出发生的瓦斯压力降低并基本固定在某一水平,不再随应力增加而变化,此时煤体在高应力作用下发生宏观破坏,煤体状态处于峰后阶段,瓦斯压力的作用主要是破坏具有残余强度的煤体并抛出。最后,根据煤体破坏瓦斯压力-应力临界关系方程,得到了利用煤体强度参数确定煤体真实突出危险性的方法。     

煤与瓦斯突出过程的力学作用机理

以“煤与瓦斯突出是一个力学破坏过程”的认识为前提,通过理论分析和数值模拟,对煤与瓦斯突出过程的力学作用机理进行了深入研究.对突出的准备、发动、发展和终止过程重新进行了划分,给出了各个过程详细的描述.在突出准备阶段,围岩发生应力集中和强度破坏,为后续的失稳创造了条件.突出的发动是围岩的突然失稳以及失稳煤岩的快速破坏和抛出.突出的发展是突出孔洞壁煤体由浅入深逐渐破坏并抛出的过程,主要受控于孔洞壁煤体的应力分布以及孔隙和裂隙中的瓦斯压力对煤的拉伸和剪切破坏,并可分为粉化和层裂2个阶段.突出孔壁受堆积煤岩的支撑或孔洞形状变化促使孔洞壁煤体受力状态的改变是突出终止的主因.     

煤与瓦斯突出过程煤体破裂演化规律

研制了一套煤与瓦斯突出模拟实验装置,通过高速摄像对突出全过程进行实时观测,从而实现对突出过程中煤体破裂演化规律进行了分析。通过对12次试验结果的分析发现,煤与瓦斯突出是个力学发展过程,它经历了孕育、启动、发展和停止4个阶段,受瓦斯压力和孔洞壁的径向应力大小影响,煤与瓦斯突出多次间歇式发展;实验条件下,煤与瓦斯突出启动后,从发展到结束过程耗时不足0.1 s;位于试验装置不同部位的煤体,突出瞬间煤体运动轨迹各不相同;通过对突出后煤体的裂纹分布规律进行分析,发现裂纹几乎平行出现,且裂纹的倾斜角度处在65°~70°,裂纹近似圆弧,圆心位置在突出口;试验还发现在0.481~0.764 MPa存在一个临界瓦斯压力值,可以使突出连续发生,从而具备了发生大型突出的瓦斯压力条件。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出过程及其动力源分析

基于煤与瓦斯突出机理,本文分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出全过程及其动力源,阐述了地应力和瓦斯压力在延时突出过程中的作用及其对含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系,并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.结果表明,煤与瓦斯延时突出不但与卸压区、应力集中区的强度、长度有关,而且与作用在煤体上的应力峰值和瓦斯压力等因素有关;煤与瓦斯延时突出动力源大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯及瓦斯内能、煤体物理力学性质及外作用等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要能量,因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力,是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.     

地应力对羊东井田煤与瓦斯突出影响的研究

羊东矿为煤与瓦斯突出矿井,目前主采煤层大煤(2号煤)为突出煤层,在开采-400m水平时曾发生过2次突出动力现象,均表现为压出特征,分析认为地应力是羊东矿突出发生的主要条件。利用自行研制的煤与瓦斯突出装置,以羊东矿2号煤的原煤样为研究对象,开展了在较低瓦斯压力条件下地应力对羊东原煤突出影响的试验研究。结果表明同样瓦斯压力下,导致羊东原煤压出发生的应力具有临界条件;且应力越大,压出的煤量越多,煤体破碎程度越高,在煤体内残留的孔洞越大,压出特征表现越明显。     

煤与瓦斯突出瓦斯压力变化规律实验研究

通过煤与瓦斯突出模拟实验,研究了突出过程中瓦斯压力的变化规律,分析了突出过程中瓦斯对煤体的破坏作用。研究发现:应力和瓦斯压力达到一定梯度才能引起煤与瓦斯突出,突出的发动明显滞后于卸压过程;突出发生时,瓦斯压力的变化有明显的规律性,瓦斯压力变化形态呈现出突然降低、快速升高并波动、达到波动峰值后逐渐降低,瓦斯压力的变化形态与突出发展的演化过程有较好的对应性;压出与突出过程中的瓦斯压力变化形态有显著差异。煤体在应力和瓦斯压力差的作用下发生剪切和拉伸破坏,靠近卸压口处的煤体层裂破坏特征明显。     

含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力（40 MPa）和气体压力（4 MPa）,可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律：软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤（f>0.5）中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则

基于煤与瓦斯延时突出机理,分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出动力源,阐述了地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质在延时突出过程中的作用及地应力、瓦斯压力时含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系、并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.分析结果表明,煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量,作用力大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等;作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力,瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量.因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.在此基础上,提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则,即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.     

孔隙压力在瓦斯突出过程中的作用机理研究

考虑了煤岩体物理力学性质的非均匀性和非连续性的特点,应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-GasFlow),对不同孔隙压力下煤体发生瓦斯突出的特征进行数值试验研究,分析了孔隙压力对瓦斯突出的影响。研究结果表明,不同孔隙压力条件下,煤体的破裂形式及瓦斯突出特征是不同的:当孔隙压力较小时,煤体产生剪切破坏,形成煤体倾出,此时,地应力在瓦斯突出中起主导作用。     

巷道塑性区和煤与瓦斯突出孔洞关系北大核心

突出孔洞对于研究煤与瓦斯突出机理有重要意义。通过数值模拟,得到突出煤巷掘进头处煤体塑性区,并将其与实际突出孔洞进行对比;分析比较了不同地应力条件下巷道掘进头处塑性区的范围。研究表明:巷道掘进面前方塑性区尺寸随着双向主应力比值的增加而增大,并且增长幅度呈增大趋势;不同的双向主应力比值导致巷道围岩出现不同大小范围的塑性区;当双向主应力比值较大,塑性区范围随着主应力方向的不同呈现明显差异;实际突出巷道掘进头处煤体塑性区与巷道突出孔洞在形态和位置上均有相当的一致性,巷道突出孔洞是由巷道掘进头处煤体塑性区演化、发展而来的;不同地应力条件下巷道掘进头处煤体塑性区的尺寸,可以作为煤与瓦斯突出强度分析的一个指标。     

低渗透突出煤破坏过程中瓦斯运移规律研究

利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟实验装置,结合数值模型的建立,基于实验和数值模拟的基础上,分析研究了低渗透性突出煤层在煤与瓦斯突出过程中瓦斯的运移规律,研究结果表明:低渗透性突出煤层在受地应力或移动支承压力的反复作用下,煤体渗透性增加,吸附态瓦斯解吸,内部瓦斯压力升高,并呈初期增长速率较快,之后逐渐变小,最后变缓的趋势;同时,游离态瓦斯向气体压力低的采掘空间方向运移,当大量的游离瓦斯不能及时扩散、运移到外界,导致煤体内部瓦斯压力持续升高并积聚到一定程度时,就会与地应力共同作用而造成煤与瓦斯的突出,因此,降低游离瓦斯压力是低渗透性突出煤层防突技术的关键。     

煤与瓦斯突出过程中孔洞的形成机制

通过分析煤与瓦斯突出孔洞周围的应力分布和高压固气混合物的气体作用特征,分析了突出孔洞发生的位置、形状,得出了地应力控制孔洞的破坏范围并引导着孔洞破坏发展方向的结论,解释了突出孔洞的形成机制,达到了更为深入地认识煤与瓦斯突出机制的目的。     

煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究

对煤与瓦斯突出过程中煤体质点内的能量耗散过程用热力学定律进行了分析；论证了由地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，为谋体内瓦斯能的释放创造了条件；在突出过程中起决定作用的是煤体本身释放的初始释放瓦斯膨胀能．通过突出模拟及测定表明，受地应力破坏后的含瓦斯煤体在卸压初始时刻确实有一个释放瓦斯膨胀能的能量峰，并且该能量峰的大小与揭煤时的动力现象显著与否密切相关．     

瓦斯压力作用下煤岩裂纹扩展机理研究

瓦斯压力作用下煤岩裂纹扩展是煤与瓦斯突出的必经环节。利用断裂力学方法对裂纹扩展机理进行了研究,首先给出了裂纹内作用有瓦斯压力时裂纹表面的正应力和剪应力表达式,然后分拉剪破坏和压剪破坏两种情况分析了裂纹扩展方向、临界瓦斯压力与侧压系数之间的关系。研究表明,对于拉剪裂纹,裂纹方向与最大主应力方向一致时最易扩展;对于压剪裂纹,压剪参数与摩擦系数的差值决定裂纹的扩展方向。     

论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用

煤和瓦斯突出是地应力、煤的物理力学性质以及瓦斯压力三个因素综合影响的结果，而地应力中所包括的构造应力起主导控制作用。作者从多种角度、不同层次作了深入讨论。首先指出“残余构造应力”影响甚微；其次重点阐述了古构造应力场和现今构造应力场及其演化分别在控制谋和瓦斯突出中所起的重要作用，古构造应力促进瓦斯生成，改变瓦斯运移、赋存条件，破坏煤体结构等。现今构造应力构成了现今地应力的主体，直接参与突出过程。由此为有效防治煤和瓦斯突出提供了理论基础。     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出,探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析,认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用,具体表现在：随着集中应力区应力值的增加,煤与瓦斯突出的强度增加,抛出的煤体被破碎的效果也更为明显,而且突出后煤体的温度降低量也越大;另外,集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

含瓦斯煤体力学特性实验研究

应用了胡少斌博士建立的含瓦斯煤体力学特性测试系统,进行了含瓦斯煤全应力-应变实验和含瓦斯煤吸附膨胀实验。实验结果表明,在有效围压一定的条件下,含瓦斯煤体的力学特性的影响与其瓦斯压力有关,瓦斯压力越大,煤体的弹性模量越低,抗压强度越低,抵抗变形的能力越弱;煤体中冲入吸附性越强的气体,对煤体力学特性影响越大,煤体抵抗变形的能力越弱;在固定轴向载荷和有效围压的条件下,煤体内瓦斯压力越大,煤体膨胀变形的速率越快,并且达到最终破坏的形变量也越小;吸附瓦斯和游离瓦斯的存在加速了裂纹劈裂破坏,使煤体更容易发生剪切滑移破坏。