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长期以来人们从宏观角度对矿井的煤与瓦斯突出机理及其发生条件做了大量研究,但由于突出的复杂性,对于突出的原因、过程及一些细节还不十分明确。本论文结合国家自然科学基金资助项目“高瓦斯与突出矿井瓦斯异常涌出发生规律的研究”(项目编号:50574047),针对突出的诱发源、突出过程中释放的超量瓦斯来源等问题,应用理论和实验相结合的研究方法在煤与瓦斯突出综合作用假说的基础上开展了煤与瓦斯突出微观机理的基础研究工作。主要研究内容和研究成果概括如下:应用量子化学理论中的密度泛函理论和量子化学Gaussian03软件程序包,采用量子化学的计算方法研究了煤与瓦斯吸附微观机理。在B3LYP/6-311G计算水平上构建了煤表面分子片段与甲烷分子的吸附模型;计算得到了分子构型参数和吸附能;证明了煤分子片段与甲烷分子的吸附为物理吸附,吸附能为1.34KJ/mol。在前人研究的基础上,应用量子力学理论和电磁波技术研究了煤与瓦斯脱附微观机理。研究表明:矿震和采掘放炮活动等因素引起煤岩体破裂变形,煤岩体破裂产生的电磁波在一定频率范围内能够被煤与CH4吸附伴生分子体系以量子化形式吸收,导致该伴生分子体系由稳定的基态变为激发态,使吸附瓦斯由吸附态脱附为游离态瓦斯。创新性地提出煤与瓦斯脱附的临界频率v 0,通过量子力学计算得出煤与瓦斯脱附的临界频率v 0数值在红外线的极远红外频段范围内,吸附伴生分子体系只有吸收的电磁波频率v超过临界频率v 0,才会发生煤与瓦斯脱附。应用TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪,通过对突出煤样中超细粉煤与块煤分子结构的红外光谱实验研究,分析了突出煤样中超细粉煤与块煤的红外光谱图,提出超细粉煤在基团数量上与块煤相比远少于块煤的根本原因,就在于超细粉煤的有机大分子侧链基团被拉断和低分子化合物释放的结果,从而导致产生超量的瓦斯。该实验首次从微观上揭示了煤与瓦斯突出过程中超量瓦斯释放的来源。综上所述,提出煤与瓦斯吸附、脱附等方面的煤与瓦斯突出微观机理:在矿井生产中,由矿震、采掘放炮等因素引起采掘工作面围岩应力变化导致煤岩体破裂,煤岩体破裂产生频率范围宽广的电磁波。煤与CH4吸附形成的伴生分子体系以量子化形式吸收超过脱附临界频率的电磁波,导致该体系由基态变为激发态,使得瓦斯由吸附态脱附变为游离态,形成大量的游离瓦斯。如果具备较高的地应力和构造煤的条件,则在弱面极易发生煤与瓦斯突出的动力现象。