【摘 要】
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煤与瓦斯突出作为煤矿生产过程中的一种典型动力灾害,严重制约着目前“智慧煤矿”的安全、高效和绿色发展步伐,影响着煤矿领域关于我国“深地”和“深蓝”战略的实施。由于影响煤与瓦斯突出的因素众多,且有关煤矿动力灾害的研究涉及岩石力学、弹塑性力学、渗流力学、断裂与损伤力学、传热传质、多孔介质理论、流体力学和空气动力学等多学科之间的交叉与融合,加之受限于传统研究手段,使得学者们在探索煤与瓦斯突出机制及其防控方
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2018YFC0808303）; 国家自然科学基金项目（51874055）《煤与瓦斯突出及煤-瓦斯两相流动力致灾多场耦合试验研究》; 国家自然科学基金面上项目《叠置含气系统煤层气开采及其储层压力-含气性-渗透性联动关系研究》（52074047）
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煤与瓦斯突出作为煤矿生产过程中的一种典型动力灾害,严重制约着目前“智慧煤矿”的安全、高效和绿色发展步伐,影响着煤矿领域关于我国“深地”和“深蓝”战略的实施。由于影响煤与瓦斯突出的因素众多,且有关煤矿动力灾害的研究涉及岩石力学、弹塑性力学、渗流力学、断裂与损伤力学、传热传质、多孔介质理论、流体力学和空气动力学等多学科之间的交叉与融合,加之受限于传统研究手段,使得学者们在探索煤与瓦斯突出机制及其防控方法的路上步履维艰。为此,本文从煤层瓦斯压力和地应力等煤与瓦斯突出现象的主导因素入手,以自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统为依托,采用试验研究、理论分析及数值模拟相结合的研究方法,一方面就不同煤层瓦斯压力及地应力条件下煤与瓦斯突出过程中煤体内多物理场状态参数及其储能动态演化、煤-瓦斯两相流冲击动力学行为等进行了系统分析;另一方面,为更深入认识煤与瓦斯突出过程中煤层瓦斯压力和地应力的作用机理,以FVM-DEM耦合方法以及双流体湍流模型开展了气-固耦合作用下煤与瓦斯突出过程的数值模拟仿真研究。通过上述研究工作,取得了如下研究进展:（1）基于突出关键体结构提出了“煤-瓦斯-围岩-巷道”突出系统的概念,并自主研制了一套可用于开展煤与瓦斯突出物理模拟试验研究的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,该套装置能够获得突出过程中煤体及巷道内多物理场状态参数的实时采集,为开展煤与瓦斯突出及其致灾机制的试验研究提供了新手段。（2）开展了不同煤层瓦斯压力及不同地应力条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,分析了该过程中煤体不同区域内的地应力、瓦斯压力和温度等热-流-固体系状态参数的时空演化规律;在此基础上,探讨了煤与瓦斯突出热力多变过程中实时演化的煤层弹性应变能和瓦斯膨胀能的释放机制以及气-固耦合效应对突出过程储能释放的影响,对比分析了不同瓦斯压力和地应力条件对突出后煤体的破坏模式差异。（3）基于多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统再现了煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流动行为,获得了煤-瓦斯两相流的冲击力信号,分析了不同煤层瓦斯压力及地应力条件下突出过程中煤-瓦斯两相流的冲击力、温度时空演化规律及突出煤的分选和沉积特征;同时,结合热力学、空气动力学、流体力学等理论提出了包含三个关键结构的煤-瓦斯流动可变收放物理模型（PCEF模型）,揭示了突出煤-瓦斯两相流动模式以及在该过程中巷道内的复杂波系形成机制。（4）实现了基于Open FOAM和PFC3D的FVM-DEM耦合数值算法,再现了不同煤层瓦斯压力和地应力条件下的突出过程,得到了突出过程中煤体颗粒的速度、煤体裂纹扩展、应力分布特征及突出强度的实时演化,进一步认识了煤与瓦斯突出过程中煤层瓦斯和地应力的作用机制;基于双流体模型并结合标准的五方程湍流模型,对不同瓦斯压力作用条件下的煤-瓦斯两相流动过程进行了探讨,得到了煤-瓦斯两相流动过程中巷道内的静压分布、两相流速演化以及固相体积分数的分布特征,为煤与瓦斯突出减灾防灾研究提供了新思路。
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