加卸载条件下含瓦斯煤能量演化规律及瓦斯运移致灾机理研究

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随着资源不断被开发利用,向深部延伸开采成了必然选择。然而,进入深部开采以后,深部工程灾害频频发生。其中,煤与瓦斯突出是深部工程中最为严重的灾害之一,它的发生机理难以掌握,预测和控制的难度较大,而且突出的“阀值”始终无法量化。煤体能量演化以及瓦斯运移规律对突出具有重大影响,因此本文利用重庆大学航空航天学院“MTS拉压弯扭实验设备”和煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室“THM-2型含瓦斯煤热流固耦合试验系统”对含瓦斯煤进行能量演化和渗流试验研究,深入分析煤体能量演化规律、瓦斯运移规律及煤与瓦斯突出机理。研究结果表明:(1)含瓦斯煤能量的演化具有普适性,能量的演化与应力路径无关,随着应力的增长能量以二次函数形式增长,煤的能量演化具有典型的非线性特征。其中总输入能密度增长速率最大,弹性能密度次之,且十分接近于总输入能密度的增长速率,耗散能密度增长速率最小。(2)应力路径对渗透率具有显著的影响,渗透率随应力的增加呈指数形式减小,而煤样的卸载渗透率随加卸载循环次数的增加而增大。地应力主要通过控制煤体的孔隙和裂缝系统影响瓦斯在煤层中运移难易程度以及流动方向,其中最大支承压力点是控制瓦斯气体运移方向的分界点。(3)根据采场支承压力的分布特征可将采煤工作面围岩体的能量分为能量耗散释放区、能量增高区和能量稳定存储区;在煤矿开采过程中,煤壁前方的支承压力是造成能量集聚的重要因素,应力增高区是防治煤岩体动力灾害的重点区域。基于能量守恒原理建立的煤与瓦斯突出能量判据具有一定的工程实践指导作用。(4)基于试验结果渗透率随有效应力的演化规律,建立的瓦斯运移致灾关键结构,该结构可分为7个部分。在结构IV、V和VII透气性较差的情况下,结构I、VI诱导结构II发生失稳破坏,致使结构III高能瓦斯煤岩克服结构II的阻力向结构I发生突出。该结构更直接的突显出了煤与瓦斯突出的力学作用机理。(5)从瓦斯运移特性和关键结构可将煤与瓦斯突出因素定义为突出基础因素、关键因素和诱导因素。基础因素使煤体强度劣化,关键因素使煤岩体处于一种临界力学平衡状态,诱导因素打破了这种平衡状态并诱导突出。(6)基于瓦斯运移致灾关键结构建立了煤与瓦斯突出力学判据,该判据应证了煤与瓦斯突出是个多因素作用的力学过程。判定指标Im≥1时,煤层具有突出危险性;当Im<1时,则不利于突出的发生。
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