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煤与瓦斯突出严重威胁着我国煤矿的安全生产和矿工的生命安全,由于灾害影响因素众多,其发生机理及探测预防技术一直是我国煤矿安全研究领域的重点和难点。为了丰富对煤与瓦斯突出发生机理的认识,本文以山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司赵庄矿和寺河矿及重庆天府矿业有限责任公司三汇-矿煤样为研究对象,从含瓦斯煤岩破坏失稳力学作用机理角度出发,采用实验室测试、理论研究、物理模拟、数值分析和工程实例相结合的方法,较为系统地研究了煤岩原生孔裂隙结构及其瓦斯吸附解吸特性、含瓦斯煤岩三轴压缩破坏过程中的热流固耦合效应、含瓦斯煤岩剪切破断过程裂纹演化规律、含瓦斯煤岩破坏失稳演化过程及其动力效应及煤与瓦斯突出区域预测方法,并结合岩石力学、渗流力学、断裂力学及损伤力学等从理论层面上进行了一系列有益探讨。通过本文研究,在以下方面取得了一些进展:
1)分析了煤岩原生孔裂隙结构特征,并利用HCA型高压容量法吸附装置对其吸附瓦斯特性进行了试验研究,得到了不同温度下的等温吸附曲线及吸附常数a、b值随温度的变化规律,在此基础上,提出了瓦斯源失稳概念,并对煤储层瓦斯源失稳状态进行了分析。
2)自主研发了含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置为开展含瓦斯煤岩破坏过程中的热流固耦合效应研究提供了有力的试验手段。利用该装置开展了较为系统的含瓦斯煤岩三轴压缩力学特性及渗流特性试验,初步探明了含瓦斯煤岩破坏过程中应力-瓦斯-温度耦合作用机理。
3)推导了完全理想约束条件下瓦斯吸附膨胀应力及热膨胀应力的计算公式,通过考虑其对含瓦斯煤岩有效应力的影响,进而对Drucker-Prager强度准则进行了修正,修正后的含瓦斯煤岩强度准则能较好地反映出不同条件下型煤及原煤试件在三轴压缩应力状态下的峰值强度特征。
4)建立了考虑煤基质收缩效应及热膨胀效应的煤储层渗透率模型,并通过实验所测渗透率数据对其实用性及合理性进行了验证,结果表明,考虑基质收缩效应及热膨胀效应影响的渗透率模型曲线能够较好地反映实测渗透率的变化趋势。
5)基于自主研制的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,提出了含瓦斯煤岩细观剪切试验方法,并依此进行了不同瓦斯压力、不同加载速率、不同正应力条件下的含瓦斯煤岩剪切试验,揭示了剪切面裂纹的时空演化规律及其断裂力学机理,建立了剪切面裂纹分形维数与断裂耗散能之间的关系方程。
6)通过不同垂直应力、不同水平应力、不同集中应力条件下的煤与瓦斯突出模拟试验研究了含瓦斯煤岩破坏失稳演化过程及其动力效应,获得了含瓦斯煤岩破坏失稳演化过程中瓦斯压力、煤体温度、突出强度、孔洞形态和突出煤样分布等的变化规律。
7)基于煤基质吸附瓦斯膨胀效应及热膨胀效应,修正了煤与瓦斯突出危险性区域预测的强度判据及能量判据,结合矿区三维地应力场数值模拟分析,对重庆三汇一矿K1煤层的煤与瓦斯突出区域进行了预测,预测结果与实际突出情况较为吻合。