巖漿巖床下伏含瓦斯煤體損傷滲透演化特性及致災(zāi)機制研究.pdf

1、煤巖瓦斯動力災(zāi)變包括煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出、沖擊地壓、頂板來壓等災(zāi)害，其實質(zhì)就是含瓦斯煤巖體損傷破壞后的失穩(wěn)動力現(xiàn)象。生產(chǎn)實踐表明，對于某些覆巖中存在堅硬巖漿巖床的采場，煤巖瓦斯動力災(zāi)變尤為嚴重。
　　本文以巖漿巖床下伏10煤層瓦斯動力災(zāi)變嚴重的淮北楊柳煤礦為工程背景，以“巖漿巖床-含瓦斯煤”系統(tǒng)為研究對象，通過理論分析、實驗室試驗、數(shù)值模擬等手段，分別從熱作用和力作用角度開展了巖漿熱事件對下伏煤層瓦斯賦存的控制作用、堅硬頂板

2、巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模型及沖擊力能效應(yīng)、加卸載條件下含瓦斯煤損傷-滲透演化機制、巖漿巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)煤巖瓦斯動力災(zāi)變機制等研究，并取得了一定的創(chuàng)新成果。本文的主要研究結(jié)論如下：
　?。?）開展了巖漿熱演化煤體的物性特征實驗，分析了巖漿熱事件對下伏煤層瓦斯賦存的控制作用，發(fā)現(xiàn)巖漿侵入時的熱演化作用提高了煤的變質(zhì)程度，促進了煤體的二次生烴，并提高了煤對瓦斯的吸附能力和瓦斯擴散速度；頂板巖漿巖床和環(huán)形巖墻的圈閉作用阻止了煤層次生瓦斯的逸散；巖漿

3、侵入的推擠作用對地層產(chǎn)生附加構(gòu)造應(yīng)力，造成煤體物理結(jié)構(gòu)破壞。因此，巖漿巖覆蓋區(qū)域煤體的煤巖瓦斯動力災(zāi)變傾向性遠大于未受巖漿侵入影響的煤體，松軟煤體和富集瓦斯為煤巖瓦斯動力災(zāi)變奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。
　?。?）分析了堅硬頂板巖層的應(yīng)力分布特征和失穩(wěn)破斷規(guī)律，構(gòu)建了堅硬頂板巖層結(jié)構(gòu)見方失穩(wěn)模型，認為堅硬頂板巖層在采空區(qū)見方或接近見方時最容易發(fā)生正“O-X”型失穩(wěn)破斷；從應(yīng)力和能量角度分析了堅硬頂板巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后對下伏煤體的沖擊力能效應(yīng)，認為

4、應(yīng)力矢量疊加的效果等同于增加了采動煤體的埋深并誘發(fā)煤體的不可逆損傷破壞，能量標(biāo)量疊加的結(jié)果則是誘發(fā)采動煤體瓦斯動力災(zāi)變的根本原因。
　?。?）分析了堅硬頂板巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)能量積聚-傳播-耗散規(guī)律，提出了基于沖擊力能的致災(zāi)關(guān)鍵層判別準(zhǔn)則，并將頂板巖層劃分為致災(zāi)關(guān)鍵層、致災(zāi)弱層和非致災(zāi)層。計算得第二層巖漿巖床失穩(wěn)破斷后的致災(zāi)系數(shù)為9.67，具有誘發(fā)10煤層煤巖瓦斯動力災(zāi)變的能力。
　　（4）設(shè)計了恒圍壓加軸壓、恒軸壓卸圍壓和同時加

5、軸壓卸圍壓三種力學(xué)路徑，開展了含瓦斯煤應(yīng)力-損傷-滲透同步試驗，認為加卸載方式顯著影響著煤體的損傷程度和損傷-滲透時間響應(yīng)特性，按損傷程度和響應(yīng)速度排序均依次是：同時加軸壓卸圍壓>恒軸壓卸圍壓>恒圍壓加軸壓；煤體的損傷、滲透特性具有顯著的圍壓效應(yīng)；造成塑性變形煤體損傷-滲透特性差異的本質(zhì)原因是差應(yīng)力比的不同；煤體損傷、滲透特性是協(xié)同演化的，但滲透率變化相對于損傷具有時間滯后特性。
　　（5）基于損傷變量服從 Welbull分布的假

6、設(shè)，將聲發(fā)射累計數(shù)歸一化并進行擬合，構(gòu)建了基于聲發(fā)射特征和差應(yīng)力比的含瓦斯煤統(tǒng)計損傷模型；分析了基于有效應(yīng)力壓縮、煤基質(zhì)吸附膨脹變形和熱膨脹變形綜合作用的彈性變形煤體孔隙率變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，分析了基于損傷擴容的塑性變形煤體孔隙率變化規(guī)律，進而構(gòu)建了塑性變形煤體滲透率演化模型。
　?。?）研究了巖漿侵入熱演化作用、瓦斯圈閉作用、構(gòu)造應(yīng)力作用和巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的動載荷作用對災(zāi)變潛能與災(zāi)變耗能的影響，綜合計算了巖漿巖床下伏含瓦斯煤系統(tǒng)的