煤與瓦斯突出失穩(wěn)蘊育過程及數(shù)值模擬研究.pdf

1、煤炭作為我國的主體能源,煤與瓦斯突出事故一直是限制其安全高效開采的因素之一。近年來突出防治技術(shù)的發(fā)展和煤礦安全需求的增強都對煤與瓦斯突出機理研究提出了更高的要求,以綜合假說為基礎(chǔ)的定性化認識受限于對針對性、科學化的防突技術(shù)指導(dǎo),對突出機理定量化研究有待加強。
　　本文運用巖石力學、滲流力學、吸附理論等理論方法,基于雙重孔隙介質(zhì)模型建立了煤與瓦斯突出發(fā)動之前煤巖—瓦斯演化控制方程,以有效應(yīng)力、吸附變形及滲透性演化等耦合項來表明瓦斯場

2、—煤巖應(yīng)力應(yīng)變場之間相互作用,并通過突出能量條件來表征突出傾向性,分析了瓦斯、地應(yīng)力、煤體力學性質(zhì)對突出能量的影響及突出能量分布和演化對突出蘊育、失穩(wěn)的控制作用。研究獲得的結(jié)論主要在以下幾個方面。
　　(1)煤中微孔是控制煤體吸附性能的主要因素。在煤孔隙孔徑較小時(氣體分子直徑量級)孔壁吸附勢會發(fā)生重疊,對瓦斯吸附力增強,在很小壓力下即可達到吸附飽和,即減小了Langmuir壓力。因此,不僅是煤最大吸附能力,Langmuir壓力同

3、樣受微孔發(fā)育影響,特別是孔徑較小的微孔。由于變質(zhì)程度增加煤中微孔發(fā)育,Langmuir壓力隨煤階提高呈下降趨勢。
　　(2)根據(jù)屈服煤體峰后滲透性隨軟化模量增長規(guī)律,結(jié)合雙重孔隙介質(zhì)滲透性模型建立了采掘過程中擾動煤體的滲透性演化方程。對采掘后前方煤體滲透性進行的研究表明,采掘擾動后煤體滲透性具有分區(qū)分布特性,從煤層深部原始地帶至煤壁滲透性依次經(jīng)過降低區(qū)、升高區(qū)和驟增區(qū),其分區(qū)分布特征是與煤體應(yīng)力分帶分布形成機制密切相關(guān)的。由于滲透

4、性分區(qū)性,煤層瓦斯分布也具有分區(qū)特點,煤壁附近高滲低壓煤體構(gòu)成了防止煤體瓦斯突出的安全帶。之后分析了不同賦存形式瓦斯對煤體變形破壞的影響,除游離瓦斯對煤體受力有孔隙壓力的影響外,煤中吸附態(tài)瓦斯的變化也會改變煤體受力狀態(tài),影響到煤體的屈服破壞,排放瓦斯后煤體強度的增加能降低突出發(fā)生的危險性。
　　(3)大型突出案例表明突出地點往往具有瓦斯局部異常,富存了大量瓦斯。而富集區(qū)周邊存在環(huán)狀低滲帶是瓦斯得以長期保存的一個條件。在化簡為一維流

5、動模型后,進一步分析表明低滲帶滲透性大小及寬度是影響高壓瓦斯保存的主要因素。低滲帶內(nèi)存在的高瓦斯壓力及壓力梯度使得進入低滲帶后突出可能性大大增強,所保存的高壓瓦斯能夠為突出災(zāi)害提供巨大的能量,形成了大型突出的條件。
　　(4)煤體強度破壞及煤—瓦斯系統(tǒng)積聚能量超過其儲存能力是系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)動突出的條件,因此可以通過突出潛能積聚程度來分析煤體突出危險性。基于此,提出了以突出發(fā)動潛能與突出發(fā)動過程耗能之比作為失穩(wěn)判據(jù)判斷突出傾向性。并通過

6、分析煤體突出發(fā)動潛能的積聚形式及發(fā)動過程耗散途徑,建立了相應(yīng)的計算公式。
　　(5)瓦斯、地應(yīng)力及煤體力學性質(zhì)等突出因素是突出能量的主要影響因素。瓦斯條件是突出發(fā)動能量積聚的主要影響因素,煤層所受構(gòu)造應(yīng)力同樣對突出能量積聚有重要影響,增加了煤體突出傾向。煤體力學性質(zhì)對突出影響主要表現(xiàn)為煤體強度及破碎功的影響。
　　(6)通過突出模擬實驗驗證了瓦斯及應(yīng)力荷載是煤體突出潛能的主要來源,對突出能否發(fā)動及突出規(guī)模具有決定作用。另外,