构造煤表观物理结构及煤与瓦斯突出层裂发展机制研究

摘要

随着煤炭开采深度的增加，煤炭开采环境将持续恶化，所面临的地质构造、应力、瓦斯等条件更加复杂，使得煤与瓦斯突出灾害愈发严重。国内外大量文献表明，地质构造与突出存在着密切关系，而这些地质构造区域通常分布着大量的松散破碎的构造煤。本文运用岩石力学、断裂力学、土力学、流体力学和吸附理论等相关知识，采用分离变量、线性规划等数学方法，研究地质构造对煤的物理结构改造及煤的物理结构对其微观孔隙特征、瓦斯赋存/释放能力和力学破坏行为的影响，综合论证构造煤与突出的关系。然后，基于构造煤的物理结构特征，通过制备的相似实验材料开展煤与瓦斯突出相似模拟试验，并针对突出煤体层裂破坏方式，研究煤与瓦斯突出层裂发展机制。得到的主要结论如下： 1）构造煤是一种由于地质构造活动而产生的伴生产物，它是一种由散体煤胶结而成重构煤，这种煤以构造裂隙发育为主，节理不清或者节理失去意义。受构造煤的物理结构影响，构造煤具有低强度、弱粘结力的特性。构造煤在峰前经历较长的弹性变形和屈服变形，峰后的宏观破坏上则表现出损伤扩容的特征。构造煤的低强度特性和损伤扩容特征使其极易被再次粉化，同时构造煤的这种宏观破坏特征导致实验室测定构造煤在破坏后的渗透率增长倍数远低于原生煤。 2）利用不同粒径煤样的孔隙测试结果反演的构造煤形成过程中经历的破坏/粉化作用对其微观孔隙的改造表明，破坏/粉化作用首先将对煤中的小孔及以上的孔改造，这些孔隙随着粉化程度的增大呈增加趋势；当煤体粒径粉化至0.074mm以下时，微孔空间同样会受到影响，造成煤体微孔、小孔及中孔等孔隙的孔容和比表面积均出现“突增”现象。受构造煤的物理结构影响，构造煤的微观孔隙更为发育，其微孔、小孔、中孔和大孔的孔容和比表面积均高于原生煤，但两种煤微观孔隙的差异主要体现在小孔、中孔和大孔。 3）构造煤的微观孔隙特征决定了其瓦斯赋存和流动能力。至于瓦斯解吸特性，构造煤具有极快的初始瓦斯解吸能力，其可在较短时间内将吸附瓦斯释放出来，导致解吸速度快速衰减，并在120min内解吸量基本达到饱和状态。破坏/粉化作用会导致煤样的初始瓦斯解吸速度加快，当煤样粉化至0.5mm以下时，其初始瓦斯解吸速度随着粒径减小开始快速增大，尤其是粒径小于0.074mm时会出现“突增”现象。 4）综合地质构造与突出的关系、地质构造对煤的物理结构改造、构造煤的物理结构与其力学破坏行为、微观孔隙特征和突出瓦斯释放能力等的内在联系及对突出危险性的控制作用，并在评估目前应力状态原生煤发生突出的可能性及分析构造煤在突出中的作用基础上，论证构造煤是突出发生的关键因素。 5）基于构造煤的物理结构，通过制备的相似实验材料，展开的突出模拟试验表明，均质煤层条件，突出是连续发展的，孔洞呈半球形或半锥形；孔洞后方煤体以球壳型层裂形式破坏，这些层裂层层排列，厚度呈现随着与突出孔洞距离增加而变厚的趋势。各试验层裂的平均厚度随着瓦斯压力的增大而降低，而应力的增加及煤体强度的降低会导致层裂区宽度的增大及层裂厚度的降低。然而，非均质条件下，软煤区的存在改变了突出能量和突出耗能的分布，软煤区属于低突出耗能区。软煤区对突出具有导向作用，区域的封闭条件一旦被破坏，突出将率先在软煤区内发展，导致临界瓦斯压力阈值的降低。当突出发展到异常区边缘，若剩余的突出能量足以支撑周围煤体发生突出，突出将向周围煤体发展。 6）突出煤的层裂破坏是建立在构造煤的物理结构基础上，层裂是应力、瓦斯及煤的综合作用结果，层裂的过程与应力转移、煤的渗透率演化、瓦斯流动及强度变化等有关。层裂发生的力学原因是暴露面附近高瓦斯压力梯度造成煤体的拉伸破坏，其力学条件是暴露面附近瓦斯压力差足以克服煤体的抗拉强度。基于层裂破坏的思想，认为突出是在应力、瓦斯和煤的综合作用下以层裂形式逐层发展的，并提出煤与与瓦斯突出层裂发展机制。基于层裂发展机制，描述突出阶段和分析典型突出案例。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义（Research background and significance）

1.2 国内外研究现状（Review of literatures）

1.3 目前研究的不足（Current research deficiencies）

1.4 主要研究内容和研究思路（Main research contents and ideas）

2 构造煤的物理结构及对力学破坏行为和渗流特性的影响

2.1 构造煤的物理结构及其地质成因（ Physical structure of tectonic coal and its geological origin）

2.2 构造煤的力学强度和破坏行为（ Mechanical strength and failure behavior of tectonic coal）

2.3 构造煤的瓦斯渗流特性（Gas seepage characteristics of tectonic coal）

2.4 本章小结（Brief summary）

3 构造煤的微观孔隙特征及与瓦斯解吸特性的联系

3.1 构造煤的微观孔隙特征及其演化规律（ Microscopic pore characteristics of tectonic coal and its evolution）

3.2 构造煤的瓦斯解吸特性（Gas desorption properties of tectonic coal）

3.3 破坏/粉化煤的初始瓦斯释放模型（Initial gas release model of failed/pulverized coal）

3.4 本章小结（Brief summary）

4 煤的物理结构对其煤与瓦斯突出危险性的控制

4.1 构造煤与原生煤的破碎比功差异（Difference of crushing work ratio between tectonic coal and intact coal）

4.2 突出煤的破碎特征及必要性（ Particle size characteristics of outburst coal and its necessity）

4.3 原生煤破坏/粉化的条件及发生突出的可能性评估（Failure/pulverization conditions of intact coal and the possibility of its outburst）

4.4 构造煤在典型突出案例中的作用（The role of tectonic coal in typical outburst cases）

4.5 构造煤与突出的关系论证（Demonstration of the relationship between tectonic coal and outbursts）

4.6 本章小结（Brief summary）

5 煤与瓦斯突出的相似模拟及层裂的结构特征

5.1 煤与瓦斯突出模拟试验装置（Simulation device of coal and gas outburst）

5.2 基于均质煤层的突出模拟试验（ Outburst simulation experiments for homogeneous coal seam）

5.3 局部存在软煤区突出模拟试验（ Outburst simulation experiments related to soft-coal areas）

5.4 本章小结（Brief summary）

6 煤与瓦斯突出煤体层裂发展机制及其应用

6.1 煤与瓦斯突出层裂破坏的条件及研究意义（Conditions and significance of coal spallation during coal and gas outburst）

6.2 煤与瓦斯突出层裂的物理演化过程（ Physical evolution process of coal spallation）

6.3 煤与瓦斯突出层裂的数值模拟（Numerical simulation of coal spallation）

6.4 不同因素对层裂的影响（Influence of different factors on coal spallation）

6.5 煤与瓦斯突出层裂发展机制（ Spallation development mechanism of coal and gas outburst）

6.6 煤与瓦斯突出层裂发展机制的应用（Application of coal and gas outburst spallation development mechanism）

6.7 本章小结（Brief summary）

7 结论、创新点及展望

7.1 主要结论（Main conclusions）

7.2 创新点（Innovations）

7.3 研究展望（Prospects）

参考文献

作者简历

学位论文数据集