煤与瓦斯突出发展阶段煤的破坏机理研究

摘要

煤与瓦斯突出包括孕育、激发、发展和终止多个阶段，发展阶段是其中的一个重要阶段。至今突出发展阶段煤体发生层裂破坏乃至产生大量碎煤的原因还没有被完全弄清楚，这也是现阶段突出机理研究的一项重要内容。本论文通过现场资料总结、数值模拟、物理模拟和理论分析的方法，研究了突出发展阶段煤的动力学破坏机理，解释了突出发展阶段的各种现象，完善了突出总过程的描述。研究成果促进了突出机理理论的完善。
　　论文的研究工作主要包含以下三个部分:
　　1)通过案例资料整理、理论分析、数值模拟、物理模拟等手段，为突出发展阶段煤的破坏机理研究准备“证据”材料。这些工作包括:①搜集整理国内外发生的大量突出发展过程现场观测和物理模拟数据资料，找出突出发展阶段的特征及规律。结果发现，突出发展过程可能经历多次的暂停和再次激发的循环。在单次循环周期中，煤的破坏是一个持续的过程，其破坏的主要形式包括层裂破坏和粉化破坏。突出的每次激发都会产生强烈的动力效应，而在煤的持续破坏过程则会产生脉冲式的振动信号。突出后所形成的孔洞形状主要有口袋形、锥形和圆柱形三种。②通过数值模拟，得出了突出激发后极短时间内孔洞壁的力学状态。即在突出激发导致煤壁突然暴露之后的极短时间内（小于100ms），煤壁附近的地应力迅速向深部转移，所形成的动态支承压力峰值远大于静态值;瓦斯压力仅在煤壁附近的薄层内(小于2cm)快速下降，形成极高的瓦斯压力梯度。③建立相应的实验装置并进行实验，得出处在高压瓦斯气体中的含瓦斯煤块在外围瓦斯压力突然释放后，由于煤中游离瓦斯对孔、裂隙的扩展作用能够造成煤的破坏，但其破坏程度要远小于实际突出后煤的粉碎程度。
　　2)通过物理模拟、数值模拟和理论分析，找出突出发展阶段煤破坏的原因。针对突出激发后煤壁突然卸载这一力学条件，建立了简化的突出发展数学模型。基于此数学模型分别进行突出发展的物理模拟和数值模拟，发现在只有瓦斯参与或只有地应力参与时，都能使煤发生层裂破坏。利用应力波的传播理论，得出突出激发后由于新鲜煤壁处总应力（由地应力和瓦斯压力构成）的突然卸载，形成向煤体深部传播的卸载波，又由于卸载波波及的煤体同时还受到围岩的约束，导致部分卸载波发生反射，反射波仍为卸载波，入射波和反射波叠加使煤体发生拉伸破坏，进而导致层裂。裂隙扩展过程中不断解吸出来的游离瓦斯又加剧了层裂的发生和发展过程。又由于以下原因，煤在发生层裂后被进一步破碎到达到标志突出的破碎程度:动态支承压力对煤造成的剪切破坏，层裂裂隙发展过程中形成的断裂过程区使大范围的煤体受到损伤，孔、裂隙中游离瓦斯膨胀造成煤破碎，瓦斯高速渗流带出煤中的粉煤，碎煤抛出过程中因碰撞和摩擦造成进一步破碎。
　　3)基于突出发展阶段煤的破坏机理研究成果，对突出发展、暂停、再次激发和终止阶段的各种现象进行了解释。使突出暂停或终止的原因有两个:卸载波在传播过程中能量耗散殆尽，或因突出孔洞被堵塞而使孔洞壁受到足够的支撑作用。突出的再次激发是由于被堵塞的突出孔洞内瓦斯不断聚积，最终再次冲开孔洞口，在孔洞内产生向里传播的膨胀波，抛出其中的碎煤，并再次在孔洞壁上产生卸载波使其发生层裂破坏。此外，还分析了各种形状突出孔洞的形成原因以及与突出强度的关系，层裂片厚度的影响因素，突出过程中产生各种强度的振动信号的原因，突出煤堆积过程中产生分选性的原因。最后对已有的突出总过程流程图进行了修正。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 文献综述

1．2．1 突出机理研究现状

1．2．2 突出发展阶段煤的破坏机理研究现状

1．2．3 含瓦斯煤的物理力学性质研究现状

1．2．4 存在的问题

1．2．5 发展方向

1．3 主要研究内容

1．4 研究方法和技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

2 煤与瓦斯突出发展的基本规律

2．1 突出发展的基本过程

2．1．1 苏联顿巴斯煤田突出监测资料

2．1．2 苏联顿巴斯“红十月”矿突出事故

2．1．3 中梁山煤矿突出事故

2．1．4 海孜矿突出事故

2．1．5 突出的实验室物理模拟

2．1．6 其他突出事故

2．1．7 突出发展过程的规律总结

2．2 突出孔洞的基本特征

2．2．1 突出孔洞内的层裂特征

2．2．2 突出孔洞的基本形状

2．3 本章小结

3 煤与瓦斯突出激发后孔洞壁的力学状态

3．1 孔洞壁的地应力状态

3．1．1 突出激发前煤壁的应力状态

3．1．2 突出激发后孔洞壁的应力状态

3．2 突然卸载条件下应力的传播

3．2．1 应力波传播的基本概念

3．2．2 突然卸载时细长杆中卸载波的传播

3．3 孔洞壁的瓦斯压力状态

3．4 本章小结

4 突然卸载条件下瓦斯对煤的破坏

4．1 突然卸载时瓦斯对煤破坏的实验研究

4．1．1 实验模型及装置介绍

4．1．2 实验结果及分析

4．2 瓦斯对煤体的破坏机理

4．2．1 孔、裂隙周边应力分析

4．2．2 纯瓦斯压力下的孔、裂隙扩展机理

4．3 本章小结

5 煤与瓦斯突出发展过程的模拟实验

5．1 突出发展的力学模型

5．2 突出发展的物理模拟实验

5．2．1 突出发展物理模拟的实验装置

5．2．2 突出发展物理模拟的实验方案及结果

5．2．3 小开口的突出模拟实验

5．3 突出发展阶段层裂的数值模拟

5．3．1 突出发展层裂模拟的数值模型

5．3．2 突出发展层裂模拟结果

5．4 本章小结

6 煤与瓦斯突出发展阶段煤的破坏机理

6．1 突出发展阶段煤的层裂破坏机理

6．1．1 主要由地应力造成的层裂破坏

6．1．2 主要由瓦斯压力造成的层裂破坏

6．1．3 由地应力和瓦斯压力共同作用造成的层裂破坏

6．1．4 对层裂破坏的进一步讨论

6．2 突出发展阶段煤的粉化破坏机理

6．2．1 动态支承压力造成煤的剪切破坏

6．2．2 断裂过程区内煤体受到损伤

6．2．3 瓦斯造成孔、裂隙的扩展

6．2．4 瓦斯高速渗流对煤的破坏

6．2．5 碎煤抛出过程中因碰撞和摩擦造成进一步破碎

6．3 突出发展的过程描述

6．3．1 层裂破坏的基本过程

6．3．2 突出的暂停

6．3．3 突出的再次激发和终止

6．4 本章小结

7 对煤与瓦斯突出发展阶段一些现象的解释

7．1 各种形状突出孔洞的产生原因

7．2 突出强度的影响因素

7．3 层裂片厚度的影响因素

7．4 突出发展阶段振动信号产生的原因

7．5 突出煤堆积分选性的产生的原因

7．6 突出总过程描述

7．7 本章小结

8 结论和展望

8．1 主要研究成果

8．2 主要创新点

8．3 后续工作展望

参考文献

致谢

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