动态扰动诱发含瓦斯煤体失稳破坏机理研究

Dynamic disturbance such as blasting, mining earthquake, roof activities etc. is the key factor to induced gassy coal failure so far as to cause of coal and gas outburst disasters. This project is aimed at investigating the mechanism of coal or rock failure under high stress and high gas pressure triggered by dynamic loading. Firstly, the propagation law of stress wave in gassy coal will be investigated and to clear the influence law of absorbed gas to the propagation character in coal. Secondly, test of dynamic mechanical property for gassy coal will be hold, to test the variation of mechanical factor influenced by high pressure gas. Thirdly, the test of gas instant desorption disturbed by dynamic loading, to know well the influence of gas desorption and sorption by dynamic loading and judge the coal instability effect by dynamic loading and gas instant-desorption. Fourthly, the simulation tests of coal and gas outburst disaster(both one-dimensional and two dimensional) were conducted, and monitor the multi parameter information during the whole process of coal-gas outburst. Finally, the test of site engineering, monitoring the microseismic signal, surrounding rock stress and gas parameters will be monitored during the mining, and revealed the law of surrounding rock stress and gas seepage field, evolution of energy accumulation and catastrophe mechanism of multi factors coupling. The target of this project is provided new theoretical basis for coal-gas dynamic disaster in deep coal mine.

爆破、矿震、顶板活动等动态扰动是诱发含瓦斯煤体失稳破坏甚至造成煤与瓦斯突出等动力灾害的关键因素。以动态扰动触发深部高应力、高瓦斯作用下的煤体失稳破坏机理为研究目标，进行应力波在含瓦斯煤体中的传播规律研究，明确吸附瓦斯对煤体应力波传播特征的影响规律；开展含瓦斯煤样的动态力学性能实验，测试煤样在瓦斯作用下动态力学参数的变化；进行动态扰动作用下的煤体瓦斯瞬间解吸特征实验，探寻动态扰动对瓦斯解吸、吸附状态的影响，并判断动态扰动-瓦斯解吸两者共同作用对煤体稳定性的影响；利用自行研制的实验装置，开展煤与瓦斯突出等动力灾害的一维和二维模拟实验，测试动力灾害发生全过程的多参数信息，探索其发生规律，建立力学模型；最后进行工程试验，监测现场的微震信号、围岩应力和瓦斯参数，揭示开挖过程中围岩应力场-瓦斯渗流场的变化规律，能量积聚的时空演化以及多因素耦合灾变机理。为深部煤岩瓦斯动力灾害的防治提供新的理论依据。

随着我国煤矿开采深度增加，煤矿动力灾害对矿井安全生产的影响更加严重，而含瓦斯煤的动态破坏是造成重大人员伤亡的重要原因。煤矿井下条件复杂多变，爆破、矿震、顶板活动等动态扰动都有可能诱发含瓦斯煤体的失稳破坏造成灾害。本项目以动态扰动触发深部高应力、高瓦斯作用下的煤体失稳破坏机理为研究目标，自行研制了含瓦斯煤纵波测试装置、含瓦斯煤动态破坏模拟实验装置，进行了应力波在含瓦斯煤体中传播规律的实验研究、不同应力状态及含水状态下煤样的渗透性变化规律实验研究、煤样动态破坏力学性能实验研究、含瓦斯煤动态破坏模拟实验及数值计算研究、高瓦斯煤矿现场微震活动与矿压规律研究，得到了以下主要成果：吸附瓦斯对应力波在煤体中的传播影响不大，但煤样吸附瓦斯后完全解吸出来的速度很慢，要想提高现场煤层瓦斯抽采效率，人为提高煤层温度可能是较有为较的方法之一；随着饱水时间的增加煤样静态强度，静弹性模量，动态强度都呈现降低趋势，但动弹性模量升高；得到了含瓦斯煤岩的孔隙率及有效应力的动态演化方程，提出了含瓦斯煤岩的变形受到地应力、孔隙压力和吸附膨胀应力变形机制的综合作用关系；通过一系列的含瓦斯煤动态破坏模拟实验，认为各因素对突出强度影响程度的重要性排序为：瓦斯压力对突出强度的影响最为显著，煤体强度的影响次之，地应力的贡献最小；提出了煤层“理想条件”下突出的定义，认为“理想条件”下能否发生突出是判断煤层潜在突出危险的依据，以煤体强度为指标分组，对“理想条件”下突出发生的应力、瓦斯压力关系进行了详细研究，得到了不同强度煤体突出的应力-瓦斯压力关系拟合曲线。项目组发表相关学术论文14篇（SCI收录1篇，EI收录8篇），出版学术专著1部，申请发明专利5项（其中授权3项），获省部级科技进步二等奖1项，培养毕业生4名（博士1名，硕士3名），举办国际学术会议1次，参加国际学术会议4次，完成了项目预期的研究目标和任务。