深部瓦斯煤层冲击地压孕育致灾机理研究

Effected by the engineering geological environmental with high in-situ stress, ground temperature and karst water pressure, both the frequency and intensity of coal rock dynamic disaster such as gas outburst and rockburst are increased significantly in deep mining. Considering the inoculation effect of gas release to rockburst, experiment research, theoretical analysis and numerical simulation will be used to study the following four aspects. Firstly, the bursting proneness of coal-rock mass under the influence of gas-bearing capacity. Secondly, the coupling model of “stress-damage-seepage” will be established, and the destructive mechanical behaviors of gassy coal under the coupling effect of in-situ stress, mining-induced stress and gas pressure will be studied. Thirdly, the rockburst physical simulation experimental system will be used to test the stress, strain, acoustic emission and infrared heating information, and then the failure characteristics of gassy coal rock mass under impact load will be studied.And finally, the mathematical model of rockburst occurrence in gassy coal will be established, and its impact instability criterion will be put forward, its occurred conditions and influence factors will be also analyzed. Based on those research, a kind of bursting proneness testing method and impact instability criterion of gassy coal will be put forward. All of these have important theoretical values to enrich and perfect rockburst hazard prevention theory and technology system.

煤炭资源进入深部开采后，受高地应力、高地温、高岩溶水压的工程地质环境影响，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害发生的频度和强度明显增加。本项目考虑深部瓦斯矿井瓦斯释放对冲击地压的孕育作用，运用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究瓦斯含量对煤体冲击倾向性的影响；建立瓦斯煤体“应力—损伤—渗流”耦合模型，研究其在地应力、采动应力、瓦斯压力耦合作用下破坏的力学行为；利用冲击地压物理模拟试验系统，获得含瓦斯煤岩体在冲击荷载作用下应力、应变、声发射、红外热效应信息，研究冲击载荷作用下瓦斯煤体破坏特性；建立瓦斯煤层冲击地压发生的数学模型，给出瓦斯煤层冲击失稳判据，分析含瓦斯煤层冲击地压发生条件及其影响因素。基于以上研究，本项目将提出一种瓦斯煤层冲击倾向性测试方法，提出瓦斯煤层发生冲击的判据，丰富瓦斯煤层冲击地压灾害防治理论，对完善我国冲击地压灾害防治理论与技术体系有重要的理论价值。

煤炭资源进入深部开采后，受高地应力、高地温、高岩溶水压的境影响，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害发生的频度和强度明显增加。本项目考虑深部煤炭资源开采过程中瓦斯对冲击地压的孕育作用，围绕瓦斯煤体冲击倾向性测试，瓦斯煤岩体在地应力、采动应力、瓦斯压力耦合作用下破坏的力学特征和瓦斯煤层冲击地压发生条件、判据及其影响因素等关键科学问题，运用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了瓦斯含量对煤体冲击倾向性的影响、多场应力耦合作用下瓦斯煤体破坏力学行为、冲击载荷作用下瓦斯煤体破坏特性以及瓦斯煤层冲击地压发生机理。发明了一种含瓦斯煤的冲击倾向性测试装置和方法，测试了含不同瓦斯压力煤的冲击倾向性，发现其冲击倾向性随着瓦斯压力的增加而减弱；提出一种瓦斯煤层冲击危险性改进型综合指数评价方法，为确定瓦斯煤层的冲击属性提供了方法；提出了瓦斯煤体“应力-损伤-渗流”耦合模型，运用数值模拟软件开展含瓦斯煤在气-固耦合作用下冲击特性研究，对多场应力耦合作用下瓦斯煤体破坏力学行为进行了深入分析，发现瓦斯的存在，弱化了煤体的强度，使煤体在破坏时所需要的能量降低。其中，游离瓦斯以体积力的形式作用于煤体，使有效应力降低，弱化了煤体强度；吸附瓦斯通过对煤体的非力学作用，使煤体表面自由能降低，弱化煤体强度。；展了含瓦斯煤的冲击载荷试验，得出瓦斯压力同样能够降低冲击载荷作用效果的结论；最后分析了瓦斯对煤体中应力、膨胀能的影响，提出含瓦斯煤层冲击失稳的能量判据。本项的研究，丰富瓦斯煤层冲击地压灾害防治理论，对完善我国冲击地压灾害防治理论与技术体系有重要的理论价值。项目研究成果新疆神华天电矿业有限公司、陕西长武亭南煤业有限公司得到应用，应用于解决富含水层下高瓦斯冲击地压煤层多灾害综合防控技术难题，为防治冲击地压与瓦斯突出、冲击地压与顶板突水等复合动力灾害提供了有力支撑，取得较好的安全、经济和社会效益。