煤体应变局部化及其对煤与瓦斯突出作用的细观机理

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煤与瓦斯突出事故严重威胁井下安全,绝大多数的突出事故发于构造煤层内的采掘过程中。由于原煤和构造煤自身性质不同,其在加载过程中的应变局部化现象存在差异,导致二者失稳破坏形式各异,对于煤与瓦斯突出有不同的作用意义。构造煤层在煤厚变化带区域容易发育出构造程度更高的软分层,复合煤层掘进过程中软分层内应变局部化现象的出现会增加灾害发生的可能性。在开展原生煤及构造煤的室内加载试验基础上,通过离散元软件构建柔性边界双轴加载模型,研究两种煤样产生不同应变局部化类型的细观机理,并构建数值模型研究煤厚变化带及软分层的存在对掘进过程中发生突出灾害的危险性影响。得出主要结论如下:(1)原煤的内聚力及摩擦角为2.234MPa、41.67°,构造煤的内聚力及摩擦角为0.752MPa、35.44°。强烈的地质构造作用使构造煤力学强度远低于原生煤,且同等加载条件下发生失稳时具有更高的变形值。(2)颗粒运动产生的空隙演化规律、力链演化机制及能量的转化与耗散机制决定了产生不同局部化带的类型,宏观响应与细观特性演化有很强的对应关系。颗粒的平动及转动使颗粒体系内的力链演化,产生空隙区域,压实过程储存在力链及颗粒上的的弹性能释放转化为摩擦及阻尼能耗散。在原煤声发射事件的集中时刻,胶结能和应变能突然释放,对应着应力跌落且出现完全的失稳,其应变局部化现象十分集中;构造煤样黏结强度低,呈现出较为缓慢的失稳破坏特性,其峰前积聚弹性能更高、失稳范围更大。(3)采掘扰动作用下工作面前方应力偏转使得煤体在小范围失稳后出现应力集中。地应力的作用下力学强度低的软分层为应变集中区,内部弹性能富集。掘进工作面进入局部的煤层变厚或软分层区域时,上述扰动机制作用于特殊构造区域容易诱导其内部积聚的高弹性能释放,前方较远范围的煤体在瞬间发生失稳,是此类构造区域易发突出事故的原因。(4)突出事故的孕育首先依赖于失稳破坏的煤体,构造煤层较低的力学强度决定了其高突危险性;煤体的弹性能释放主要用于煤体破碎,而瓦斯膨胀能转化为煤体搬运功,决定突出事故的发展程度。在开展采掘活动前应首先探明矿区内部地质构造,在识别出的高突危险区内采取冲孔造穴等卸压措施的基础上实现瓦斯高效抽采,从抑制突出事故的两个能量源上降低突出危险,措施效果检验达标后方可开展采掘作业。本篇论文共有图70幅,表12个,参考文献101篇。
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