【摘 要】
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随着煤炭开采深度的增加,矿井地质条件与生产技术条件会愈发复杂,在高地应力、高瓦斯压力以及强开采扰动条件下,冲击地压所诱发的煤与瓦斯突出等复合灾害也会呈加剧态势,这使矿井灾害的预测与防治难度逐渐加大。冲击+瓦斯复合灾害发生的重要过程主要为含瓦斯煤体在动载作用下的破坏与瓦斯运移,因此,开展冲击动载下含瓦斯煤体破裂机制研究是揭示该类型复合灾害的重要基础工作。本文主要将研究重点集中在冲击动载下含瓦斯煤体的
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（51974302）；
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随着煤炭开采深度的增加,矿井地质条件与生产技术条件会愈发复杂,在高地应力、高瓦斯压力以及强开采扰动条件下,冲击地压所诱发的煤与瓦斯突出等复合灾害也会呈加剧态势,这使矿井灾害的预测与防治难度逐渐加大。冲击+瓦斯复合灾害发生的重要过程主要为含瓦斯煤体在动载作用下的破坏与瓦斯运移,因此,开展冲击动载下含瓦斯煤体破裂机制研究是揭示该类型复合灾害的重要基础工作。本文主要将研究重点集中在冲击动载下含瓦斯煤体的力学特征以及瓦斯渗流规律上,以多物理场耦合模拟软件COMSOL为主,配合理论分析、实验室试验等手段,揭示了冲击动载作用下含瓦斯煤体的破裂机制。主要研究如下:（1）基于Terzaghi有效应力原理、瓦斯渗流理论,以含瓦斯煤体孔隙率、渗透率演化方程为基础,构建了含瓦斯煤体变形场控制方程和瓦斯运移模型,揭示了含瓦斯煤体的变形破坏机制。（2）对张双楼煤矿9煤进行了单轴压缩试验,得到了煤样的宏观力学参数;通过数值模拟研究了单轴压缩条件下煤体的应力变化及塑性区分布,并通过对比试验结果,验证了模拟参数的可行性。（3）采用岩石高温多场耦合三轴仪试验装置,开展了煤体的全应力-应变渗流试验,揭示了煤体在变形破坏过程中的渗透率变化规律。在渗流试验的基础上,配合COMSOL开展了含瓦斯煤体的渗透性规律模拟研究,结果表明:不同应力条件下含瓦斯煤体的渗透率-应变关系变化趋势类似,都呈现先减小后增加的趋势。（4）通过一维动静组合加载下含瓦斯煤体破裂特性模拟研究,分析了不同轴向静载及不同动载幅值下含瓦斯煤体的破坏特征。结果表明:在冲击载荷作用下,随着预加轴向静载的增加,煤体动态抗压强度会逐渐减小,煤体内部瓦斯压力释放区会逐渐向煤体内部扩散;在轴向静载恒定时,随着动载幅值的增加,煤体内部应力会逐渐加大,瓦斯渗流也会更加明显。（5）开展了三维动静组合加载下含瓦斯煤体破裂特性模拟研究,分析了不同围压、不同动载幅值以及不同瓦斯压力下的含瓦斯煤体破坏特征。结果表明:在其他条件恒定的情况下,动载幅值的增加会使煤体动态抗压强度随之增加;随着围压的增加,煤体塑性区呈现先缩小后损伤加重的现象;随着瓦斯压力的逐渐增加,煤体应力会逐渐降低,并且瓦斯逐渐向煤体内部扩散。通过模拟揭示了三维动静组合加载下含瓦斯煤体应力场及瓦斯渗流场的演化规律。该论文有图80幅,表17个,参考文献82篇。
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