目前,我国煤矿开采逐渐进入深部开采模式,在实际井下开采过程中常会遇到不同层理结构煤层,由于煤层层理结构的差异性,导致煤层的变形破坏特征及瓦斯流动规律存在显著差异,严重影响着矿井各种煤岩动力灾害的发生。然而,目前关于结构异性煤体损伤演化特征及瓦斯流动规律的系统研究仍较为缺乏,亟待进一步研究与完善。因此,开展结构异性煤体损伤演化特征及瓦斯流动规律的研究,对深刻理解结构异性煤体力学变形破坏损伤特性,掌握瓦斯流动规律,提高瓦斯抽采效率具有实际价值,同时为揭示煤层各类动力灾害的机制与有效的进行灾害防治提供理论支撑与科学依据。本文在对国内外关于结构异性煤体研究成果综合分析的基础上,对具有明显层理结构煤体分别按0。、30。、45。、60。、90。等5个不同层理倾角进行了原煤试样制取;首先,通过采用压力加载系统、应变采集系统及声发射采集系统对单轴加载条加下各层理倾角割缝前后煤体损伤过程进行动态监测,较全面的研究了结构异性煤体强度、变形特性与声发射特性,对比分析了割缝前后结构异性煤体强度特性、变形特性与声发射特性的差异;其次,通过建立0。、30。、45。、60。、90。、120。、135。、150。等8种不同层理倾角煤体数值实验模型,表明了传统未考虑煤体层理结构的数值模型的缺陷,较好的验证与完善了结构异性煤体物理实验结果;最后,通过结构异性含瓦斯煤层多场耦合理论模型与几何模型的建立与求解,揭示了区别于传统各向同性的煤层瓦斯各向异性分布特征,研究了煤层钻孔周围渗透率及瓦斯压力的时空演化规律,为解决工程实际问题提供重要依据。主要的研究成果有以下几个方面:(1)开展了结构异性煤体力学特性的物理与数值实验研究,分析其力学特性随层理倾角的变化规律。结果表明:层理结构异性煤体的力学特性存在明显的各项异性特征,表现为煤体抗压强度与弹性模量均随层理倾角的增加呈现先减小而后增大的变化规律,抗压强度极大值与极小值分别出现在层理倾角0。、70。(完整煤体)左右,0。、73。(含孔煤体)左右,弹性模量极大值与极小值分别出现在层理倾角0。、55。(完整煤体)左右,0。、65。(含孔煤体)左右;割缝后煤体的强度明显弱化,且强度弱化的幅度受煤体层理结构的影响,随层理倾角的增加,煤体强度弱化的幅度先减小而后增加。(2)开展了结构异性煤体声发射特性的物理实验与数值实验研究,分析其声发射活动的差异性。结果表明,结构异性煤体声发射特性存在差异性,随着层理倾角的增加,煤体声发射活动“发展期”的持续时间先减少后逐渐增多,但“发展期”声发射活动却逐渐频繁;且随层理倾角的增加,在声发射“活跃期”煤体声发射峰值突变性逐渐减弱,最大声发射强度的滞后效应先增强而后减弱,且在一定程度上,由于外在因素对声发射信号采集的干扰得以避免,故数值实验的声发射结果的表征性要优于物理实验。(3)关于结构异性煤体损伤演化的物理实验与数值实验结果具有较好的一致性,实现了物理实验与数值实验的相互验证;而传统未考虑煤体层理结构的数值模型在表征煤体强度及变形特性方面存在较大缺陷。(4)通过结构异性煤体损伤演化数值实验,从微观角度补充阐述了不同层理倾角煤体损伤裂纹扩展过程及差异性。结果表明,不同层理倾角煤体微观裂纹扩展曲线随存在差异性,但均大致呈“缓-急-缓”的“S”曲线发展,且煤体破坏均以张拉应力为主应力造成的张拉型破坏为主;其次,割缝后不同层理倾角煤体损伤裂纹总数均出现不同程度减小,说明割缝后煤体损伤破坏剧烈程度明显减小。(5)开展了结构异性的含瓦斯煤层多场耦合模型研究,分析了钻孔周围瓦斯流动规律。结果表明,区别与传统的数学模型结论,煤层瓦斯抽采钻孔周围瓦斯压力与渗透率具有明显各向异性,分别呈竖“8”字形与横“8”字形分布,且随时间推移,瓦斯压力竖“8”字形分布逐渐向内收缩,渗透率横“8”字形分布则有向外扩张趋势,而随距抽采钻孔距离的增加,二者变化趋势则恰恰相反。