【摘要】：隨著煤炭開采深度的增加,煤炭開采環(huán)境將持續(xù)惡化,所面臨的地質構造、應力、瓦斯等條件更加復雜,使得煤與瓦斯突出災害愈發(fā)嚴重。國內外大量文獻表明,地質構造與突出存在著密切關系,而這些地質構造區(qū)域通常分布著大量的松散破碎的構造煤。本文運用巖石力學、斷裂力學、土力學、流體力學和吸附理論等相關知識,采用分離變量、線性規(guī)劃等數(shù)學方法,研究地質構造對煤的物理結構改造及煤的物理結構對其微觀孔隙特征、瓦斯賦存/釋放能力和力學破壞行為的影響,綜合論證構造煤與突出的關系。然后,基于構造煤的物理結構特征,通過制備的相似實驗材料開展煤與瓦斯突出相似模擬試驗,并針對突出煤體層裂破壞方式,研究煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機制。得到的主要結論如下:1)構造煤是一種由于地質構造活動而產(chǎn)生的伴生產(chǎn)物,它是一種由散體煤膠結而成重構煤,這種煤以構造裂隙發(fā)育為主,節(jié)理不清或者節(jié)理失去意義。受構造煤的物理結構影響,構造煤具有低強度、弱粘結力的特性。構造煤在峰前經(jīng)歷較長的彈性變形和屈服變形,峰后的宏觀破壞上則表現(xiàn)出損傷擴容的特征。構造煤的低強度特性和損傷擴容特征使其極易被再次粉化,同時構造煤的這種宏觀破壞特征導致實驗室測定構造煤在破壞后的滲透率增長倍數(shù)遠低于原生煤。2)利用不同粒徑煤樣的孔隙測試結果反演的構造煤形成過程中經(jīng)歷的破壞/粉化作用對其微觀孔隙的改造表明,破壞/粉化作用首先將對煤中的小孔及以上的孔改造,這些孔隙隨著粉化程度的增大呈增加趨勢;當煤體粒徑粉化至0.074mm以下時,微孔空間同樣會受到影響,造成煤體微孔、小孔及中孔等孔隙的孔容和比表面積均出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象。受構造煤的物理結構影響,構造煤的微觀孔隙更為發(fā)育,其微孔、小孔、中孔和大孔的孔容和比表面積均高于原生煤,但兩種煤微觀孔隙的差異主要體現(xiàn)在小孔、中孔和大孔。3)構造煤的微觀孔隙特征決定了其瓦斯賦存和流動能力。至于瓦斯解吸特性,構造煤具有極快的初始瓦斯解吸能力,其可在較短時間內將吸附瓦斯釋放出來,導致解吸速度快速衰減,并在120min內解吸量基本達到飽和狀態(tài)。破壞/粉化作用會導致煤樣的初始瓦斯解吸速度加快,當煤樣粉化至0.5mm以下時,其初始瓦斯解吸速度隨著粒徑減小開始快速增大,尤其是粒徑小于0.074mm時會出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象。4)綜合地質構造與突出的關系、地質構造對煤的物理結構改造、構造煤的物理結構與其力學破壞行為、微觀孔隙特征和突出瓦斯釋放能力等的內在聯(lián)系及對突出危險性的控制作用,并在評估目前應力狀態(tài)原生煤發(fā)生突出的可能性及分析構造煤在突出中的作用基礎上,論證構造煤是突出發(fā)生的關鍵因素。5)基于構造煤的物理結構,通過制備的相似實驗材料,展開的突出模擬試驗表明,均質煤層條件,突出是連續(xù)發(fā)展的,孔洞呈半球形或半錐形;孔洞后方煤體以球殼型層裂形式破壞,這些層裂層層排列,厚度呈現(xiàn)隨著與突出孔洞距離增加而變厚的趨勢。各試驗層裂的平均厚度隨著瓦斯壓力的增大而降低,而應力的增加及煤體強度的降低會導致層裂區(qū)寬度的增大及層裂厚度的降低。然而,非均質條件下,軟煤區(qū)的存在改變了突出能量和突出耗能的分布,軟煤區(qū)屬于低突出耗能區(qū)。軟煤區(qū)對突出具有導向作用,區(qū)域的封閉條件一旦被破壞,突出將率先在軟煤區(qū)內發(fā)展,導致臨界瓦斯壓力閾值的降低。當突出發(fā)展到異常區(qū)邊緣,若剩余的突出能量足以支撐周圍煤體發(fā)生突出,突出將向周圍煤體發(fā)展。6)突出煤的層裂破壞是建立在構造煤的物理結構基礎上,層裂是應力、瓦斯及煤的綜合作用結果,層裂的過程與應力轉移、煤的滲透率演化、瓦斯流動及強度變化等有關。層裂發(fā)生的力學原因是暴露面附近高瓦斯壓力梯度造成煤體的拉伸破壞,其力學條件是暴露面附近瓦斯壓力差足以克服煤體的抗拉強度�；趯恿哑茐牡乃枷�,認為突出是在應力、瓦斯和煤的綜合作用下以層裂形式逐層發(fā)展的,并提出煤與與瓦斯突出層裂發(fā)展機制�；趯恿寻l(fā)展機制,描述突出階段和分析典型突出案例。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD713
【圖文】：

從不同的研究角度提出眾多的突出假說。然而，由于突至今各種突出假說并沒有形成統(tǒng)一的認識。這些突出假說整地解釋突出的發(fā)生和發(fā)展機理。來，眾多的突出假說可再細化分為四類[4,17]。分別為“以以地應力主導的假說”、“化學本質說”和“綜合作用假“以瓦斯為主導的假說”認為高壓瓦斯是突出發(fā)生的主要說、瓦斯粉煤說、突出波說、煤孔隙結構哦不均勻說、、卸壓瓦斯說、地質破壞帶說和瓦斯解吸說等。應力主導的假說”，認為高地應力是突出發(fā)生的主要原因壞和破碎的主要動力和能量來源。該類假說主要包括巖石、剪切應力說、塑性變形說、振動波動說、沖擊式移近說加說、放炮突出說和頂板位移不均勻說等。本質說”，認為突出是煤體中發(fā)生強烈化學反應的結果，瓦斯水化物說、爆炸的煤說、地球化學說和硝基化合物實際的煤層中并未發(fā)現(xiàn)相關針對化學本質說的有效證據(jù)

15圖 1-2 研究思路與技術路線Figure 1-2 Research ideas and technical route本課題所運用的研究思路和技術路線如圖 1-2 所示。本文首先分析了構造煤的物理物理結構及其地質成因，研究了構造煤的物理結構對其微觀孔隙特征、瓦斯賦存/釋放能力和力學破壞行為的影響及其相互聯(lián)系。然后，結合煤的物理結構對突出的控制作用，并從能量角度評估目前應力狀態(tài)原生煤發(fā)生突出的可能性及分析構造煤在突出中的作用，綜合論證構造煤與突出的關系。最后，基于構造煤的物理結構特征，通過制備的相似實驗材料開展煤與瓦斯突出相似模擬試驗，并針對突出煤體層裂破壞方式，研究煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機制。本次的研究所獲得的煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機制將應用于描述突出階段和分析典型突出案例，研究成果將進一步深化對煤與瓦斯突出的認識。

圖 2-1 古漢山煤礦 21煤層原生煤和構造煤的宏觀形態(tài)Figure 2-1 Macroscopic forms of intact coal and tectonic coal for the 21coal seam in theGuhanshan coal mine（a）原生煤；（b）構造煤(a) Intact coal; (b) Tectonic coal采用掃描電子顯微鏡（SEM）對上述構造煤和原生煤的微觀幾何形態(tài)進行觀察，圖 2-2 顯示了不同比例尺度下構造煤和原生煤的表面形態(tài)。電鏡掃描試驗表明構造煤的表面形態(tài)比較復雜，裂隙發(fā)育、相互貫通，煤基質尺度較小并呈現(xiàn)堆積狀；而原生煤表面比較平整，裂隙不發(fā)育，煤基質尺度較大并相對完整，偶有斷面且斷面平整、棱角分明。

【參考文獻】

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本文編號：2758854