本文選題：煤與瓦斯突出 + 蝶形塑性區(qū)��； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：煤與瓦斯突出是世界范圍內(nèi)煤礦礦井中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一,由于其發(fā)生機(jī)理和相關(guān)基礎(chǔ)理論尚不成熟,以至于這一重大災(zāi)害至今還不能科學(xué)預(yù)測、預(yù)防和高效治理,成為采礦、巖石力學(xué)等學(xué)科的國際性、世紀(jì)性難題。煤與瓦斯突出的力學(xué)本質(zhì)是煤體局部突然破壞、致使其內(nèi)部存儲的巨大彈性能和瓦斯能在很短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)釋放而發(fā)生的動(dòng)力破壞現(xiàn)象,煤巖體不發(fā)生破壞就沒有突出的發(fā)生,破壞的煤體內(nèi)不存在瓦斯也同樣不會(huì)有煤與瓦斯突出,這一點(diǎn)早已為人們所共識。一直以來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞對突出現(xiàn)象的解釋和突出發(fā)生規(guī)律的總結(jié),討論突出發(fā)生的原因、條件、能量來源及其發(fā)展過程等,取得了眾多富有成效的成果。主要提出瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說、化學(xué)本質(zhì)作用假說、綜合作用假說等,大致能夠回答是什么因素促使煤體突然破壞和瓦斯突然噴發(fā)等問題,基本可以對煤和瓦斯突出機(jī)理進(jìn)行定性描述。本文借鑒巷道蝶型沖擊地壓理論,提出了掘進(jìn)巷道蝶型煤與瓦斯突出啟動(dòng)的力學(xué)機(jī)理猜想,通過采用理論分析和數(shù)值模擬的研究方法,對猜想的合理性進(jìn)行了論證,并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對演馬莊礦煤與瓦斯突出實(shí)例的啟動(dòng)誘因進(jìn)行了分析,取得了如下主要結(jié)論和創(chuàng)新成果:(1)依據(jù)巷道蝶型沖擊地壓理論,構(gòu)建了煤與瓦斯突出過程的分析模型。前態(tài)塑性區(qū)力學(xué)模型主要用于解釋煤與瓦斯突出發(fā)生前一時(shí)刻的地應(yīng)力場和煤巖體塑性區(qū)分布特征;蝶葉狀塑性破壞突出體力學(xué)模型主要用于解釋煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí)的瞬態(tài)地應(yīng)力場和煤巖體塑性區(qū)分布特征;觸發(fā)事件概念模型主要包涵現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中引起巷道圍巖應(yīng)力場突然發(fā)生變化、同時(shí)能使煤巖體塑性破壞范圍瞬時(shí)急劇擴(kuò)展的擾動(dòng)應(yīng)力和地質(zhì)弱化兩類觸發(fā)事件;突出動(dòng)力現(xiàn)象概念模型主要用于解釋煤與瓦斯突出發(fā)生過程中的動(dòng)力效應(yīng)特征。(2)提出了掘進(jìn)巷道蝶型煤與瓦斯突出啟動(dòng)的力學(xué)機(jī)理,闡明了掘進(jìn)巷道蝶型煤與瓦斯突出的物理力學(xué)過程。即在滿足一定的必備條件時(shí),由于觸發(fā)事件的作用,煤層巷道前方煤巖體瞬時(shí)形成蝶葉形塑性破壞區(qū),同時(shí)釋放其內(nèi)的瓦斯能和破壞區(qū)內(nèi)、外煤巖體中的大量彈性能,巨大的能量促使破碎煤巖與瓦斯沖破突出孔洞頸部的阻力,并以震動(dòng)、聲響、煤巖體碎塊拋射以及大量瓦斯氣體快速涌出的形式釋放出來。其中,“巷道前方煤巖體瞬時(shí)形成蝶葉形塑性破壞區(qū)”是煤與瓦斯突出形成的關(guān)鍵前提因素,也為煤與瓦斯突出提供了啟動(dòng)條件。(3)分析了掘進(jìn)巷道圍巖塑性區(qū)的一般形態(tài)特征及塑性區(qū)分布的主要影響因素。當(dāng)掘進(jìn)巷道位于三向均壓的均勻應(yīng)力場中時(shí),巷道圍巖塑性區(qū)整體分布均勻,在巷道斷面內(nèi)塑性區(qū)近似呈圓形分布,在掘進(jìn)頭位置的塑性區(qū)呈半球形分布。在非均勻應(yīng)力場中,巷道斷面內(nèi)圍巖的塑性區(qū)形態(tài)還會(huì)呈現(xiàn)出橢圓形和蝶形,但值得注意的是在掘進(jìn)頭的頂?shù)捉遣课灰矔?huì)出現(xiàn)蝶葉塑性區(qū),根據(jù)應(yīng)力場的不同,掘進(jìn)頭位置的塑性區(qū)形態(tài)整體會(huì)呈現(xiàn)出半橢球形或蝶葉式半環(huán)形分布。主應(yīng)力場的大小、方向和巖體強(qiáng)度對掘進(jìn)巷道圍巖塑性區(qū)的形態(tài)和范圍都具有顯著影響。當(dāng)主應(yīng)力場方向一定時(shí),平行于巷道斷面的主應(yīng)力場大小對塑性區(qū)形態(tài)的影響最大,而沿巷道軸向的主應(yīng)力場大小對塑性區(qū)形態(tài)的影響相對較小;在一定應(yīng)力和圍巖條件下,當(dāng)巷道圍巖存在蝶形塑性區(qū)時(shí),蝶形塑性區(qū)的蝶葉會(huì)隨著主應(yīng)力場方向的變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn),甚至消失,但無論主應(yīng)力場方向如何變化,蝶葉塑性區(qū)始終分布在主應(yīng)力場方向于巷道交匯處的角平分線附近區(qū)域。(4)發(fā)現(xiàn)了掘進(jìn)巷道蝶形塑性區(qū)的基本特性。掘進(jìn)巷道工作面前方的蝶葉塑性區(qū)與蝶型沖擊地壓發(fā)生時(shí)的蝶形塑性區(qū)的基本特性一致,即,掘進(jìn)巷道工作面前方的蝶葉塑性區(qū)同樣具有高度敏感性、無限擴(kuò)展性和方向旋轉(zhuǎn)性,當(dāng)掘進(jìn)工作面前方的煤巖體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度出現(xiàn)變化時(shí),蝶葉塑性區(qū)還具有形態(tài)變異性。高度敏感性說明了蝶葉塑性區(qū)會(huì)隨著巷道區(qū)域應(yīng)力場的改變出現(xiàn)劇烈變化,而非蝶形塑性區(qū)則不會(huì)出現(xiàn)劇烈變化;無限擴(kuò)展性說明了蝶葉塑性區(qū)存在一個(gè)臨界應(yīng)力狀態(tài),使得在其附近塑性區(qū)范圍能夠達(dá)到無限擴(kuò)展;方向旋轉(zhuǎn)性說明了蝶葉塑性區(qū)的形態(tài)和范圍會(huì)隨著區(qū)域主應(yīng)力場方向的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化;形態(tài)變異性說明了煤巖體的強(qiáng)度分布對蝶葉塑性區(qū)形態(tài)異化的影響。(5)提出了掘進(jìn)巷道蝶型煤與瓦斯突出啟動(dòng)的必要條件和充分條件。掘進(jìn)巷道蝶型煤與瓦斯突出啟動(dòng)的必要條件包括:強(qiáng)度條件、應(yīng)力條件、角度條件和觸發(fā)事件等,可以簡單總結(jié)為四點(diǎn):“最大圍壓夠大、最小圍壓夠小、煤蝶方向一致、觸發(fā)事件湊巧”,當(dāng)四個(gè)必要條件同時(shí)滿足時(shí),又構(gòu)成了煤與瓦斯突出啟動(dòng)的充分條件,也就是說,同時(shí)滿足上述四個(gè)必要條件,在有一定瓦斯參與下必然出現(xiàn)煤與瓦斯突出,否則就不會(huì)有突出發(fā)生。(6)獲得了影響煤與瓦斯突出啟動(dòng)的關(guān)鍵敏感因素,包括擾動(dòng)應(yīng)力和地質(zhì)弱化兩類觸發(fā)事件。對于擾動(dòng)應(yīng)力觸發(fā)事件而言,有時(shí)微小的擾動(dòng)應(yīng)力就能使掘進(jìn)工作面前方的塑性區(qū)范圍產(chǎn)生瞬時(shí)急劇擴(kuò)展,并在瞬間形成一個(gè)聚集著巨大能量的開放“瓦斯包”;同樣,對于地質(zhì)弱化觸發(fā)事件而言,有時(shí)掘進(jìn)工作面前方煤巖體強(qiáng)度發(fā)生微小的減弱,就能使軟弱區(qū)的煤巖體產(chǎn)生一個(gè)封閉式的塑性破壞區(qū),由于封閉塑性區(qū)范圍內(nèi)煤巖體破壞產(chǎn)生的裂隙增多,吸附瓦斯逐漸大量解吸,而形成一個(gè)聚集著巨大能量的封閉“瓦斯包”,當(dāng)隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)或外部的微小擾動(dòng)使封閉“瓦斯包”被打破而與工作面貫通時(shí),其內(nèi)儲存的能量便會(huì)被快速釋放,而形成煤與瓦斯突出。而在實(shí)際生產(chǎn)中,地質(zhì)弱化觸發(fā)事件可能會(huì)更多。(7)基于演馬莊礦的工程背景和煤與瓦斯突出的實(shí)際案例,運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算軟件分析了突出啟動(dòng)的誘因,重現(xiàn)了突出啟動(dòng)的物理過程。實(shí)例分析的結(jié)果表明,擾動(dòng)應(yīng)力和煤巖體強(qiáng)度變化對煤與瓦斯突出的啟動(dòng)具有直接的影響,擾動(dòng)應(yīng)力能否直接引起煤與瓦斯突出的啟動(dòng)主要取決于擾動(dòng)應(yīng)力作用前后巷道圍巖的區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)和煤巖體強(qiáng)度。
[Abstract]:Coal and gas outburst is one of the most serious disasters in coal mine in the world . Due to the fact that the mechanism of coal and gas outburst is not mature enough , the mechanical mechanism of coal and gas outburst is discussed . In the non - uniform stress field , the shape of the plastic zone of the surrounding rock of the tunnel is uniform , and the shape of the plastic zone in the tunnel section is relatively small . In the case of geological weakening triggering event , it is possible to produce a closed plastic failure zone for coal and gas outburst , and to form a closed " gas pack " with great energy .
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD713.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2045761