掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出启动的力学机理研究

发布时间：2018-06-20 21:40

本文选题：煤与瓦斯突出 + 蝶形塑性区　；参考：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：煤与瓦斯突出是世界范围内煤矿矿井中最严重的灾害之一,由于其发生机理和相关基础理论尚不成熟,以至于这一重大灾害至今还不能科学预测、预防和高效治理,成为采矿、岩石力学等学科的国际性、世纪性难题。煤与瓦斯突出的力学本质是煤体局部突然破坏、致使其内部存储的巨大弹性能和瓦斯能在很短的时间内同时释放而发生的动力破坏现象,煤岩体不发生破坏就没有突出的发生,破坏的煤体内不存在瓦斯也同样不会有煤与瓦斯突出,这一点早已为人们所共识。一直以来,国内外学者围绕对突出现象的解释和突出发生规律的总结,讨论突出发生的原因、条件、能量来源及其发展过程等,取得了众多富有成效的成果。主要提出瓦斯主导作用假说、地应力主导作用假说、化学本质作用假说、综合作用假说等,大致能够回答是什么因素促使煤体突然破坏和瓦斯突然喷发等问题,基本可以对煤和瓦斯突出机理进行定性描述。本文借鉴巷道蝶型冲击地压理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出启动的力学机理猜想,通过采用理论分析和数值模拟的研究方法,对猜想的合理性进行了论证,并运用FLAC3D数值模拟软件对演马庄矿煤与瓦斯突出实例的启动诱因进行了分析,取得了如下主要结论和创新成果:(1)依据巷道蝶型冲击地压理论,构建了煤与瓦斯突出过程的分析模型。前态塑性区力学模型主要用于解释煤与瓦斯突出发生前一时刻的地应力场和煤岩体塑性区分布特征;蝶叶状塑性破坏突出体力学模型主要用于解释煤与瓦斯突出发生时的瞬态地应力场和煤岩体塑性区分布特征;触发事件概念模型主要包涵现场实际生产中引起巷道围岩应力场突然发生变化、同时能使煤岩体塑性破坏范围瞬时急剧扩展的扰动应力和地质弱化两类触发事件;突出动力现象概念模型主要用于解释煤与瓦斯突出发生过程中的动力效应特征。(2)提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出启动的力学机理,阐明了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出的物理力学过程。即在满足一定的必备条件时,由于触发事件的作用,煤层巷道前方煤岩体瞬时形成蝶叶形塑性破坏区,同时释放其内的瓦斯能和破坏区内、外煤岩体中的大量弹性能,巨大的能量促使破碎煤岩与瓦斯冲破突出孔洞颈部的阻力,并以震动、声响、煤岩体碎块抛射以及大量瓦斯气体快速涌出的形式释放出来。其中,“巷道前方煤岩体瞬时形成蝶叶形塑性破坏区”是煤与瓦斯突出形成的关键前提因素,也为煤与瓦斯突出提供了启动条件。(3)分析了掘进巷道围岩塑性区的一般形态特征及塑性区分布的主要影响因素。当掘进巷道位于三向均压的均匀应力场中时,巷道围岩塑性区整体分布均匀,在巷道断面内塑性区近似呈圆形分布,在掘进头位置的塑性区呈半球形分布。在非均匀应力场中,巷道断面内围岩的塑性区形态还会呈现出椭圆形和蝶形,但值得注意的是在掘进头的顶底角部位也会出现蝶叶塑性区,根据应力场的不同,掘进头位置的塑性区形态整体会呈现出半椭球形或蝶叶式半环形分布。主应力场的大小、方向和岩体强度对掘进巷道围岩塑性区的形态和范围都具有显著影响。当主应力场方向一定时,平行于巷道断面的主应力场大小对塑性区形态的影响最大,而沿巷道轴向的主应力场大小对塑性区形态的影响相对较小;在一定应力和围岩条件下,当巷道围岩存在蝶形塑性区时,蝶形塑性区的蝶叶会随着主应力场方向的变化而发生偏转,甚至消失,但无论主应力场方向如何变化,蝶叶塑性区始终分布在主应力场方向于巷道交汇处的角平分线附近区域。(4)发现了掘进巷道蝶形塑性区的基本特性。掘进巷道工作面前方的蝶叶塑性区与蝶型冲击地压发生时的蝶形塑性区的基本特性一致,即,掘进巷道工作面前方的蝶叶塑性区同样具有高度敏感性、无限扩展性和方向旋转性,当掘进工作面前方的煤岩体结构与强度出现变化时,蝶叶塑性区还具有形态变异性。高度敏感性说明了蝶叶塑性区会随着巷道区域应力场的改变出现剧烈变化,而非蝶形塑性区则不会出现剧烈变化;无限扩展性说明了蝶叶塑性区存在一个临界应力状态,使得在其附近塑性区范围能够达到无限扩展;方向旋转性说明了蝶叶塑性区的形态和范围会随着区域主应力场方向的旋转而发生变化;形态变异性说明了煤岩体的强度分布对蝶叶塑性区形态异化的影响。(5)提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出启动的必要条件和充分条件。掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出启动的必要条件包括:强度条件、应力条件、角度条件和触发事件等,可以简单总结为四点:“最大围压够大、最小围压够小、煤蝶方向一致、触发事件凑巧”,当四个必要条件同时满足时,又构成了煤与瓦斯突出启动的充分条件,也就是说,同时满足上述四个必要条件,在有一定瓦斯参与下必然出现煤与瓦斯突出,否则就不会有突出发生。(6)获得了影响煤与瓦斯突出启动的关键敏感因素,包括扰动应力和地质弱化两类触发事件。对于扰动应力触发事件而言,有时微小的扰动应力就能使掘进工作面前方的塑性区范围产生瞬时急剧扩展,并在瞬间形成一个聚集着巨大能量的开放“瓦斯包”;同样,对于地质弱化触发事件而言,有时掘进工作面前方煤岩体强度发生微小的减弱,就能使软弱区的煤岩体产生一个封闭式的塑性破坏区,由于封闭塑性区范围内煤岩体破坏产生的裂隙增多,吸附瓦斯逐渐大量解吸,而形成一个聚集着巨大能量的封闭“瓦斯包”,当随着工作面的继续推进或外部的微小扰动使封闭“瓦斯包”被打破而与工作面贯通时,其内储存的能量便会被快速释放,而形成煤与瓦斯突出。而在实际生产中,地质弱化触发事件可能会更多。(7)基于演马庄矿的工程背景和煤与瓦斯突出的实际案例,运用数值模拟计算软件分析了突出启动的诱因,重现了突出启动的物理过程。实例分析的结果表明,扰动应力和煤岩体强度变化对煤与瓦斯突出的启动具有直接的影响,扰动应力能否直接引起煤与瓦斯突出的启动主要取决于扰动应力作用前后巷道围岩的区域地应力状态和煤岩体强度。
[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 .
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD713.1

【参考文献】