岩浆岩床下伏含瓦斯煤体损伤渗透演化特性及致灾机制研究

发布时间：2017-05-27 07:00

  本文关键词：岩浆岩床下伏含瓦斯煤体损伤渗透演化特性及致灾机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤岩瓦斯动力灾变包括煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出、冲击地压、顶板来压等灾害,其实质就是含瓦斯煤岩体损伤破坏后的失稳动力现象。生产实践表明,对于某些覆岩中存在坚硬岩浆岩床的采场,煤岩瓦斯动力灾变尤为严重。本文以岩浆岩床下伏10煤层瓦斯动力灾变严重的淮北杨柳煤矿为工程背景,以“岩浆岩床-含瓦斯煤”系统为研究对象,通过理论分析、实验室试验、数值模拟等手段,分别从热作用和力作用角度开展了岩浆热事件对下伏煤层瓦斯赋存的控制作用、坚硬顶板岩层结构失稳模型及冲击力能效应、加卸载条件下含瓦斯煤损伤-渗透演化机制、岩浆岩床结构失稳诱发煤岩瓦斯动力灾变机制等研究,并取得了一定的创新成果。本文的主要研究结论如下:(1)开展了岩浆热演化煤体的物性特征实验,分析了岩浆热事件对下伏煤层瓦斯赋存的控制作用,发现岩浆侵入时的热演化作用提高了煤的变质程度,促进了煤体的二次生烃,并提高了煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯扩散速度;顶板岩浆岩床和环形岩墙的圈闭作用阻止了煤层次生瓦斯的逸散;岩浆侵入的推挤作用对地层产生附加构造应力,造成煤体物理结构破坏。因此,岩浆岩覆盖区域煤体的煤岩瓦斯动力灾变倾向性远大于未受岩浆侵入影响的煤体,松软煤体和富集瓦斯为煤岩瓦斯动力灾变奠定了物质基础。(2)分析了坚硬顶板岩层的应力分布特征和失稳破断规律,构建了坚硬顶板岩层结构见方失稳模型,认为坚硬顶板岩层在采空区见方或接近见方时最容易发生正“O-X”型失稳破断;从应力和能量角度分析了坚硬顶板岩层结构失稳后对下伏煤体的冲击力能效应,认为应力矢量叠加的效果等同于增加了采动煤体的埋深并诱发煤体的不可逆损伤破坏,能量标量叠加的结果则是诱发采动煤体瓦斯动力灾变的根本原因。(3)分析了坚硬顶板岩层结构失稳能量积聚-传播-耗散规律,提出了基于冲击力能的致灾关键层判别准则,并将顶板岩层划分为致灾关键层、致灾弱层和非致灾层。计算得第二层岩浆岩床失稳破断后的致灾系数为9.67,具有诱发10煤层煤岩瓦斯动力灾变的能力。(4)设计了恒围压加轴压、恒轴压卸围压和同时加轴压卸围压三种力学路径,开展了含瓦斯煤应力-损伤-渗透同步试验,认为加卸载方式显著影响着煤体的损伤程度和损伤-渗透时间响应特性,按损伤程度和响应速度排序均依次是:同时加轴压卸围压恒轴压卸围压恒围压加轴压;煤体的损伤、渗透特性具有显著的围压效应;造成塑性变形煤体损伤-渗透特性差异的本质原因是差应力比的不同;煤体损伤、渗透特性是协同演化的,但渗透率变化相对于损伤具有时间滞后特性。(5)基于损伤变量服从Welbull分布的假设,将声发射累计数归一化并进行拟合,构建了基于声发射特征和差应力比的含瓦斯煤统计损伤模型;分析了基于有效应力压缩、煤基质吸附膨胀变形和热膨胀变形综合作用的弹性变形煤体孔隙率变化规律,在此基础上,分析了基于损伤扩容的塑性变形煤体孔隙率变化规律,进而构建了塑性变形煤体渗透率演化模型。(6)研究了岩浆侵入热演化作用、瓦斯圈闭作用、构造应力作用和岩床结构失稳的动载荷作用对灾变潜能与灾变耗能的影响,综合计算了岩浆岩床下伏含瓦斯煤系统的灾变潜能与灾变耗能,提出了岩浆岩床下伏煤岩瓦斯动力灾变的能量判据,分析了岩浆岩床下伏煤岩瓦斯动力灾变倾向性和必要条件,揭示了岩浆岩床结构失稳诱发煤岩瓦斯动力灾变机制,并在杨柳煤矿得以验证。
【关键词】：岩浆岩床 含瓦斯煤 损伤演化 渗透率 动力灾变
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-9
• Extended Abstract9-25
• 变量注释表25-29
• 1 绪论29-45
• 1.1 选题背景及意义29-30
• 1.2 国内外研究现状30-42
• 1.3 存在的问题42
• 1.4 主要研究内容和思路42-45
• 2 岩浆热事件对下伏煤层瓦斯赋存的控制作用45-61
• 2.1 杨柳矿岩浆岩床分布特征45-49
• 2.2 煤样的采集与制备49-50
• 2.3 岩浆热事件对煤的岩相学特性影响50-54
• 2.4 岩浆热事件对煤的工业分析影响54-55
• 2.5 岩浆热事件对煤的吸附解吸特性影响55-58
• 2.6 岩浆岩床下伏煤层突出危险特征分析58-59
• 2.7 岩浆热事件对下伏煤层瓦斯赋存的控制作用59-60
• 2.8 本章小结60-61
• 3 坚硬顶板岩层结构失稳模型及冲击力能效应61-85
• 3.1 坚硬顶板岩层结构的形成与力学模型61-62
• 3.2 坚硬顶板岩层结构见方失稳模型62-72
• 3.3 坚硬顶板岩层结构失稳能量积聚-传播-耗散规律72-74
• 3.4 坚硬顶板岩层结构失稳的冲击力能效应74-77
• 3.5 基于冲击力能的致灾关键层判别准则77-80
• 3.6 坚硬顶板岩层结构失稳及能量释放数值模拟验证80-83
• 3.7 本章小结83-85
• 4 加卸载条件下含瓦斯煤应力-损伤-渗透同步试验85-127
• 4.1 试验设备与方法85-89
• 4.2 试验方案与步骤89-91
• 4.3 煤岩基本力学特性测定分析91-94
• 4.4 不同加卸载方式下型煤声发射-渗透试验结果94-103
• 4.5 型煤声发射-渗透试验结果分析103-121
• 4.6 加卸载方式对型煤损伤-渗透特性影响机制121-125
• 4.7 本章小结125-127
• 5 加卸载条件下含瓦斯煤损伤-渗透演化机制127-145
• 5.1 含瓦斯煤裂纹扩展特性分析127-131
• 5.2 基于声发射特征的含瓦斯煤统计损伤模型131-133
• 5.3 塑性变形煤体渗透率演化模型133-142
• 5.4 加卸载条件下含瓦斯煤损伤-渗透演化机制142-143
• 5.5 本章小结143-145
• 6 岩浆岩床结构失稳致灾机制及其防治方法145-161
• 6.1 岩浆岩床下伏煤岩瓦斯动力灾变条件与能量判据145-147
• 6.2 岩浆岩床结构失稳致灾机制147-148
• 6.3 岩浆岩床下伏煤岩瓦斯动力灾变倾向性分析148-152
• 6.4 岩浆岩床下伏离层瓦斯灾变机制152-155
• 6.5 岩浆岩床下伏煤岩瓦斯动力灾变防治方法155-157
• 6.6 工程防治措施157-159
• 6.7 本章小结159-161
• 7 主要结论、创新点及展望161-165
• 7.1 主要结论161-163
• 7.2 创新点163-164
• 7.3 展望164-165
• 参考文献165-183
• 作者简历183-186
• 学位论文数据集186

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本文编号：399112