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煤与瓦斯突出的扩容突变机理
煤炭学报
网络首发时间:2023-12-19 10:17:51
69
作者
王超杰
李晓伟
单位
中国石油大学(华东)机电工程学院
中国矿业大学安全工程学院
摘要
煤与瓦斯突出机理作为百年世界性难题,其防治在现阶段已进入瓶颈期。面对突出事故的不间断发生,其背后所涉及的众多科学问题仍难以解答,如地应力与瓦斯压力及煤体力学强度在突出孕育过程中的耦合作用及主控阶段性特征尚未能明晰。为此,基于典型突出事故所被触发的力学背景,从采动煤体力学损伤动态响应规律入手,揭示了多变力学行为下含瓦斯煤体损伤过程中的扩容特征,明晰了采动应力与瓦斯压力互馈响应规律,阐明了孕突过程中煤体初始破坏主控机制,进而提出了煤与瓦斯突出的扩容突变机理。结果表明:含瓦斯煤体损伤失稳过程所凸显的扩容特征分为扩容缓增、扩容快增、扩容突增及扩容骤增四个阶段,期间瓦斯压力因地应力作用先后经历作用能力强化增强阶段(扩容缓增阶段)、作用能力强化减弱阶段(扩容快增阶段和扩容突增阶段)及作用能力弱化阶段(扩容快增阶段后或扩容突增阶段后或扩容骤增阶段后)。而煤体原始强度并不能决定实际煤体破坏程度,甚至破坏的难易程度,关键在于应力加卸载路径。突出的本质则是含瓦斯煤岩体在地应力与瓦斯压力主控作用阶段性转变过程中,因煤体发生扩容突变现象,引发结构失稳并被抛出的一个具有典型时间属性的突变动力过程(称为突出的“扩容突变机理”)。一次突出的孕育过程可分为三个阶段:首先煤体在以地应力为主导、瓦斯压力协同作用下发生初始损伤(扩容缓增阶段与扩容快增阶段),称为突出孕育的第一阶段;而后煤体在以瓦斯压力为主导、地应力协同作用下发生结构分区层裂化,并产生进一步碎裂(扩容突增阶段和扩容骤增阶段),称为突出孕育的第二阶段;最后,层裂煤体在瓦斯压力的作用下发生破碎及粉化(即扩容突变),称为突出孕育的第三阶段。进而破碎煤体在瓦斯压力的作用下被抛出,激发突出。研究成果为煤与瓦斯突出机理认识的深化提供了新的视野,同时可为突出防治技术革新奠定理论基础。
关键词
煤与瓦斯突出
突出机理
扩容突变
瓦斯压力作用
煤体损伤
文章目录
1. 引言
2. 实验
2.1. 力学加卸载路径
2.2. 煤样
2.3. 实验设备及过程
3. 结果及分析
3.1. 煤体应变与裂纹损伤特性
3.2. 煤体破坏过程中的扩容特征
3.3. 采动应力与瓦斯压力互馈响应规律
4. 讨论
4.1. 采动煤体初始破坏特征及响应规律
4.2. 孕突过程含瓦斯煤体初始破坏主控机制
4.3. 煤与瓦斯突出的扩容突变机理
5. 结论
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