煤田地质与勘探

作者：李峰, 王琛琛, 王博, 荆亚东, 闫正旭, 张民波,

关键词：煤与瓦斯突出, 多区组合煤体模型, 弱区, 应力波, 层裂, 突出动力学机制,

煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)严重影响煤炭安全开采，其背后涉及的众多科学问题仍未解决。为降低煤体力学性质各向异性对突出研究的困扰，构建多区组合煤体模型；基于上覆岩层应力分布特征及应力波传播机制确定“弱区”煤体位置，将研究对象由“突出中心体”具体为“弱区”。由于外部动载扰动是导致突出的激发条件，采用冲击试验研究应力波在层状组合煤岩体中的传播规律，构建组合煤岩体应力−应变本构模型。进而明确卸载波作用下，煤体轴向多层层裂是煤体质点内撞击形成加载冲击波在自由面反射形成拉应力波导致的；煤体径向平面，由于泊松效应形成卸载波追赶塑性加载波的情形，生成多个径向裂隙及环向裂隙，得到煤体层裂片厚度动态演化规律。从而明确在外部动载扰动下，煤体“弱区”最先破坏，轴向产生多层层裂、径向平面产生多个径向及环向裂隙的三维损伤路径。基于此，提出一种基于多区组合煤体的突出动力学机制，将突出划分为准备、启动、发展、终止四个阶段。突出准备阶段，煤体上覆岩层应力转移、集中，高瓦斯压力梯度形成，为后续煤体失稳破坏创造条件；突出启动阶段，煤体受外部动载扰动，轴向“弱区”煤体最先发生破坏、形成多层层裂，径向平面形成多个径向及环向裂隙；突出发展阶段，吸附态瓦斯解吸与游离态瓦斯积聚形成高压瓦斯抛出煤体，导致突出继续向深部煤体发展，形成二次损伤；突出终止阶段，积聚形成的瓦斯压力低于煤体抗拉强度，形成稳定的纺锤形突出腔体，突出终止。该机制初步解释了突出过程中“响煤炮”“口小腔大”突出孔洞等动力现象成因，为矿井防突工作提供了新思路。

来源：2024年第5期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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