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

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。

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