煤与瓦斯突出过程中渗流与煤岩体破坏耦合作用机制

• Published in: 煤炭科学技术 Vol. 52; no. 12; pp. 105 - 115
• Main Authors: 张士岭, 崔俊飞, 和树栋
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院,重庆 400039 01.12.2024; 煤矿灾害防控全国重点实验室,重庆 400037
• Subjects: coal and gas outburst; permeability; spallation; 层裂; 渗透力; 煤与瓦斯突出; 煤体破坏; coal stress; coal failure; 煤体应力; 瓦斯压力梯度; gas pressure gradient; 瓦斯渗流; gas seepage
• ISSN: 0253-2336
• DOI: 10.12438/cst.2023-1573

TD713; 针对煤与瓦斯突出诱发机理不清的问题,研究了瓦斯渗流对工作面煤体破坏及煤与瓦斯突出的力学作用机制,分别从煤体渗流试验和土力学 2个角度引入瓦斯渗透力这一体积力的概念,明确了瓦斯压力梯度作用在煤体的力学形式.基于弹塑性力学构建了含瓦斯工作面煤体极限平衡方程,进而将渗流与极限平衡区煤体应力进行耦合,从而得到了瓦斯压力作用下煤体拉应力产生以及拉伸破坏的力学原因.从渗透力作用的角度解释了突出孔洞壁层裂破坏特征和层裂体分布规律,揭示突出煤体层裂破坏时瓦斯压力作用的力学本质,并进行了模拟验证.结果表明:含瓦斯煤体受到瓦斯流动产生的渗透力,其大小等于瓦斯压力梯度,从能量的角度来看为单位长度的瓦斯压能损失.渗透力与围岩支承压力共同作用到工作面煤体上,成为破坏煤体的重要诱因.突出前瓦斯流动在新暴露工作面煤壁产生极高的渗透力;渗透力并非均匀地作用在煤壁内,而是集中作用在煤壁暴露面附近小于 0.1 m的薄层内,促使煤体采掘方向应力急剧降低甚至成为负值形成拉应力,从而导致该薄层拉伸破坏失稳,形成层裂.煤体内渗透力与应力随时间快速变化,煤壁刚暴露时渗透力是稳定渗流时的 6倍以上,相应产生的最大拉应力是稳定渗流时的 5倍以上.煤层强度大小与煤体所受拉应力呈现此消彼长的关系,煤层强度越低,由渗流引起的拉应力越大,瓦斯压力的拉伸破坏作用越得以充分发挥,表现为瓦斯为主导的突出和典型的层裂破坏现象.