單位(公章)
成果名稱 煤與瓦斯突出的球殼失穩機理
申 報 單 位 名 稱： 中國礦業大學
通訊地址， 江蘇徐州 郵政編碼 221008
聯系人 蔣承林 電話(區號) 0516
電子信箱 cljiang@cumt.edu.cn 傳真(區號)
成果完成單位 1.中國礦業大學 2. 3.
成果類別： 新技術 新方法
成果水平 ： 國際領先 國際先進 國內領先 國內先進
成果來源： 國家計劃
成果評價方式： 鑒定 驗收 專利
成果簡介 (主要包括：立項背景、成果特點，創新性，成果水平，應用效果及推廣前景等，2000字)煤與瓦斯突出是煤礦井下生產過程中發生的一種異常復雜的動力現象，表現為大量的煤體和瓦斯突然拋向巷道空間，造成煤流埋人、巷道充滿瓦斯、使人窒息，甚至引起瓦斯爆炸。自1834年法國發生世界上第一次有記載的突出以來，世界上各突出嚴重的國家都投入了大量的人力物力，開展突出機理、預測及防治技術的研究，提出的關于突出機理的假說已有幾十種，但是對于突出的原因、過程及一些細節還不十分明確，現場存在著相當一些特殊的突出現象也無法解釋，由此也影響了突出預測和突出防治技術的發展。煤與瓦斯突出是發生在含氣介質中的一種動力現象。在煤礦中，有各種各樣的動力現象。要研究煤與瓦斯突出的機理，就要對煤礦井下的動力現象進行分類，以使煤與瓦斯突出與其它動力現象區分開來。為此我們依據產生動力現象的"力"和"介質"的不同，將煤礦中發生的動力現象分為五個大類十個小類。根據這種分類，煤與瓦斯突出屬于一種由地應力和瓦斯壓力共同作用、發生在含瓦斯軟煤中的動力現象。為了分析煤與瓦斯突出過程，我們從力學分析入手，建立了由石門進入半無窮大含瓦斯軟煤層時工作面前方的靜態應力場；再推導了爆破瞬間掘進工作面由初始應力場向靜態應力場轉變過程中的動態應力場；最后得到了突出過程中工作面前方動態應力場的分布。盡管這種動態應力場是一種近似的應力場，但為分析突出過程奠定了基礎。通過分析動態應力場對任一煤體質點的作用，我們發現：每一個煤體質點在突出過程中共經歷了6個不同的變化過程，這就是(1) 應力集中過程；(2) 地應力破壞過程；(3) 瓦斯撕裂裂紋過程；(4) 煤殼失穩拋出過程；(5) 煤體搬運過程及(6)靜止解吸過程；由此認識到突出過程的實質是地應力首先破壞煤體，在煤體內產生"I"型裂紋，煤體內的瓦斯向這個"I"型裂紋釋放，致使"I"型裂紋擴展，形成一個個球蓋狀的煤殼，然后這些球蓋狀的煤殼又在瓦斯壓力的作用下拋出，推動地應力峰移向煤體深部，繼續破壞煤體，形成連續的突出現象；從力學的角度來看，任一煤體質點要發生突出必須連續滿足三個力學條件；而從能量的角度來看，真正決定煤體能否突出的是煤體破壞后最初釋放出來的瓦斯膨脹能，我們稱其為初始釋放瓦斯膨脹能。通過上述研究，我們系統地闡明了煤與瓦斯突出的過程及本質，深化發展了煤與瓦斯突出機理的綜合假說。利用球殼失穩假說，我們不但能夠解釋以前的假說能夠解釋的各種突出現象和規律，而且解釋了許多以前的假說無法解釋的突出現象；如：過煤門時的突出，突出孔洞的形狀，延期突出的原因等等；此外，我們還從試驗的角度多方面驗證了這一假說，如在突出模擬遺留下來的煤體中找到了球蓋狀的煤殼；第一次模擬了延期突出；通過增壓的方法使突出煤體失去突出危險性；根據球殼失穩假說導出的指標--初始釋放瓦斯膨脹能和軟煤厚度準確預測了46次突出模擬的結果，建立了石門揭煤突出危險性三分類預測判別函數。使球殼失穩假說成為目前唯一得到多方面驗證的突出理論，解決了這個一百多年來一直未解決的世界性的難題。通過本項目的研究，我們在國際會議、《煤炭學報》，《巖石力學與工程學報》等一級刊物和核心期刊上發表了30多篇論文，并出版了專著《煤與瓦斯突出的球殼失穩機理及防治技術》，創立了系統的關于煤與瓦斯突出機理的"球殼失穩"理論。此外這一理論為我們解決現場的突出預測和突出防治問題指出了許多新的思路：如提出了用初始釋放瓦斯膨脹能指標預測突出的方法，解決了現場突出預測中地應力難以測定的難題，我們據此研制了專用于石門揭煤的突出煤層完整煤芯取芯器和初始釋放瓦斯膨脹能測定裝置，為煤礦現場準確預測石門揭煤的突出危險性提供了一套實用的技術及裝備，提高了石門揭煤突出預測的準確性，成果達到國際先進水平；提出了增壓揭煤法，為現場快速安全地穿越突出煤層提供了新的技術途徑等。使突出的防治技術由經驗摸索階段進入了理性指導階段。目前，這些成果論著已被美國的工程索引EI 、國際科技會議論文索引ISTP、日本的《科學技術文獻速報》，英國的《COAL HIGHLIGHT》，及美國的《CHEMICAL ABSTRACT》等索引系統共收錄26篇。這些成果也得到了國內專家的首肯，引用我們成果的書籍，核心刊物，研究報告及博士碩士論文達到16篇。本項目在煤礦現場也得到了應用，取得了顯著的社會和經濟效益。