摘要
煤与瓦斯突出是发生在煤炭开采中一种极为复杂的动力学现象，表现为大量的煤体伴随瓦斯由开采工作面快速地喷出并进入工作巷道，并造成矿井和开采工具的破坏以及工作人员的伤亡。煤与瓦斯突出机理的理论研究在突出的防治工作中起到举足轻重的作用，充分了解煤与瓦斯突出机理是提出有效防突措施的关键。但由于影响煤与瓦斯突出发生的因素较多，且突出具有很强的随机性和破坏性，给煤与瓦斯突出机理的研究带来了巨大挑战。国内外学者针对煤与瓦斯突出机理及其相关问题进行了大量的试验和理论研究，研究表明煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤样物理力学性质共同作用的结果。但是该结论只是定性的指出了引起煤与瓦斯突出的原因，对于各个因素在突出中的作用及其作用机理还没有形成统一的认识，尤其是关于瓦斯和地应力在突出过程中的主导地位仍然存在争议，煤与瓦斯突出的力学本质仍不清晰。煤与瓦斯突出作为一个典型的力学问题，从力学角度对其展开研究不仅能够深入解释突出的本质，还可以为突出的模拟实验和防治工作提供理论指导。 首先，本文基于多孔介质渗流理论，根据对试验所用煤样模型的简化建立了煤与瓦斯突出过程中煤样内瓦斯渗流的一维力学模型，选择有限体积法对相应的控制方程进行了离散并讨论了由参数决定的离散格式。基于试验数据和力学模型给出了拟合突出过程中煤样近似渗透率的方法。利用试验数据验证了瓦斯渗流一维力学模型的合理性和有限体积法的有效性。进一步，根据瓦斯渗流一维力学模型的建立原理，并考虑吸附瓦斯的解吸效应，建立了煤与瓦斯突出过程中煤样内瓦斯解吸—渗流二维力学模型并对理想气体状态方程进行了修正。给出了非均匀尺寸单元的有限体积法离散过程并编写了有限体积法求解程序，计算了突出过程中煤样内瓦斯密度、瓦斯压力、瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度的分布及其随时间的变化。基于瓦斯解吸—渗流的二维力学模型和数值方法计算了不同煤样孔隙率和渗透率、不同瓦斯气体以及不同煤样非均质度条件下的煤与瓦斯突出过程中煤样内瓦斯压力、瓦斯解吸量、瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度的分布及其随时间的变化，分析了以上参数对突出过程中煤样内瓦斯状态的分布和变化规律的影响以及瓦斯在突出过程中的作用及其与突出孔洞形成的关系。 然后，在经典弹性力学方程中引入了瓦斯的作用（瓦斯压力和吸附瓦斯产生的膨胀应力），推导了含瓦斯煤样的弹性力学方程。基于瓦斯在煤样内的渗流规律和风沙力学中颗粒临界起动速度的概念建立了破坏煤样的起动判据。利用有限单元法对含瓦斯煤样的弹性力学方程进行了离散并编写了有限单元法求解程序，计算了突出过程中煤样内有效应力的分布和变化，模拟了突出孔洞的形成过程，再现了突出孔洞口小腔大的特征。基于力学模型和数值方法对不同地应力、不同初始瓦斯压力和不同煤样物理力学性质条件下的煤与瓦斯突出过程进行了数值模拟，分析了以上各因素对突出强度和突出演化过程的影响以及突出起动、演化和终止的原因。 计算结果显示突出过程中煤样内孔口附近区域的瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度最大，等值线近似呈椭圆形和梨形；且煤样内瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度会在短时间内快速衰减并趋于零，而模拟试验中突出孔洞的位置恰好出现在该区域且近似呈梨形或椭球形；另外，在突出孔洞前端有明显地应力集中现象且该区域内的应力水平会随着突出孔洞的演化逐渐增大，煤与瓦斯突出会随着瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度的减小而终止。研究表明瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度的分布规律决定了突出孔洞形状及其在煤样中的位置。由地应力和瓦斯压力引起的应力集中是导致煤样破坏的主要原因，其中地应力占主导地位，且竖向地应力对突出强度的影响远大于水平地应力和瓦斯压力。突出演化过程表现为破坏的煤样在流动瓦斯的作用下起动；孔洞不断向煤样内部扩张，煤样内有效应力增大，瓦斯压力梯度和瓦斯流动速度减小；当瓦斯流动速度衰减至小于破坏煤样的临界起动速度后，煤与瓦斯突出终止。 论文从力学角度对煤与瓦斯突出过程中煤样内瓦斯解吸—渗流规律以及煤样破坏和突出演化过程进行了研究，界定了瓦斯和地应力在突出中的主要作用及其作用机理，分析了煤与瓦斯突出的力学本质。论文工作可以为煤与瓦斯突出机理的进一步研究奠定一定的理论基础，同时也为煤与瓦斯突出的模拟试验和突出防治工作提供一定的理论指导。
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