摘要
我国煤炭资源开发逐渐由浅部转入深部，煤炭典型的“三高”赋存环境以及开采过程强时效性扰动，导致以煤与瓦斯突出为代表的煤岩瓦斯动力灾害风险链式出现。煤岩瓦斯动力灾害与其它动力灾害本质区别是瓦斯气体的参与，瓦斯的存在会改变煤体的微观结构和力学特性，影响煤体损伤破坏过程的应力场、电磁场、裂隙场的演化规律，对于动力灾害的孕育、发展和发生具有极大的影响作用。在工程应用中，已有利用微震、声发射等监测技术对煤岩瓦斯动力灾害进行监测预警的成果，往往忽略了瓦斯气体影响。基于此，本文从理论分析出发，利用自主搭建的含瓦斯煤三轴压缩声发射实时监测系统，探究不同瓦斯压力（0、1、2、3 MPa）条件下煤样破坏的力学性质、声发射响应特征规律；并采用数值模拟对多种围压条件下，不同瓦斯压力梯度煤样的破坏过程、力学性质、声发射特征进行研究，与物理试验相互印证；最后结合声发射特征参数，利用聚类分析和数理统计等方法提取不同瓦斯压力下煤样发生破坏的前兆信息。本文的主要结论有： （1）含瓦斯煤的力学特性、失稳破坏过程及破坏形式等均受到游离瓦斯和吸附瓦斯的影响；在煤样的压密阶段和弹性阶段，加载应力一定时，无论煤样的轴向应变还是径向应变，都随着瓦斯压力的增大而增大；煤样的峰值强度、裂纹损伤应力、弹性模量都随瓦斯压力增加而减小，泊松比随瓦斯压力的增大而增大，但增幅较小。 （2）声发射振铃计数能较好地反映不同瓦斯压力下煤样的破裂过程；不同瓦斯压力下煤样破裂的声发射能量服从幂律分布，瓦斯气体对煤样释放的声发射能量具有一定的弱化作用，声发射能量幂律分布指数随瓦斯压力增大而减小；分析煤样破坏的 RA-AF 分布特征可知：瓦斯压力越大煤样对应的剪切破坏占比越多，煤样由脆性劈裂破坏逐渐转变为延性剪切破坏；含瓦斯煤声发射信号频率范围主要集中在50 kHz~260 kHz，主频集中在180 kHz左右，随着瓦斯压力增大，高能区频率范围逐渐增大，频率分布越散乱；声发射信号衰减比随瓦斯压力增大而增大。 （3）数值模拟与物理试验结果基本一致，当围压一定时，瓦斯压力越大，煤样内部的破坏速度越快，达到宏观破坏的时间越短，煤样的抗压强度、弹性模量越小；气压一定时，围压越大煤样的抗压强度、弹性模量越大；随着围压增大，气体压力对于煤体力学性质的影响逐渐减小，围压对于煤体的力学性质的影响占主导因素；当围压一定时，随着瓦斯压力的增加，含瓦斯煤破坏过程中的声发射振铃计数峰值、累计计数和能量峰值、累计能量均呈现降低趋势； （4）不同瓦斯压力下煤样破坏全过程的声发射信号被二阶聚类为质量较好、特征分明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类信号；Ⅲ类信号具有较为明显的前兆特征，Ⅲ类信号和声发射信号时间密集度 N的异常特征阈值可联合实现含瓦斯煤的破坏预警；基于物理试验，结合现场煤岩瓦斯动力灾害防控条件，提出了一种煤与瓦斯突出预警思路。
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