单位(公章)
成果名称 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理
申 报 单 位 名 称： 中国矿业大学
通讯地址， 江苏徐州 邮政编码 221008
联系人 蒋承林 电话(区号) 0516
电子信箱 cljiang@cumt.edu.cn 传真(区号)
成果完成单位 1.中国矿业大学 2. 3.
成果类别： 新技术 新方法
成果水平 ： 国际领先 国际先进 国内领先 国内先进
成果来源： 国家计划
成果评价方式： 鉴定 验收 专利
成果简介 (主要包括：立项背景、成果特点，创新性，成果水平，应用效果及推广前景等，2000字)煤与瓦斯突出是煤矿井下生产过程中发生的一种异常复杂的动力现象，表现为大量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空间，造成煤流埋人、巷道充满瓦斯、使人窒息，甚至引起瓦斯爆炸。自1834年法国发生世界上第一次有记载的突出以来，世界上各突出严重的国家都投入了大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究，提出的关于突出机理的假说已有几十种，但是对于突出的原因、过程及一些细节还不十分明确，现场存在着相当一些特殊的突出现象也无法解释，由此也影响了突出预测和突出防治技术的发展。煤与瓦斯突出是发生在含气介质中的一种动力现象。在煤矿中，有各种各样的动力现象。要研究煤与瓦斯突出的机理，就要对煤矿井下的动力现象进行分类，以使煤与瓦斯突出与其它动力现象区分开来。为此我们依据产生动力现象的"力"和"介质"的不同，将煤矿中发生的动力现象分为五个大类十个小类。根据这种分类，煤与瓦斯突出属于一种由地应力和瓦斯压力共同作用、发生在含瓦斯软煤中的动力现象。为了分析煤与瓦斯突出过程，我们从力学分析入手，建立了由石门进入半无穷大含瓦斯软煤层时工作面前方的静态应力场；再推导了爆破瞬间掘进工作面由初始应力场向静态应力场转变过程中的动态应力场；最后得到了突出过程中工作面前方动态应力场的分布。尽管这种动态应力场是一种近似的应力场，但为分析突出过程奠定了基础。通过分析动态应力场对任一煤体质点的作用，我们发现：每一个煤体质点在突出过程中共经历了6个不同的变化过程，这就是(1) 应力集中过程；(2) 地应力破坏过程；(3) 瓦斯撕裂裂纹过程；(4) 煤壳失稳抛出过程；(5) 煤体搬运过程及(6)静止解吸过程；由此认识到突出过程的实质是地应力首先破坏煤体，在煤体内产生"I"型裂纹，煤体内的瓦斯向这个"I"型裂纹释放，致使"I"型裂纹扩展，形成一个个球盖状的煤壳，然后这些球盖状的煤壳又在瓦斯压力的作用下抛出，推动地应力峰移向煤体深部，继续破坏煤体，形成连续的突出现象；从力学的角度来看，任一煤体质点要发生突出必须连续满足三个力学条件；而从能量的角度来看，真正决定煤体能否突出的是煤体破坏后最初释放出来的瓦斯膨胀能，我们称其为初始释放瓦斯膨胀能。通过上述研究，我们系统地阐明了煤与瓦斯突出的过程及本质，深化发展了煤与瓦斯突出机理的综合假说。利用球壳失稳假说，我们不但能够解释以前的假说能够解释的各种突出现象和规律，而且解释了许多以前的假说无法解释的突出现象；如：过煤门时的突出，突出孔洞的形状，延期突出的原因等等；此外，我们还从试验的角度多方面验证了这一假说，如在突出模拟遗留下来的煤体中找到了球盖状的煤壳；第一次模拟了延期突出；通过增压的方法使突出煤体失去突出危险性；根据球壳失稳假说导出的指标--初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度准确预测了46次突出模拟的结果，建立了石门揭煤突出危险性三分类预测判别函数。使球壳失稳假说成为目前唯一得到多方面验证的突出理论，解决了这个一百多年来一直未解决的世界性的难题。通过本项目的研究，我们在国际会议、《煤炭学报》，《岩石力学与工程学报》等一级刊物和核心期刊上发表了30多篇论文，并出版了专著《煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术》，创立了系统的关于煤与瓦斯突出机理的"球壳失稳"理论。此外这一理论为我们解决现场的突出预测和突出防治问题指出了许多新的思路：如提出了用初始释放瓦斯膨胀能指标预测突出的方法，解决了现场突出预测中地应力难以测定的难题，我们据此研制了专用于石门揭煤的突出煤层完整煤芯取芯器和初始释放瓦斯膨胀能测定装置，为煤矿现场准确预测石门揭煤的突出危险性提供了一套实用的技术及装备，提高了石门揭煤突出预测的准确性，成果达到国际先进水平；提出了增压揭煤法，为现场快速安全地穿越突出煤层提供了新的技术途径等。使突出的防治技术由经验摸索阶段进入了理性指导阶段。目前，这些成果论著已被美国的工程索引EI 、国际科技会议论文索引ISTP、日本的《科学技术文献速报》，英国的《COAL HIGHLIGHT》，及美国的《CHEMICAL ABSTRACT》等索引系统共收录26篇。这些成果也得到了国内专家的首肯，引用我们成果的书籍，核心刊物，研究报告及博士硕士论文达到16篇。本项目在煤矿现场也得到了应用，取得了显著的社会和经济效益。