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《重庆大学》 2010年
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岩石和瓦斯突出发生条件及机理研究

郭臣业  
【摘要】:近年来,国内外煤矿矿井在深部掘进巷道时出现了岩石和瓦斯突出现象。岩石和瓦斯突出包括了岩石突出、岩石与瓦斯一起突出,它们不仅发生在采矿工程中的岩巷掘进,也发生在隧道与其他地下工程施工的相应工程地质环境中。目前,国内外学术界对岩石和瓦斯突出发生条件和机理研究还不够,尚不能准确回答岩石和瓦斯突出过程中的能量来源及能量的转化过程、爆破与岩石和瓦斯突出的关系及其作用机理、岩石和瓦斯突出的启动和停止等更深层次上的原因。 本文基于永川煤矿的岩石和瓦斯突出现象,针对永川煤矿的地质条件、突出砂岩的物性;突出岩石受载变形的损伤、强度和破坏;煤岩和瓦斯突出过程中的瓦斯膨胀能;岩石和瓦斯突出、岩爆发生的一般规律和成因;岩石和瓦斯突出的能量、发生的临界条件及机理等问题展开研究,主要结论如下: 永川煤矿的岩石和瓦斯突出发生在距主采煤层-大龙煤层之下43m的T_3xj~4砂岩层中,该砂岩层为三角洲平原沉积相;T_3xj~4砂岩含有的Si、Al元素较多,矿物组成以石英、云母、长石为主;T_3xj~4砂岩渗透性较差,比表面积较大,其内部孔的孔径一般大于甲烷分子直径;T_3xj~4砂岩微观裂隙和节理不发育、连通性差,呈块状、结构致密,砂岩层中的黑色包裹体是一种成分复杂的矿物质;T_3xj~4砂岩层中赋存的瓦斯气体成分以甲烷为主,其次还有少量的乙烷、丙烷、异丁烷,该砂岩层具有吸附瓦斯的能力;大龙煤层的煤质为1/3焦煤,该煤的比表面积高达280m2/g,SEM图像表明其内部裂隙发育,且互相交联。 T_3xj~4砂岩样强度较低,屈服现象明显,其循环加卸载的疲劳破坏过程受静态全应力应变曲线的控制;T_3xj~4砂岩声发射类型与MOGI-I相似,在应力应变曲线上对应的Kaiser点、屈服点及峰值点处声发射信号明显,且该种砂岩存在Kaiser效应和Felicity效应;在围压条件下,峰后破裂T_3xj~4砂岩样的破裂比(r)与其对应的割线模量、轴向最大应变量及轴向应力应变曲线峰前段下的面积(应变能)有一定的线性关系,且破裂砂岩样是在完整砂岩样破坏的基础上进一步破坏的;破裂T_3xj~4砂岩样的蠕变规律与完整岩样的相似,均可用改进的西原正夫模型描述蠕变的各个阶段;顶板砂质页岩脆性较大,破坏时产生较大爆裂声响,其声发射类型与致密不稳定的-IV相似,应力应变全过程曲线对应的Kaiser点、峰值点处声发射信号明显。 利用自主研制的煤岩介质中瓦斯膨胀能测试装置研究了不同条件下煤和T_3xj~4砂岩中的瓦斯膨胀做功规律,研究表明:低瓦斯压力条件下,煤中瓦斯对外做膨胀功推出活塞的长度(它反映了做功能力)与瓦斯压力呈指数关系变化,而砂岩中瓦斯对外做膨胀功推出活塞的长度与瓦斯压力呈线性关系,通过计算瓦斯膨胀的多变指数,得出煤岩中瓦斯的膨胀过程为等温过程。 岩石和瓦斯突出、岩爆都属于矿山压力所导致的岩石动力现象,均发生在高地应力地区,且都与工程扰动有关;普遍的岩石和瓦斯突出都是由爆破作业引起的,突出发生时伴随着岩石碎片的抛出和瓦斯气体的涌出,突出的能量来源为岩体弹性变形能、重力势能和瓦斯膨胀能,突出孔洞为梨形、口袋形等向岩层内部延伸的不规则孔洞;岩爆可以自发地发生,多发生在强度高、脆性大的坚硬岩层中,岩爆发生后仅在岩体上留下较浅的爆坑;计算了永川煤矿岩巷的断裂失稳区,并与压性水平构造应力为主的地应力场下的断裂失稳区进行了对比,指出以近竖直方向为主的地应力导致的断裂失稳区在巷道两肩呈对称分布,而压性水平构造应力为主的地应力导致的断裂失稳区分布特征则不同。对比分析了岩石断裂失稳区与实际突出孔洞,认为岩石和瓦斯突出孔洞是由高地应力形成的局部破坏区演化、发展来的,爆炸应力并不能改变外载应力条件,爆破对岩石和瓦斯突出起诱导作用。 讨论了断裂失稳区中破裂岩石的弹性变形能、瓦斯膨胀能和重力势能及其在岩石和瓦斯突出中的功能转化关系,根据功能平衡原理得出了岩石和瓦斯突出时岩石的弹性模量临界条件和抛出初速度;指出围压条件下岩石最大泊松比的取值应根据岩样峰后连续加卸载的试验方法确定;岩石和瓦斯突出开始的时间理论上可根据平面应力条件下岩石蠕变失稳的应变-时间关系来估算;得出了岩石和瓦斯突出的机理:岩石和瓦斯突出是具有一定物理力学性质的岩石体在高地应力条件下形成断裂失稳区,并在瓦斯作用下和爆破工程诱导及其他工程扰动作用下产生的一种动力现象,突出的能量来源于弹性变形能、瓦斯的膨胀能和重力势能,当岩体释放的弹性能潜能足够大时,可破坏岩体,激发突出,即岩石和瓦斯突出开始发动;若突出孔洞壁有足够大的地应力梯度和瓦斯压力梯度,岩体的破碎就会不断向周围扩展,岩石和瓦斯突出得以发展;当突出的能量消耗殆尽和突出孔道受阻碍、不能继续在突出孔洞壁建立高的地应力梯度和瓦斯压力梯度时,突出即告停止。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD713

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 冯发维;谢晓佳;郭臣业;姚伟静;;永川煤矿T_3xj~4砂岩声发射特性及Felicity效应研究[J];重庆工商大学学报(自然科学版);2011年05期
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐林生,王兰生,李天斌;国内外岩爆研究现状综述[J];长江科学院院报;1999年04期
2 赵兴东;李元辉;袁瑞甫;张建勇;;花岗岩Kaiser效应的实验验证与分析[J];东北大学学报(自然科学版);2007年02期
3 方华,伍向阳;温压条件下岩石破坏前后的力学性质与波速[J];地球物理学进展;1999年03期
4 高崇伊;朱琴;;多方过程的定义及其和准静态过程的关系[J];大学物理;2006年02期
5 刘力强,马胜利,马瑾,雷兴林,楠濑勤一郎,西泽修,JouniauxL;岩石构造对声发射统计特征的影响[J];地震地质;1999年04期
6 尤明庆;岩样三轴压缩的破坏形式和Coulomb强度准则[J];地质力学学报;2002年02期
7 邵兆刚,丁原辰;塔北油区岩石声发射全过程曲线类型及特征[J];地质力学学报;1998年01期
8 王明洋,葛涛,戚承志,钱七虎;爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅰ)[J];防灾减灾工程学报;2003年02期
9 王明洋,王立云,戚承志,钱七虎;爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅱ)[J];防灾减灾工程学报;2003年03期
10 孙重旭;西德北莱茵-威斯特法伦州矿山监察局防止瓦斯突出规程[J];煤矿安全技术;1985年03期
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1 华安增;;岩石冲击及能量释放[A];岩石力学新进展[C];1989年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 姜永东;三峡库区边坡岩土体蠕滑与控制的现代非线性科学研究[D];重庆大学;2006年
2 李树春;周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征[D];重庆大学;2008年
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1 张庄;蜀南地区上三叠统须家河组沉积相与储层研究[D];西南石油大学;2006年
2 潘泉涌;蜀南荷包场地区须家河组成藏条件及成藏模式研究[D];成都理工大学;2008年
3 唐晓军;循环载荷作用下岩石损伤演化规律研究[D];重庆大学;2008年
4 程明俊;煤渗透性能及煤与瓦斯突出过程模拟实验研究[D];重庆大学;2008年
5 杨凌云;括苍山深埋特长隧道岩爆预测及防治研究[D];长安大学;2007年
【共引文献】
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1 王从科;李金鹿;李根臣;张霞;赵付宝;张永侠;李茂东;;环氧树脂拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2009年11期
2 王从科;李金鹿;张霞;赵付宝;杨雪艳;张吉雷;;PE纤维胶丝束拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2010年01期
3 王从科;张霞;吕秀莲;凡丽梅;;EVAC拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2011年05期
4 冯君,吕和林,李安洪;顺层岩质边坡稳定性影响因素分析[J];四川建筑科学研究;2005年04期
5 娄世飞;于远忠;;某白灰厂滑坡变形机制研究[J];四川建筑科学研究;2006年02期
6 郭艳华;郭志昆;;岩土工程反分析的初步探讨[J];四川建筑科学研究;2006年03期
7 陈广斌;;关键块体在边坡岩体稳定性评价中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年01期
8 李月;刘立;李玉梅;张中兴;梁伟;;地基层状岩石纵波波速与密度相关性试验研究[J];四川建筑科学研究;2009年01期
9 何建平;王新文;;某污水处理厂边坡稳定仿真分析[J];四川建筑科学研究;2009年04期
10 张雪颖;阮怀宁;贾彩虹;;岩石损伤力学理论研究进展[J];四川建筑科学研究;2010年02期
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1 杜新龙;康毅力;游利军;;多孔介质孔隙模型建立方法及应用研究进展[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 王晨晨;姚军;杨永飞;王鑫;;气驱油微观渗流模拟及相渗曲线升级技术[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
3 郑颖人;;岩土材料的破坏与极限分析方法的发展[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
4 潘一山;吕祥锋;李忠华;;煤矿冲击地压巷道吸能支护研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
5 常先隐;;远距离下保护层开采瓦斯治理效果分析[A];2010年安徽省科协年会——煤炭工业可持续发展专题研讨会论文集[C];2010年
6 刘宜平;杨业新;蔡东红;华海洋;;大采高跨上山综采工作面瓦斯综合治理技术[A];2010年安徽省科协年会——煤炭工业可持续发展专题研讨会论文集[C];2010年
7 祁生文;伍法权;;高地应力地区河谷应力场特征[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
8 薛雷;孙强;秦四清;刘汉东;黄鑫;;非均质边坡强度折减法折减范围研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
9 赵留升;梁天佑;白雪梅;;三峡库区秭归县综合港口滑坡稳定性评价及防治对策[A];河南省地质调查与研究通报2007年卷(下册)[C];2007年
10 郭雨非;郭新华;;四川某斜坡地质灾害的稳定性评价与治理[A];河南地球科学通报2008年卷(中册)[C];2008年
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1 魏风清;煤与瓦斯突出的物理爆炸模型及预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
2 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
3 陈绍杰;深部条带煤柱长期稳定性基础实验研究[D];山东科技大学;2009年
4 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
5 母丽华;煤矿安全预警系统的方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 何峰;岩石蠕变—渗流耦合作用规律研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
7 李刚;水岩耦合作用下软岩巷道变形机理及其控制研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 郭保华;循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究[D];河南理工大学;2010年
9 肖知国;煤层注水抑制瓦斯解吸效应实验研究与应用[D];河南理工大学;2010年
10 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
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1 王利强;突出煤层水力径向压裂石门快速揭煤技术研究及应用[D];河南理工大学;2010年
2 杨文旺;七星矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测[D];河南理工大学;2010年
3 潘少杰;新安煤田瓦斯赋存规律与突出区域预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
4 陈建伟;松软煤层回采工作面前方煤体应力分布及位移变化特征[D];河南理工大学;2010年
5 孙锐;泥浆介质非等压条件下煤芯瓦斯解吸规律研究[D];河南理工大学;2010年
6 陈建忠;潘三矿C13-1煤层掘进工作面敏感指标及临界值研究[D];河南理工大学;2010年
7 李波;天池煤矿瓦斯分布规律及突出危险性研究[D];河南理工大学;2010年
8 王永周;李子垭井田瓦斯赋存规律与突出预测[D];河南理工大学;2010年
9 刘文伍;杉木树矿井瓦斯地质规律及瓦斯预测研究[D];河南理工大学;2010年
10 田富超;寺河矿西井区3号煤层瓦斯突出预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
【同被引文献】
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1 赵兴东;李元辉;袁瑞甫;张建勇;;花岗岩Kaiser效应的实验验证与分析[J];东北大学学报(自然科学版);2007年02期
2 李楠;王恩元;赵恩来;马衍坤;许福乐;钱伟华;;岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究[J];煤炭学报;2010年07期
3 谢强;江小城;余贤斌;Carlos Dinisda Gama;;加载方向变化对细晶花岗岩凯塞效应的影响[J];煤炭学报;2010年10期
4 陈勉;张艳;金衍;李良川;;加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响的试验研究[J];岩石力学与工程学报;2009年S1期
5 葛修润,卢应发;循环荷载作用下岩石疲劳破坏和不可逆变形问题的探讨[J];岩土工程学报;1992年03期
6 纪洪广,李造鼎;混凝土材料凯塞效应与Felicity效应关系的实验研究[J];应用声学;1997年06期
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1 刘建新;岩石破裂声发射实验研究[D];中国地震局地球物理研究所;2002年
2 唐晓军;循环载荷作用下岩石损伤演化规律研究[D];重庆大学;2008年
【二级参考文献】
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1 王红伟,王希良,彭苏萍,周瑞光;软岩巷道围岩流变特性试验研究[J];地下空间;2001年S1期
2 许江;鲜学福;王鸿;;循环载荷作用下周期充水岩石变形规律的研究[J];地下空间与工程学报;2006年04期
3 刘东燕,朱可善,胡本雄;含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究[J];地下空间;1998年04期
4 张立杰;蔡美峰;来兴平;张勇;张海燕;吕兆海;任奋华;;基于AE的深部复变环境下急斜特厚煤层开采动力失稳分析[J];北京科技大学学报;2007年01期
5 ;Dynamic analysis of fault rockburst based on gradient-dependent plasticity and energy criterion[J];Journal of University of Science and Technology Beijing(English Edition);2004年01期
6 刘红岩,王根旺,陈福刚;以损伤变量为特征的岩石损伤理论研究进展[J];爆破;2004年01期
7 余尚江,李科杰;混凝土结构内冲击波应力传感器设计及其行为[J];爆炸与冲击;2005年04期
8 严鹏;卢文波;许红涛;;高地应力条件下隧洞开挖动态卸荷的破坏机理初探[J];爆炸与冲击;2007年03期
9 葛涛;王明洋;;坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状研究[J];爆炸与冲击;2007年04期
10 卢文波,陶振宇;爆生气体驱动的裂纹扩展速度研究[J];爆炸与冲击;1994年03期
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1 葛修润;;周期荷载作用下岩石疲劳破坏及变形发展规律研究[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
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1 李华启;四川盆地西部上三叠统须家河组层序地层学及沉积体系研究[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2003年
2 韦立德;岩石力学损伤和流变本构模型研究[D];河海大学;2003年
3 郭少华;岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究[D];中南大学;2003年
4 姜永东;三峡库区边坡岩土体蠕滑与控制的现代非线性科学研究[D];重庆大学;2006年
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1 边金;可描述加速蠕变的流变力学组合模型和煤岩的蠕变试验研究[D];重庆大学;2002年
2 王鸿;循环载荷作用下岩石变形特性的试验研究[D];重庆大学;2007年
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1 师昌绪;;1963年国际蠕变会议论文内容简介[J];钢铁;1964年02期
2 李新元;长壁工作面开采“围岩—煤体”系统突然失稳破坏机理的探讨及其应用[J];石家庄铁道学院学报;1995年02期
3 顾璆琳;预加冷扭对抗热合金钢ㄌ10ㄒ2ワ蠕变性质的影响的实验[J];清华大学学报(自然科学版);1957年02期
4 谷耀君;;黄河小浪底细砂岩单轴压缩蠕变性质的研究[J];岩石力学与工程学报;1986年04期
5 王玉江;;光滑试样的蠕变断裂[J];物理测试;1993年02期
6 张小英;徐传杰;张玉贞;;橡胶粉的溶解度对改性沥青性质的影响[J];石油炼制与化工;2006年03期
7 朱建明,高立新,杨月江;深部厚坚硬顶板诱发冲击地压原因的探讨[J];煤;1995年05期
8 朱建明,任天贵,孔广亚;深部厚坚硬顶板诱发冲击地压原因的探讨[J];中国矿业;1996年06期
9 姜永东;鲜学福;杨春和;;巷道岩体蠕变断裂失稳区预测研究[J];岩土工程学报;2008年06期
10 李子丰,杨敏嘉,李邦达;油井套管损坏的机理分析[J];石油钻采工艺;1985年04期
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1 周德培;;岩石的抗压蠕变性质[A];首届全国岩土工程博士学术讨论会论文集[C];1990年
2 王志俭;殷坤龙;简文星;;万州区红层软弱夹层蠕变试验研究[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
3 黄润秋;王士天;;用Kaiser效应测定地应力的新认识[A];全国第三次工程地质大会论文选集(下卷)[C];1988年
4 李步云;周俊喜;杨斌;张向红;;甘、宁交界地区弧形断裂失稳理论的模拟研究[A];1995年中国地球物理学会第十一届学术年会论文集[C];1995年
5 李松;罗济章;张金铸;;岩石真三轴应力状态下蠕变性质研究[A];岩石地下工程论文集——1990年会议论文[C];1990年
6 李朝弟;张承柱;刘信声;;混凝土梁的损伤扩展和承载能力分析[A];第三届全国结构工程学术会议论文集(上)[C];1994年
7 刘成丹;梁纯升;;矿山压力时效问题的数值分析研究[A];第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集[C];1986年
8 ;泥化夹层的松弛和蠕变性质及其在坝工设计中的重要性(英文)[A];陈宗基论文选[C];1994年
9 梅升华;;高温下岩石蠕变的结构理论和形式理论[A];地球物理研究所四十年(1950-1990)[C];1990年
10 徐小丽;高峰;沈晓明;廖孟柯;;温度作用下岩石的热粘弹塑性模型研究[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
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1 郭臣业;岩石和瓦斯突出发生条件及机理研究[D];重庆大学;2010年
2 曾杰;深埋硬岩隧道围岩稳定性研究[D];重庆大学;2011年
3 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
4 张先伟;结构性软土蠕变特性及扰动状态模型[D];吉林大学;2010年
5 季明;湿度场下灰质泥岩的力学性质演化与蠕变特征研究[D];中国矿业大学;2009年
6 崔少东;岩石力学参数的时效性及非定常流变本构模型研究[D];北京交通大学;2010年
7 陈绍杰;深部条带煤柱长期稳定性基础实验研究[D];山东科技大学;2009年
8 周华樟;旋切板胶合木的蠕变及其对结构稳定性的影响[D];哈尔滨工业大学;2009年
9 何峰;岩石蠕变—渗流耦合作用规律研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
10 杨文东;复杂高坝坝区边坡岩体的非线性损伤流变力学模型及其工程应用[D];山东大学;2011年
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1 王松鹤;黄土蠕变特性试验研究[D];西北农林科技大学;2010年
2 杨欣;充填体蠕变本构模型及其工程应用[D];江西理工大学;2011年
3 姚伟林;超固结粉质粘土短期蠕变行为试验研究[D];北京交通大学;2011年
4 傅强;工程软岩蠕变理论及其支护方法的研究[D];辽宁工程技术大学;2011年
5 侯成;轴承巴氏合金的蠕变力学行为研究[D];太原科技大学;2012年
6 郭建光;考虑土体蠕变的铁路边坡稳定性分析[D];中南大学;2009年
7 周玉鑫;含夹层岩盐储库渗透性与密闭性研究[D];河北工业大学;2011年
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9 朱德武;偏压软岩隧道开挖时空效应及合理支护时机研究[D];重庆大学;2011年
10 朱龙;隧道掘进中的围岩蠕变与土体软化研究[D];天津大学;2012年
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