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煤与瓦斯突出灾害防治是世界各国煤矿生产中面临的重大难题。在以往煤与瓦斯相互作用机制的研究中,对瓦斯不同赋存状态下的煤体变形及其动态发展的研究往往忽略了对煤体吸附/解吸瓦斯过程中发生变形的这一特殊力学行为的研究。本文以含瓦斯煤体作为研究对象,以煤的孔隙特征、显微和大分子结构特征分析以及试验装置和试验方法的研发为基础,以实验室模拟试验和理论分析为手段,研究了瓦斯作用下煤的吸附/解吸变形特征及相关因素的影响。通过本文工作,建立了系统的吸附/解吸变形试验方法,揭示了瓦斯作用下煤的吸附/解吸变形试验规律,为进一步全面地研究煤体瓦斯赋存特征,探讨煤与瓦斯突出机理及有效防治煤与瓦斯突出灾害的技术途径奠定理论基础。本文主要研究成果如下:①在对前人的研究进行归纳总结的基础上,结合实验室试验对不同煤级煤尤其是软煤和硬煤的孔隙特征和显微、大分子结构特征进行了研究。结果表明,不同煤级煤孔隙结构特征和形态特征差异明显。构造作用使软煤各级孔隙相比硬煤更为发育,孔容和比表面均明显增大,孔隙连通性也比硬煤好;构造作用也使软煤和硬煤中元素富集特征产生差异,具体表现为软煤灰分中含有更多的金属氧化物;软煤和硬煤具有相同的官能团,但官能团含量有差异,软煤含有更多的弱极性含氧官能团,有利于煤对甲烷的吸附。②自行研制了煤层瓦斯吸附/解吸变形动态测试装置。该装置具有结构简单、加工成本低、可靠性高、操作灵活等特点,可实现不同含水率块煤样在不同温度、不同瓦斯压力作用下的应变与吸附量的同步测试,也能够单独进行粉煤样在上述条件下的吸附量测试。针对该装置,建立了煤吸附/解吸应变与吸附量同步测试方法和块煤有效孔隙率测试方法。利用该装置,进行了粉煤样等温吸附/解吸量测试。结果表明,煤等温吸附/解吸过程是可逆性的,但解吸过程滞后于吸附过程,吸附/解吸等温线均服从Langmuir方程;为使解吸试验结果可靠性更高,应将解吸完全时的状态,即解吸平衡压力为0MPa、残余吸附量为0m L/g纳入吸附/解吸规律拟合的数据点,且最低解吸平衡压力不高于0.5MPa。③通过对取自同一块煤的原煤和型煤样进行不同瓦斯压力下的吸附/解吸应变全过程试验,研究了两种煤样在吸附/解吸瓦斯过程中应变动力学特征的异同,并在此基础上对吸附/解吸平衡应变与瓦斯压力关系及残余变形特征进行了研究。结果表明,原煤在不同瓦斯压力下的吸附/解吸瓦斯全过程应变动力学特征曲线可划分为6个阶段,而型煤为3个阶段;原煤吸附膨胀和解吸收缩变形均呈各向异性,而型煤均近似各向同性;原煤吸附/解吸瓦斯全过程应变曲线的卸压膨胀变形阶段能较好的表征煤与瓦斯突出特性。由于两种煤样在主要的吸附膨胀和解吸收缩变形阶段具有相似的变形规律,因此将型煤代替原煤用于吸附/解吸瓦斯变形特性的一般性规律探讨是可行的。④从成型力、循环加卸载、瓦斯压力等三方面着手,研究了各试验控制因素对煤吸附/解吸变形特征的影响规律。结果表明,成型力、循环加卸载和气体压力均对煤的吸附/解吸变形特征有显著影响。基于试验结果,对于煤的吸附/解吸变形特征研究而言,宜采用50k N(成型压力约100MPa)成型煤样进行相关试验;同时,应避免气体压力形成循环加/卸载;此外,鉴于目前国内外尚无煤的高压等温吸附变形试验方法的相关规范或技术要求,结合GB/T 19560-2008、我国煤矿瓦斯压力分布情况及测试装置性能,推荐煤的高压等温吸附/解吸变形试验最高试验压力不低于8MPa,但也不能高于9MPa。⑤对不同煤级的煤吸附/解吸He、CH4和CO2单组分气体吸附量和变形特征进行了试验研究,并对不同煤级的煤在吸附性气体(CH4和CO2)气氛下的应变模式进行了分析总结。基于试验结果,探讨了不同煤级的煤吸附/解吸气体量与应变的关系,建立了CH4气氛下的吸附量与应变关系模型。在对煤吸附/解吸变形机理进行重新梳理基础上,建立了参数意义明确、能反映煤变形机理且计算结果可靠性较高的煤等温吸附/解吸应变模型,并对其进行了试验验证。⑥开展了软煤在不同含水率和不同温度条件下的煤吸附/解吸量和应变同步测试试验,得出了水分和温度对软煤等温吸附/解吸特征和变形特征的影响规律,在此基础上分别建立了考虑水分和温度影响的煤吸附/解吸应变模型。⑦基于煤在不同影响因素下的吸附/解吸变形特征,分析了吸附/解吸变形特征对煤与瓦斯突出的控制作用。结果表明,煤的变形能力与突出危险性之间具有较强的关联性。膨胀变形能力越大的煤,有利于煤与瓦斯的突出;软煤弹性潜能和瓦斯内能均较硬煤的大,导致软煤比硬煤具有更大的突出危险性;由于煤对二氧化碳吸附能力远大于对甲烷的吸附能力,二氧化碳作用下煤的破碎功较低,同时煤层能够储集更多的瓦斯内能,导致二氧化碳气氛下煤与瓦斯突出危险性更大;对同一煤层而言,含水率越高的煤,弹性势能越低和瓦斯内能均较低,突出危险性也就较低;温度升高不大的情况下,煤的弹性势能降低并不明显,反倒由于升温促进解吸,煤层在地应力作用下发生破碎时,将有更多的瓦斯内能参与对煤的破碎和抛出,使煤与瓦斯突出危险性增大。