深部煤岩瓦斯复合动力灾害中围岩与煤层的能量互馈机制

摘要

煤岩瓦斯复合动力灾害(以下简称“复合灾害”)是“含瓦斯煤层-围岩”系统在深部开采扰动下发生的能量剧烈释放的灾变行为.目前对复合灾害中煤层与围岩能量的互馈作用，尤其是围岩的作用机制仍缺乏深入分析.通过开展不同地应力和煤岩强度差条件下含瓦斯煤岩结构失稳的物理模拟试验，分析了复合灾害能量转换规律，并重点探讨围岩弹性能的作用机制.基于扰动响应准则构建了围岩失稳临界判据模型，定量确定了围岩失稳临界条件及围岩能量积聚对复合灾害的作用.试验结果表明：灾害演化受围岩与煤体能量互馈路径主导，具体表现为：高地应力与低顶板强度条件下，围岩因储能能力增强积累更高剩余弹性能；二者的剩余弹性能通过“煤体-围岩”双向传递机制相互促进破坏，导致煤体和顶板破坏程度加剧，进而促使抛出孔洞更易向上扩展，最终显著增强灾害强度与发生风险.理论结果表明：低强度和高冲击倾向性围岩均因储能能力弱、塑性区扩展阈值低，易在扰动下失稳，更容易通过能量传递加剧煤体破坏；增强煤岩强度虽能提高围岩失稳临界应力，但冲击倾向性同步增大，可能反向降低失稳临界值，形成防控矛盾.支护强度提升虽能有限增强围岩储能能力，但主要通过约束变形使弹性能释放集中于可控区域，降低对煤体传递能量的风险.开挖半径增大虽会显著扩展塑性区半径和弹性能储量，但不会直接增加灾害风险，但灾害发生时大量弹性能集中释放可能会增大灾害强度.研究提出“介质改性-卸荷消能”防控策略，为深部复合灾害预测及防控提供理论依据.

关键词

煤岩瓦斯复合动力灾害 / 能量 / 围岩 / 煤与瓦斯突出 / 冲击地压

基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFC3009003); 国家自然科学基金项目(52130409); 中央高校基本科研业务费(BBJ2025031)