第1章 绪论 1
1.1 煤与瓦斯突出概述 1
1.2 煤与瓦斯突出机理的研究现状及发展趋势 6
1.2.1 煤与瓦斯突出机理的研究现状 6
1.2.2 煤与瓦斯突出机理研究的发展趋势 16
第2章 煤与瓦斯突出的统计特征 18
2.1 煤与瓦斯突出的总体规律 18
2.1.1 突出与开采深度的关系 18
2.1.2 突出与地质构造的关系 25
2.1.3 突出与煤层厚度的关系 41
2.1.4 突出与巷道类型的关系 44
2.1.5 突出与作业方式的关系 46
2.1.6 突出发生的前兆特征 48
2.1.7 突出发生的总体规律 49
2.2 煤与瓦斯突出中煤体的抛出特征 52
2.2.1 突出孔洞的基本特征 53
2.2.2 突出类型与突出强度 62
2.2.3 突出煤的堆积及粒度组成 63
2.3 突出过程中的瓦斯涌出动态变化特征 69
2.3.1 突出后瓦斯涌出的动态监测 69
2.3.2 突出后瓦斯浓度的回归分析 70
2.4 突出过程中的动力效应特征 72
2.4.1 突出动力效应的表现特征分析 73
2.4.2 突出过程中的冲击波 78
2.5 煤与瓦斯突出发生过程的现场考察 79
2.5.1 苏联顿巴斯煤田突出监测资料 79
2.5.2 苏联顿巴斯“红十月”矿突出事故 85
2.5.3 中梁山煤矿突出事故 85
2.5.4 海孜矿突出事故 88
2.5.5 突出的实验室物理模拟 88
2.5.6 其他突出事故 89
2.5.7 突出发生过程的规律总结 90
2.6 本章小结 90
第3章 突出煤的结构及物理力学特性 93
3.1 突出煤层与突出煤的结构特征 93
3.1.1 突出煤层的结构特征 93
3.1.2 突出煤的结构特征 95
3.2 突出煤的微观孔、裂隙结构特征 100
3.2.1 煤中的孔隙 100
3.2.2 煤中的裂隙 105
3.2.3 突出煤的比表面积特征 107
3.3 瓦斯在煤体中的赋存特性 117
3.3.1 瓦斯在煤体中的赋存状态 117
3.3.2 煤体的吸附特性 118
3.3.3 突出煤层的瓦斯含量特征 123
3.4 突出煤的瓦斯解吸规律 143
3.4.1 瓦斯在煤体中的解吸扩散过程 144
3.4.2 煤中解吸瓦斯放散的规律 144
3.4.3 突出煤层煤样瓦斯解吸的特点 154
3.4.4 瓦斯解吸的理论模型及实验验证 156
3.4.5 解吸瓦斯在煤与瓦斯突出过程中的作用 162
3.5 吸附作用下突出煤的渗流规律 163
3.5.1 渗流实验理论 164
3.5.2 突出煤体渗透特性实验 167
3.5.3 吸附-应力耦合作用影响的瓦斯流动数学模型 180
3.6 固-气耦合作用下的煤体力学特性 190
3.6.1 煤岩裂隙扩展及破坏的演化规律 191
3.6.2 含瓦斯煤的有效应力原理 193
3.6.3 含瓦斯煤的本构关系 194
3.6.4 准静载条件下瓦斯对煤体力学特性的影响 197
3.6.5 准静载作用下的流变剪切破坏 201
3.6.6 突然卸载条件下瓦斯对煤的破坏 207
3.7 本章小结 223
第4章 煤与瓦斯突出的力学演化机制 227
4.1 煤与瓦斯突出的演化流程 227
4.2 突出孕育阶段围岩的力学状态 229
4.2.1 采掘工作面前方的支承压力分布 229
4.2.2 工作面前方的应力状态模拟 233
4.2.3 工作面前方煤壁的破坏过程分析 241
4.3 煤与瓦斯突出激发的失稳机制 243
4.3.1 突出激发的失稳模型 243
4.3.2 突出激发时煤壁的失稳形式 245
4.3.3 突出激发的影响因素 247
4.4 煤与瓦斯突出发展阶段煤的破坏机制 252
4.4.1 突出发展的力学模型 252
4.4.2 突出激发后孔洞壁的应力状态变化 252
4.4.3 突然卸载条件下应力波的传播 257
4.4.4 孔洞壁的瓦斯压力状态 262
4.4.5 突出发展的物理模拟实验 265
4.4.6 突出发展阶段层裂的数值模拟 269
4.4.7 突出发展阶段煤的层裂破坏机理 272
4.4.8 突出发展阶段煤的粉化破坏机理 278
4.5 煤与瓦斯突出的暂停、再次激发和终止机制 282
4.6 本章小结 284
第5章 煤与瓦斯突出发生的力学条件 286
5.1 煤与瓦斯突出发生的总条件 286
5.2 突出激发的能量条件 290
5.2.1 煤体及瓦斯释放的能量 291
5.2.2 煤体耗散的能量 294
5.2.3 计算结果及分析 295
5.3 基于能量分析的突出强度预测 299
5.3.1 突出孔洞范围内煤体的弹性势能 299
5.3.2 突出影响范围内煤体的瓦斯内能 300
5.3.3 周围煤岩体对突出范围内煤岩所做的功 302
5.3.4 煤岩体的破碎功 302
5.3.5 瓦斯及煤粒混合体的抛出功 303
5.3.6 突出强度的预测方法 305
5.4 煤与瓦斯突出发生的数值模拟与分析 306
5.4.1 水平煤层巷道掘进突出的模拟 306
5.4.2 倾斜煤层瓦斯突出的模拟 312
5.4.3 材料非均质对突出发生的影响 315
5.5 煤与瓦斯突出案例的能量关系分析 317
5.5.1 沿沟煤矿“11·8”事故 317
5.5.2 化处矿切眼上山突出事故 318
5.6 本章小结 319
第6章 煤与瓦斯突出过程中的瓦斯涌出规律 320
6.1 突出过程中涌出瓦斯的来源 321
6.2 突出时抛出煤的瓦斯涌出规律 322
6.2.1 抛出煤瓦斯涌出模型的建立 322
6.2.2 抛出煤瓦斯涌出速度 323
6.2.3 计算结果及分析 324
6.3 突出时孔洞壁附近煤体的影响范围 326
6.3.1 煤体影响范围的理论分析 326
6.3.2 煤体影响范围的静动态有限元分析 326
6.4 突出时孔洞壁附近煤体的瓦斯涌出规律 330
6.4.1 煤层瓦斯流动的模拟方法 330
6.4.2 工程实例 331
6.4.3 影响因素分析 333
6.4.4 瓦斯涌出速度的近似计算 344
6.5 参数拟合及突出实例验证 346
6.5.1 现场数据 346
6.5.2 参数m的拟合 348
6.5.3 突出实例验证 350
6.6 突出后巷道内高浓度瓦斯的运移及衰减 353
6.6.1 突出后瓦斯的运移及监测 353
6.6.2 突出后巷道内高浓度瓦斯的衰减 354
6.7 本章小结 357
第7章 突出煤和瓦斯的运动规律和动力效应 358
7.1 突出孔洞内煤-瓦斯两相流的流动状态 358
7.1.1 突出孔洞内煤-瓦斯两相流的数学模型 359
7.1.2 突出过程中煤-瓦斯两相流的临界状态 362
7.1.3 气-固两相流中的声速 365
7.1.4 煤-瓦斯两相流运动状态的数值模拟 368
7.1.5 现场实例分析 375
7.2 煤与瓦斯突出冲击波的形成机理及其传播规律 377
7.2.1 扰动波与冲击波 378
7.2.2 空气冲击波基本原理 379
7.2.3 煤与瓦斯突出冲击波的主要特征 382
7.2.4 煤与瓦斯突出冲击波的形成机理 383
7.2.5 突出冲击波在巷道中的传播规律 388
7.2.6 石门揭煤突出冲击波形成及传播规律的数值模拟 389
7.2.7 煤与瓦斯突出事故分析 397
7.3 煤-瓦斯两相流在巷道内的运移规律 400
7.3.1 研究思路和方法 400
7.3.2 固体颗粒在气流中的悬浮运动方程 401
7.3.3 粉煤颗粒群在巷道内的运移数学模型 402
7.4 本章小结 409
第8章 煤岩瓦斯动力灾害新的分类及鉴别方法 411
8.1 煤岩瓦斯动力灾害新的表现特征 411
8.1.1 典型煤岩动力灾害的表现形式 411
8.1.2 高瓦斯煤层煤岩瓦斯动力灾害新的表现特征 413
8.1.3 灾害事故新的表现特征 417
8.2 煤岩瓦斯动力灾害的统一能量方程及破坏准则 418
8.2.1 煤岩瓦斯动力灾害发生的能量来源分析 419
8.2.2 煤岩瓦斯动力灾害发生的统一能量方程 421
8.2.3 围岩煤体系统失稳破坏的能量传递过程 421
8.2.4 煤岩瓦斯动力灾害发生的能量判据 422
8.2.5 不同强度特征煤对灾害发生的影响分析 424
8.3 矿井煤岩瓦斯动力灾害新的分类及鉴定方法研究 425
8.3.1 基于能量方程的煤岩瓦斯动力灾害新的分类 426
8.3.2 煤岩瓦斯动力灾害新分类的鉴定方法 429
8.3.3 实验研究 430
8.3.4 现场案例分析 434
8.4 矿井煤岩瓦斯动力灾害诱发转化机制 435
8.4.1 冲击地压与煤岩瓦斯突出的统一理论及诱发转化机制探讨 435
8.4.2 冲击地压与煤岩瓦斯突出的诱发转化条件 437
8.4.3 采动应力场分布特征及其对动力灾害发生的影响分析 438
8.5 本章小结 443
第9章 理论研究成果的应用 444
9.1 突出机理的量纲分析 444
9.1.1 煤岩体的准静态变形破坏 444
9.1.2 含瓦斯煤的动态剥离和破碎 445
9.1.3 碎煤瓦斯流的运动 446
9.1.4 突出模型的相似准则 447
9.2 突出力学作用机理对突出过程中现象的解释 448
9.2.1 对一些突出激发现象的解释 448
9.2.2 对一些突出发展现象的解释 453
9.3 预防煤与瓦斯突出技术的发展思路 456
9.3.1 预防煤与瓦斯突出的技术体系 456
9.3.2 煤与瓦斯突出危险的预测与监测预警 458
9.3.3 预防控制煤与瓦斯突出技术措施 459
9.3.4 对现行安全法规的改进建议 461
参考文献 462