煤與瓦斯突出過程的力學作用機理

1、第33卷第12期煤炭學報Vol.33No.122008年12月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY Dec.2008文章編號:0253-9993(200812-1368-05煤與瓦斯突出過程的力學作用機理胡千庭1,2,周世寧1,周心權1(11中國礦業(yè)大學(北京資源與安全工程學院,北京100083;21煤炭科學研究總院重慶研究院,重慶400037關鍵詞:煤與瓦斯突出;力學;機理;失穩(wěn)中圖分類號:T D71311文獻標識碼:AM echan i ca l m echan is m of coa l and ga s outburst processHU Q ian

2、2ting1,2,Z HOU Shi2ning1,ZHOU Xin2quan1(11School of Resources and Safety Engineering,China U niversity of M ining and Technology(B eijing,B eijing100083,China;21Chongqing R esearch Institute,China Coal Research Institute,Chongqing400037,ChinaAbstract:“Coal and gas outburst is a mechanical failure p

3、r ocess”,based on this standpoint,an in2dep th study of the mechanical mechanis m of coal and gas outburst p r ocess was perf or med thr ough theoretic analysis and nu merical si m ulati on.The p r ocesses of the p reparati on,start,devel opment and st op of outburstwere divided again,and a de2 tail

4、ed descri p ti on for each p r ocess was given.I n the p reparati on stage of outburst,stress concentrati on and failure occur in wall r ock,this makes it possible f or the subsequent destabilizati on.The start of outburst is a sudden desta2 bilizati on of wall r ock,and the subsequent breakage and

5、thr o w of the instability coal and r ock.The devel opment of outburst is a p r ocess of coal breakage in cavity wall fr om superficial part t o deep part,and this p r ocess is contr olled by the stress distributi on of cavity wall and the tensile failure of coal on account of gas p ressure in pores

6、 and frac2 tures,and it can be divided int o t w o stages:pulverizing stage and s palling stage.The support of cu mulate coal and r ock or the change of cavity shape p r omotes the stress state change,which is the leading cause of outburst st op. Key words:coal and gas outburst;mechanis m;mechanical

7、;destabilizati on1煤與瓦斯突出的力學作用過程描述根據大量實際發(fā)生的煤與瓦斯突出案例以及許多學者的研究成果1-2分析認為:煤與瓦斯突出的力學作用過程可用圖1描述3.首先是突出的準備階段,這一階段是突出發(fā)生條件的醞釀階段.它包括采掘作業(yè)、應力加載、煤巖受收稿日期:2007-12-21責任編輯:畢永華基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973項目(2005CB221503;國家自然科學基金重點資助項目(50534080作者簡介:胡千庭(1957,男,江西吉安人,研究員,博士生導師.Tel:023-*,E-mail:huqtinhot m ail1com第12期胡千庭等: 煤與瓦斯突

8、出過程的力學作用機理圖1煤與瓦斯突出的力學作用過程描述Fig 11Phase divisi on of coal and gas outburst力狀態(tài)的改變、煤巖物理力學參數的變化、煤巖體內瓦斯壓力的變化及瓦斯吸附解吸狀態(tài)的變化等,當這一系列參數和狀態(tài)的變化積累到一定程度、并足以使煤巖體發(fā)生破壞失穩(wěn)和拋出時,準備階段結束,進入突出發(fā)動階段.在大多數情況下,煤巖體內的物理力學參數和狀態(tài)的變化不足以達到煤2煤與瓦斯突出的發(fā)動圖2煤巖受力過程的應力應變曲線及蠕變曲線Fig 12The stress 2strain curve and creep curves of coal r ock l oad

9、ing p r ocess211煤巖失穩(wěn)的力學機理圖2(a 為煤巖受力過程的全應力應變曲線4.該曲線表明煤巖在承受外力作用條件下發(fā)生變形包括:低應力階段(O -A -B ,煤巖應力應變呈指數規(guī)律變化,變形量由大到小變化,說明多孔介質的煤巖體在應力作用下被壓密;中應力階段(B -C ,煤巖應力應變呈近似線性變化;高應力階段(C -D ,煤巖應力應變呈近似拋物線變化,變形量由小變大,說明煤巖內部破壞裂紋迅速產生,直至煤巖被破壞,承載能力開始下降;承載能力迅速下降階段(D -E ,應力應變近似呈負線性變化,煤巖承載能力迅速下降,直至E 點基本失去承載能力,煤巖體失穩(wěn).圖2(b 為煤巖受力過程的蠕變曲

10、線,圖中A >B >C .該曲線表明:煤巖在載荷作用下都會發(fā)生蠕變變形,隨著載荷的增加,蠕變特性會迅速增加.由于煤巖的蠕變特性,隨著時間的推移,即使應力不再增加,煤巖的變形也會發(fā)生顯著變化,尤其是進入蠕變加速階段(c9631煤炭學報2008年第33卷圖3煤巖受振動載荷的應力應變曲線Fig 13Stress 2strain curves of coal r ock when bearing circular l oad-d ,煤巖變形迅速增加,煤巖內部破壞裂紋迅速產生,煤巖承載能力下降,直至失去承載能力而失穩(wěn).圖3為煤巖承受振動載荷時的應力應變曲線,實際相當于對煤巖體的反復加載與卸載

11、,由于加卸載路徑不重合,反復加卸載易于使煤巖體變形進入D 點失去承載能力而失穩(wěn).212采掘工作面圍巖的力學破壞形式根據文獻3對采掘工作面圍巖的破壞過程進行模擬,分析得到的水平位移和剪應變結果如圖4所示, 結果表明,煤層中部水平應力接近0,煤層頂底部出現(xiàn)較高的剪切應力.圖4采掘工作面圍巖的水平正應力和剪應力分布Fig 14The distributi on of horizontal nor mal stress and shear stress of working face對含瓦斯煤體,根據K 1太沙基(Terzaghi 的有效應力原理,有=-p,f =c +tan ,其中,為有效應力;為總

12、應力;p 為孔隙流體壓力;f 為抗剪強度;c 為有效黏聚力;為有效內摩擦角.瓦斯的存在使有效應力和抗剪強度降低,會使煤層中部區(qū)域出現(xiàn)拉應力,頂底部煤層易形成剪破壞.根據損傷力學的研究結果,對于煤體中存在的圓盤形裂紋,僅在裂紋內氣體作用下發(fā)生擴展的條件5為p -p 0K I C (2a ,其中,p 為裂隙中的瓦斯壓力,MPa;p 0為外界氣體壓力,MPa;K I C 為煤體的斷裂韌性,MN /m 115;a 為煤體內裂隙的半徑,m.隨著煤體內裂隙的擴展,即裂隙半徑a 的增大,煤體裂隙擴展所需要的瓦斯壓力越來越小.在孔裂隙內瓦斯壓力變化不大的情況下,瓦斯對煤體造成的拉伸破壞具有突變性質,即瓦斯的作

13、用一旦使煤體的裂紋開始擴展,這種破壞通常能持續(xù)進行,造成煤體徹底破斷.由此可知,采掘工作面圍巖的力學破壞形式主要為拉破壞和剪破壞,瓦斯的存在加速了拉破壞和剪破壞,并極易使裂紋迅速擴展.213引起采掘工作面圍巖失穩(wěn)的主要原因0731第12期胡千庭等:煤與瓦斯突出過程的力學作用機理煤巖力學強度迅速變小,相當于外加沖擊載荷的作用.(3弱面主要是指斷層、褶曲和裂隙等,它相當于天然的剪切面,極易在弱面處形成剪切失穩(wěn).弱面的存在使其抗拉、抗壓、抗剪強度顯著降低(內聚力和內摩擦角顯著減小,也會促使煤巖體失穩(wěn)并移動.(4應力轉移是指支承壓力極限平衡區(qū)被破壞后,其應力向深部轉移的過程.一般情況下,盡管煤體已處于

14、破壞后的峰后階段,但由于煤體進一步變形破壞后,其所承受的載荷總能向周圍煤巖體轉移而達到新的平衡狀態(tài),煤壁不會發(fā)生失穩(wěn).在一些特殊條件下,如煤巖強度不均,在應力轉移過程中低強度煤巖軟化,高強度煤巖承受較高的垂直支承壓力,阻止應力向深部轉移,軟化煤巖可導致頂板不斷下沉,使得高強度煤巖不斷承受更高應力而出現(xiàn)脆性破壞失穩(wěn),導致采掘工作面圍巖較大面積失穩(wěn).支護逐漸失效相當于應力轉移.214突出的發(fā)動機理在突出發(fā)動以后,深部的高地應力高瓦斯壓力的煤體突然暴露出來,在形成的突出孔洞周圍煤體的徑向應力突然釋放,同時孔洞壁煤體內的瓦斯壓力和孔洞中的氣壓相差很大.孔洞壁周圍煤體承受如圖5(a 所示的地應力和瓦斯壓

15、力的作用.顯然靠近孔壁處瓦斯壓力大于徑向地應力,煤體承受拉應力作用被拉伸破壞失穩(wěn),因此該階段是在高瓦斯壓力作用下的粉化破碎階段 .圖5突出發(fā)展時孔洞壁的徑向應力和瓦斯壓力分布Fig 15B reakage of cavity wall under radial stress and pore p ressure during outburst devel opment stage隨著破壞的持續(xù)發(fā)展,拋出的煤體部分堆積在孔洞內,對孔壁形成徑向支撐力,其受力狀態(tài)如圖5(b 所示.此時,拉應力逐漸變小、甚至消失,孔壁煤體主要經受剪切破壞,剪切面基本成凹球面,如圖4(b 所示,剪切面內的瓦斯達到一定數

16、值時將球面薄層推出,呈現(xiàn)明顯的分層破壞特征.隨著破壞的深入,孔壁堆積碎煤的支撐力以及瓦斯壓力進一步增大,孔壁煤體的瓦斯壓力梯度降低,導致煤體無法發(fā)生進一步的破壞,而僅在地應力作用下發(fā)生緩慢的蠕變變形,孔壁瓦斯繼續(xù)向孔洞滲流.隨著時間的推1731煤炭學報2008年第33卷2731移,這種移動和滲流將變得非常緩慢,直至移動停止,這時可以認為突出已經終止.在破壞持續(xù)發(fā)展過程中,堆積碎煤減小孔內瓦斯噴出通道,使孔內瓦斯壓力增大.當瓦斯壓力達到一定程度,瓦斯壓力突破堆積煤的阻力攜帶碎煤噴出,孔內瓦斯壓力下降,孔壁煤體又可能在拉應力作用下粉化,因此,發(fā)展前期可能出現(xiàn)粉化和層裂破壞的交替進行,直至采掘空間和

17、孔內堆煤顯著增加時,堆積碎煤阻力增大到難以被突破,層裂破壞才可能持續(xù)下去,直至層裂停止,突出也被終止.因此,突出的發(fā)展過程實際上是間歇式多次發(fā)生的.當突出發(fā)動后,如果孔壁煤層瓦斯壓力不高,瓦斯不足以導致孔壁煤體拉破壞并粉化,則突出的發(fā)展就不會具有粉化破壞第1發(fā)展階段,而是直接進入層裂的第2發(fā)展階段,出現(xiàn)分層破壞特征;如果孔壁煤層瓦斯壓力不足以分層破壞煤體,突出的發(fā)展直接進入層裂移動的第3發(fā)展階段,實際上這種破壞模式主要出現(xiàn)在壓出和傾出類動力現(xiàn)象中.4結論煤與瓦斯突出經歷準備、發(fā)動、發(fā)展和終止4個階段.采掘工作開展后,采掘空間載荷通過頂、底板向煤壁方向轉移,導致煤壁逐漸發(fā)生破壞,形成了支承壓力極

18、限平衡區(qū).大多數情況下,此極限平衡區(qū)是穩(wěn)定的.但在遇到煤巖體中含有結構弱面、外界擾動、頂板突然斷裂、煤巖突然脆性破壞或發(fā)生較大的流動變形等情況時,可能導致極限平衡區(qū)內煤壁附近煤體失穩(wěn).失穩(wěn)煤體失去承載能力,煤巖體中積聚的彈性勢能、瓦斯內能和失穩(wěn)煤體本身所具有的重力勢能將失穩(wěn)煤體破碎并拋出(或擠出,使失穩(wěn)煤體與實體煤分離,也即突出發(fā)動.突出發(fā)動形成了最初的突出孔洞,在孔洞周圍高壓瓦斯煤體突然暴露,其應力狀態(tài)發(fā)生改變,孔洞壁失去支撐力的作用,在孔洞煤壁形成了較高的瓦斯壓力梯度,使煤體內產生拉伸應力發(fā)生破壞并被拋出;隨著拋出煤的堆積,孔內瓦斯流動阻力加大,瓦斯壓力上升,堆積煤對孔壁的支撐力加強,煤璧

19、內煤體拉伸破壞點往深部移動,并與剪應力共同作用形成裂隙面,瓦斯向裂隙面內解吸,裂隙內瓦斯壓力增大,并迅速擴展裂隙,導致在孔洞壁暴露面處煤體發(fā)生層裂破壞并被拋出.煤體破壞拋出使孔洞變大,在孔洞周圍形成了新的暴露面,孔洞壁煤體發(fā)生新一輪的破壞拋出.隨著拋出(或擠出的煤在孔洞內外的堆積,逐漸減小拋出通道的面積,使得孔洞壁受堆積煤的支撐力變大,孔洞壁煤體層裂破壞變得困難,轉而形成層裂移動,直至層裂移動終止,突出終止.在孔洞內瓦斯流動阻力加大的過程中,瓦斯壓力逐漸升高,常會出現(xiàn)突破阻止瓦斯流動的障礙,使高壓瓦斯攜帶破碎粉煤拋出,孔洞壁煤體加速破壞的反復過程,因而突出是一個煤體間歇多次破壞和拋出的過程.參考文獻:1于不凡.煤和瓦斯突出機理M.北京:煤炭工業(yè)出版社,1985.Yu Bufan.M echanis m of coal and gas outburstM.Beijing:China Coal I ndustry Publishing House,1985.2霍多特B B.煤與