04 - 煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理

3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
不同瓦斯放散初速度条件下的突出发生情况
实验 编号 1 2 3 4 5 6 7
3000
瓦斯放散 初速度
11.34 6.14 13.74 13.9 10.4 8.87 16.8
垂压力 /MPa 7.76 7.76 7.76 7.76 7.76 7.76 7.76
水平压力 /MPa 2.42 2.42 2.42 2.42 2.42 2.42 2.42
提出 煤岩瓦斯动力灾害统一机理与新的分类方法
煤岩瓦斯动力 灾害统一理论
建立
煤与瓦斯突出发展的力学模型
突出机理
实施
煤与瓦斯突出相似材料模拟
建立
煤与瓦斯突出的涌出瓦斯来源计算模型
涌出瓦斯来源
实施
粉煤瓦斯流运动规律的数值模拟
突出致灾机理
完善
煤层瓦斯压力与含量测定基础研究
突出影响参数 的测定
2009年度研究进展
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
限制突出口大小和突出口一端位移的突出实验
突出孔洞形状的石膏拓模
形成的突出口
推想：突出过程中应力波的传播
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
煤与瓦斯突出的三维相似材料模拟实验
z y 10 11
1 4 5
液压式压力机
2 3
9 6 x 7 8
x
实验装置结构原理图
基本参数
瓦斯对冲击倾向性指标的影响
10
700 600 500 400 300 200 100 0 -1 0 1 吸附瓦斯压力(Mpa) 2 3
单轴抗压强度(MPa)
6
4 -1 0 1 吸附瓦斯压力(MPa) 2 3
2
冲击能量指数
弹性能量指数
时间(ms)
8
4 3 2 1 0
1.8 1.6 1.4 1.2 1 -1 0 1 吸附瓦斯压力(MPa) 2 3
模型尺寸：0.22×0.22×0.1875m3 巷道断面尺寸：3.0×2.5m2
实验装置实物图
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
瓦斯压力为0.95MPa时 的突出孔洞破坏情况
不同瓦斯压力条件下的突出发生情况
实验 瓦斯压力 垂向压力 前侧压力 右侧压力 突出强度 突出距离 突出情况 /MPa /t /MPa /MPa /g /cm 编号 1 0.25 7.76 2.80 2.37 0 0 不突出 2 0.35 7.76 2.88 2.48 15 80 突出 3 0.45 7.76 2.42 2.88 200 250 突出 4 0.67 7.76 2.42 2.88 2090 740 突出 5 0.95 7.76 2.42 2.88 2555 790 突出
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
煤岩动力灾害新的分类方法
地 应 力 作 用 瓦 斯 作 用
冲击 地压
煤岩 瓦斯 冲击
煤岩 瓦斯 压出
煤与 瓦斯 突出
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
瓦斯对冲击倾向性指标的影响
实验装置原理图
实验装置 实物图
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
煤壁暴露面前方煤体损伤加剧，竖向裂纹张开
距暴露面一定距离处张大的裂纹中充入瓦斯，裂纹沿暴 露面方向扩展并贯通，贯通裂纹附近的煤体进一步损伤
孔洞壁处煤沿贯通的裂纹剥离，形成新的暴露面
已经损伤且剥离的煤在抛出过程中进一步发生粉化破坏
剥离的煤来不及抛出，孔洞内瓦斯压力升高，孔洞壁所 受压力增大，致使弹性波幅度变小
1/2
在纯瓦斯压力作用下，椭圆孔最先总沿长轴方向扩展。
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
突出发展过程中孔洞壁的连续破坏
突出发展过程中破坏煤体的力除了地应力和瓦斯压力之 外，还有应力波的参与。 • 突出发展是动力学过程，动力学过程必然有波的产生； • 突出孔洞基本不会在水平方向有大的拐弯，这是由于 波的传播具有方向性的原因。
• 纵波（P波），传播速度为5.5～7km/s； • 最初产生的波为平面波，随着突出的发展，后续产生 的波的波阵面变为圆弧面。
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
突出发动，失稳煤体突然抛出
突 出 发 展 过 程 中 孔 洞 壁 的 连 续 破 坏 过 程
新形成的暴露面上因弹性能突然释放受到动态拉力作用
弹性波（纵波）向前传播，支承压力向前转移
煤与瓦斯突出和冲击地压在许多方面是统一的， 在某些条件下可以相互诱发和转化。
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
煤岩动力灾害统一能量模型
Ee E f Ed Ep Er
弹性应变能 + 游离瓦斯内能 + 吸附瓦斯内能 = 塑性应变能 + 剩余能量
方程左边说明煤岩变形过程中集聚的弹性能、煤体中游离瓦斯 由于体积变化而产生的膨胀能及煤岩破坏造成瓦斯解吸释放的 能量构成了煤岩动力灾害发生前的能量状态，方程右边反映了 煤体发生塑性破坏要消耗掉部分能量，剩余能量则成为动力灾 害发生时的动力源。
-1
0
1 吸附瓦斯压力(MPa)
2
3
随着瓦斯压力升高，煤的冲击倾向性增加，因此在通过测量冲击 倾向性来预测冲击地压时，应考虑瓦斯对煤体性质的影响。
2009年度研究进展
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
给出突出发展过程中孔洞壁煤体连续破坏的过程与条件
建模与修正
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
研究方法
何种形 式的破 坏？
分析与推论： 1. 突出发展过程中存在一个向前推进的破坏阵面，在破坏阵 面上煤体成层剥离，多个剥离后尚未完全破坏的分层组合 起来呈现出“层裂”现象；
2. 煤在层裂破坏后的抛出过程中会发生更为彻底的破碎，可 定义为“粉化”破坏；
3. 随着瓦斯压力的降低，突出过程中煤体破坏的剧烈程度降 低，抛出分层进一步粉化破坏的程度降低，甚至基本不破 碎。
实验装置实物图
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
实验 序号 1 2 3 成型压力 （MPa） 2.0 3.0 3.0 成型时间 （h） 70 18 24 型煤密度 （t/m3） 1.032 1.082 1.086 气体压力 （MPa） 1.55 1.05 0.68 充气时间 （h） 48 46 48 煤被 抛出 是 是 否 发生 层裂 是 是 是
突出强度 /g 160 18 240 550 340 0 2480
突出距离 /cm 150 35 250 610 330 0 750
(g)
800
Data: Data1_B Model: Belehradek Equation: y = a*(x-b)^c Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 240324.19404 R^2 = 0.79112
测点气体压力/MPa
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 时间/S 测点0 测点1 测点2 测点3 测点4
3号实验各气 体压力测点 压力变化图
注：压力传感器从模型底部到孔洞口依次编号
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验
实验装置实物图
煤样类型 实心型煤 空心型煤 原煤 原煤
充入气体 CO2 CO2 CO2 CO2
气体压力 /MPa 2.2 4.1 2.2 1.6
吸附时间 /h 45 25 39 39
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
实 心 型 煤
空 心 型 煤 卸压前 卸压后
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
卸压前
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
• • • •
煤与瓦斯突出和冲击地压的异同点 煤岩动力灾害统一能量模型 煤岩瓦斯动力灾害新的分类方法 瓦斯对冲击倾向性指标的影响
1.煤岩瓦斯动力灾害的统一机理与新的分类方法
煤与瓦斯突出和冲击地压的异同点
相同点 通过对大量矿区的灾害事
• 力学及能量平衡系统遭到破坏 • 破坏过程快速而猛烈 • 均在高应力区或采掘过程中发生破坏 不同点 • • • • 能量来源有差别 灾害发生各阶段的能量耗损不同 破坏形式不同 表现特征不同 例分析发现： 随着开采深度和强度的增 加，许多原来只发生煤与 瓦斯突出的含瓦斯煤层发 生的动力灾害往往兼具煤 与瓦斯突出和冲击地压两 者的特征。
损伤、断裂力学
破坏
破坏如 何连续 进行？
破坏动力学
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
地应力对煤体的破坏
实质：裂纹的起裂、扩展和贯通
压剪裂纹尖端的应力强度因子： KⅠ 断裂裂纹岩桥贯通的三种方式：
剪切破坏
2 3

xy
f xx a
拉剪复合破坏
翼裂纹破坏
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
2. 原煤虽然能发生一定程度的碎裂破坏，但并不能像突出那 样碎为极细的粉末，说明仅瓦斯作用时不能从较小的孔隙 和微孔破坏煤体，而只能从较大的裂纹破坏煤体； 3. 基本上可认为吸附瓦斯的解吸过程对煤体的破坏作用较弱。
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验
实验装置结构原理图
2号实验在突出发展过程中拍摄到的层裂现象
3号实验在突出后拍摄到的层裂现象
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
测点气体压力/MPa
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时间/S 测点0 测点1 测点2 测点3 测点4
2号实验各气 体压力测点 压力变化图
侧压力 /MPa 2.88 2.48 2.88 2.88 2.88 2.88 2.88
1000
突出情况 突出 突出 突出 突出 突出 不突出 突出
(mm)
Data: Data1_B Model: Belehradek Equation: y = a*(x-b)^c Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 25121.64953 R^2 = 0.79266 a b c 6.22569 4.86323 1.93348
卸压过程中
原煤在卸压过程中的破坏
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
含瓦斯煤的解吸破坏实验
煤样类型 实心型煤 破坏程度 卸压后煤体出现少量垂直轴向的裂纹
空心型煤 原煤
卸压后煤体被破坏为较大的块状 卸压过程中煤体表面有粒状或薄片状颗粒剥离
分析与推论： 1. 型煤不像原煤那样内部含有原生裂纹，从而导致型煤基本 上不发生碎裂破坏；
单独瓦斯压力对煤体的破坏
实质：裂纹尖端发生拉伸破坏和扩展
椭圆孔周围的应力强度因子：
a K b
1/2
p 2 2 2 2 b sin a cos E(k )


1/4
1/2 p Kb a E(k )
p a2 Ka E(k ) b
2500
2000
600
1500
400
1000
a b c 9.19819 ±147.09454 6.14 ±17.40966 2.25445 ±5.25848
±59.69626 ±12.76177 ±3.08183
200
500
(ΔP)
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
产生新的应力波 并向前传递，孔 洞壁煤体损伤进 一步加剧
瓦斯压力导致孔 洞壁处裂隙扩展， 煤壁剥离，形成 新的暴露面
2009年度研究进展
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
实验名称 实验目的 分析含瓦斯煤在外部应力 突然卸载时，煤体内部瓦 斯对煤体的破坏作用
含瓦斯煤的解吸破坏实验
煤与瓦斯突出的一维相似材料模拟实验
煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理
课题编号：2005CB221504 承担单位：煤炭科学研究总院重庆研究院 负 责 人：胡千庭
2010年4月
汇报提纲
1. 2009年度研究进展 2. 五年计划任务的完成情况 3. 进一步研究计划 4. 经费使用情况 5. 课题间的合作交流与科学数据共享
2009年度研究进展
最简化力学条件下的煤与 瓦斯突出实验，分析突出 发展的力学过程
煤与瓦斯突出的三维相似材料模拟实验
分析复杂力学条件下，不 同要素对突出的控制作用
3.煤与瓦斯突出的相似材料模拟实验
含瓦斯煤的解吸破坏实验
实验装置结构原理图
实验 组号 1 4 2 3 成型压力 /MPa 100 100 — — 煤样尺寸 /mm Φ50×75 Φ(50 - 20) ×67 50×50×50 50×30×50
突出阵面前进速度逐渐减慢，直到突出终止或暂停
2.煤与瓦斯突出发展的力学模型
突出发展过程中孔洞壁的连续破坏过程
突出发动，形成 新暴露面，支承 压力向前转移
应力波向前传递 并衰减，煤壁发 生损伤加剧
2.煤与瓦斯突ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发展的力学模型
瓦斯压力导致孔 洞壁处裂隙扩展， 煤壁剥离，形成 新的暴露面，支 承压力前移