煤与瓦斯突出的动态过程研究

煤与瓦斯突出的动态过程研究

一. 研究背景

目前对煤与瓦斯突出机理的定性认识已经明确为地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质、重力等四方面因素综合作用的结果。煤与瓦斯突出实质上是一种力学现象,在地应力作用下受压状态的含瓦斯煤层受开采的卸压扰动后有可能破坏,甚至流化而突出。煤与瓦斯突出的预测、防治均是以这种定性的理论为基础的。定量计算预测和判断煤与瓦斯突出发生与否的最大障碍在于对煤的力学性质及其灾变动力过程规律的研究还不够充分和完善。比如,流变假说指出了煤与瓦斯突出过程与煤的流变性质密切相关,是煤与瓦斯突出机理研究的一个新方向。但岩石力学目前对煤岩流变现象的研究还只建立在各种组合体模型的基础上,对流变本质还没有完全认识,从而限制了流变假说从定性上升为定量。煤与瓦斯突出是一种复杂的力学现象,由于瓦斯参与作用,它比其它岩石力学现象更为复杂。研究煤与瓦斯突出必须以煤岩的力学性质和其动力破坏过程为基础。

二.煤岩强度的讨论

在岩石力学中,岩石强度被视为岩石的一个重要性质并成为岩石力学研究的主要内容之一。岩石损伤力学与传统的岩石力学相比,最主要的区别在于将岩石强度为核心转为以损伤演化过程为中心,是思维方式的突破和发展。根据煤岩无因次损伤演化方程及应力应变方程,对于力学性质相似的一类煤岩,应力峰值点的无因次应力L均相同,其强度大小取决于弹性模量和损伤耗能率。表1为砂岩在不同围压下的损伤耗能率及强度。

强度与损伤耗能率关系曲线,由图1可知:强度随损伤耗能率的增大也呈增大趋势,但增大的幅度是先减小后增大,关系较为复杂,其原因是强度不仅仅是损伤耗能率的函数。无因次分析表明:当本构方程中的几个指数相同时,力学性质是相似的,此时强度与损伤耗能率的j/(j+l)次方成正比j为指数,与弹性模型的1/（j+1)次方成正比。试验结果则说明,不同围压下,指数j、l、m也发生变化,比如围压越大j越小,越接近于线性弹性;同时弹性模量也发生变化,所以使得强度与损伤耗能率为复杂的函数关系。但无论怎样,随着围压的增大,损伤耗能率和强度同时随之增大的趋势是固定不变的。

图1强度与损伤耗能率关系曲线

损伤消耗的机械能主要转换成岩石裂隙的表面能。同一种材料,从无损状态变化到失去承载能力,其损伤从0增大到1,如果它在该过程中生成裂隙的总表面积越大,则其损伤耗能率必然越大。

在煤与瓦斯突出的研究中,煤的原始破坏程度是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素,这是由于原始破坏程度越高,煤体越破碎,如果突出过程中使煤的损伤由0演化到1,则显然相伤耗能率就越小,所以瓦斯突出所需地应力和瓦斯所做的功就越少,瓦斯就越容易突出。

上述分析表明,岩石强度与弹性模量的1/j次方成正比定量说明了强度与弹性模量的关系。软岩与硬岩相比由于矿物颗粒间的粘结力小,其损伤耗能率就小。软岩强度低的另外一个原因是其可变形性大,或者说当指数j相同时,弹性模量更小,其结果是当应力达到同样值时,外界对软岩做的功就更多,为损伤演化提供更多的能量。可见软岩的弹性模量小不仅使其强度降低,而且使其更容易变形,变形越大,外界做功就越多,使软岩产生的损伤更大、变形更大。在一定条件下,这种恶性循环无法终止使软岩巷道处于持续不断的变形之中。

综上所述,强度是岩石在损伤过程中对应于应力应变曲线的一个峰值点,是由损伤过程所决定的;损伤演化需要消耗机械能,需要应变的不断增大;同时损伤造成了弹性模量的减小,应变增大和弹性模量减小的综合结果使得应力随应变的增大趋势逐渐减小并在某一应变时出现极大值;三轴压缩过程中,围压增大将使损伤耗能率增大,从而使应力的峰值大、强度高。对于拉伸及剪切破坏也可用损伤耗能率来解释。当岩石拉伸破坏时,在一个主破裂面以外岩石产生的裂隙很少,损伤从0变化到1,生成裂隙的总表面积远远小于单轴压缩,因而造成了岩石拉伸破坏强度远远小于单轴压缩。在一些剪切破坏试验中,在主破裂面附近的一定范围内形成小的破裂面,所以其损伤耗能率大于拉伸破坏,但在岩石的大部分区域只产生很少的裂隙,所以其损伤耗能率又小于单轴压缩或压缩,这就造成了剪切破坏强度大于拉伸破坏而小于压缩破坏。

三.煤与瓦斯突出模拟实验

3.1真三轴煤与瓦斯突出模拟试验系统

真三轴煤与瓦斯突出试验系统由三轴突出模拟试验装置、应力加载、数据采集、恒温、注气/真空等5个系统组成，如图2所示。该试验系统可以模拟不同瓦斯压力、不同成型压力、不同温度和独立三轴应力荷载下的突出试验，通过数据采集系统实现对突出过程中应力、瓦斯压力变化的动态监测。试验系统的核心是三轴突出模拟试验装置。

图2实验系统示意图

3.2制样及传感器安装

突出试验采用了与构造煤具有相似物理性质的型煤，煤样取自安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿10煤，取样后破碎筛选，选取粒径小于0．25mm的粉煤，煤样的基本参数见表2。试验型煤在三轴突出模拟试验装置内加载成型，制作型煤水分添加比为6%，成型压力64MPa，保持时间不低于40min，根据模拟突出经验，试验可以得到类似于现场Ⅳ、Ⅴ类的突出煤，成型试件尺寸为250mm×250mm×240mm。为精确监测煤体应力和瓦斯压力的动态变化，装样时在煤体中埋放前后2组应力和瓦斯压力传感器，2组传感器位置如图3所示。其中，1号传感器距突出口50mm，2号传感器在1号传感器后方70mm，1、2号传感器在同一水平面上，距离试验腔右壁125mm，距煤体上表面100mm。

表2煤样的基本参数

图3传感器位置示意图

3.3试验方案

为了对突出动态过程进行研究，在相同应力下，通过改变瓦斯压力进行了6组突出试验，编号1—6号。依据现场监测煤柱荷载数据，典型的地下工作煤柱的轴压限制条件约为4MPa，常见的煤柱应力加载围压为0～10MPa。因此，选定

突出试验加载的构造应力、侧向应力和垂直应力分别为5．5、5.5、4.8MPa。其中，构造应力是指平行于突出发展方向的水平应力，侧向应力是指垂直于突出发展方向的水平应力。

6组突出试验在恒温条件下进行，试验温度为25℃。1—6号突出试验对应的瓦斯压力为0．25～0.50MPa，各组试验瓦斯压力梯度0．05MPa。

四.试验结果与分析

4.1试验结果及突出强度特征

依据试验方案开展突出试验，其中1—3号试验未发生明显的突出，4—6号试验均发生明显的突出。根据突出的动力现象由强到弱，突出情况可分为抛出大量煤体的突出、剥离和无突出。突出强度是指一次突出所抛出的煤(岩)量和喷出的瓦斯量，文中定义相对突出强度为突出煤量与试验总煤量的比值，煤与瓦斯突出模拟试验结果见表3。

表3煤与瓦斯突出模拟试验结果

由表3可以发现，随着瓦斯压力的增大，突出的动力现象越来越强。试验条件下，存在一个煤与瓦斯突出是否发生的瓦斯压力阈值，该阈值是0.35-0.40MPa。瓦斯压力高于此阀值，突出发生，突出强度随瓦斯压力的增大而增大。

4.2抛出煤体的粒径分布特征

利用套筛对4—6号试验抛出煤粉进行筛分，抛出煤体粒径分布见表4。

表4抛出煤体粒径分布

分析表4发现，抛出煤体以小粒径的粉煤为主，粒径小于0．25mm的粉煤占