煤與瓦斯突出過(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理

1、第33卷第12期煤炭學(xué)報(bào)Vol.33No.122008年12月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY Dec.2008文章編號(hào):0253-9993(200812-1368-05煤與瓦斯突出過(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理胡千庭1,2,周世寧1,周心權(quán)1(11中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京資源與安全工程學(xué)院,北京100083;21煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,重慶400037關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出;力學(xué);機(jī)理;失穩(wěn)中圖分類(lèi)號(hào):T D71311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)作用過(guò)程描述根據(jù)大量實(shí)際發(fā)生的煤與瓦斯突出案例以及許多學(xué)者的研究成果1-2分析認(rèn)為:煤與瓦斯突出的力學(xué)作用過(guò)程可用圖1描述3.首先是突出的準(zhǔn)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(yīng)力加載、煤巖受收稿日期:2007-12-21責(zé)任編輯:畢永華基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973項(xiàng)目(2005CB221503;國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50534080作者簡(jiǎn)介:胡千庭(1957,男,江西吉安人,研究員,博士生導(dǎo)師.Tel:023-*,E-mail:huqtinhot m ail1com第12期胡千庭等: 煤與瓦斯突

8、出過(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理圖1煤與瓦斯突出的力學(xué)作用過(guò)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(xué)參數(shù)的變化、煤巖體內(nèi)瓦斯壓力的變化及瓦斯吸附解吸狀態(tài)的變化等,當(dāng)這一系列參數(shù)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(shí),準(zhǔn)備階段結(jié)束,進(jìn)入突出發(fā)動(dòng)階段.在大多數(shù)情況下,煤巖體內(nèi)的物理力學(xué)參數(shù)和狀態(tài)的變化不足以達(dá)到煤2煤與瓦斯突出的發(fā)動(dòng)圖2煤巖受力過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)及蠕變曲線(xiàn)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(xué)機(jī)理圖2(a 為煤巖受力過(guò)程的全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)4.該曲線(xiàn)表明煤巖在承受外力作用條件下發(fā)生變形包括:低應(yīng)力階段(O -A -B ,煤巖應(yīng)力應(yīng)變呈指數(shù)規(guī)律變化,變形量由大到小變化,說(shuō)明多孔介質(zhì)的煤巖體在應(yīng)力作用下被壓密;中應(yīng)力階段(B -C ,煤巖應(yīng)力應(yīng)變呈近似線(xiàn)性變化;高應(yīng)力階段(C -D ,煤巖應(yīng)力應(yīng)變呈近似拋物線(xiàn)變化,變形量由小變大,說(shuō)明煤巖內(nèi)部破壞裂紋迅速產(chǎn)生,直至煤巖被破壞,承載能力開(kāi)始下降;承載能力迅速下降階段(D -E ,應(yīng)力應(yīng)變近似呈負(fù)線(xiàn)性變化,煤巖承載能力迅速下降,直至E 點(diǎn)基本失去承載能力,煤巖體失穩(wěn).圖2(b 為煤巖受力過(guò)程的蠕變曲

10、線(xiàn),圖中A >B >C .該曲線(xiàn)表明:煤巖在載荷作用下都會(huì)發(fā)生蠕變變形,隨著載荷的增加,蠕變特性會(huì)迅速增加.由于煤巖的蠕變特性,隨著時(shí)間的推移,即使應(yīng)力不再增加,煤巖的變形也會(huì)發(fā)生顯著變化,尤其是進(jìn)入蠕變加速階段(c9631煤炭學(xué)報(bào)2008年第33卷圖3煤巖受振動(dòng)載荷的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)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(nèi)部破壞裂紋迅速產(chǎn)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(dòng)載荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),實(shí)際相當(dāng)于對(duì)煤巖體的反復(fù)加載與卸載

11、,由于加卸載路徑不重合,反復(fù)加卸載易于使煤巖體變形進(jìn)入D 點(diǎn)失去承載能力而失穩(wěn).212采掘工作面圍巖的力學(xué)破壞形式根據(jù)文獻(xiàn)3對(duì)采掘工作面圍巖的破壞過(guò)程進(jìn)行模擬,分析得到的水平位移和剪應(yīng)變結(jié)果如圖4所示, 結(jié)果表明,煤層中部水平應(yīng)力接近0,煤層頂?shù)撞砍霈F(xiàn)較高的剪切應(yīng)力.圖4采掘工作面圍巖的水平正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布Fig 14The distributi on of horizontal nor mal stress and shear stress of working face對(duì)含瓦斯煤體,根據(jù)K 1太沙基(Terzaghi 的有效應(yīng)力原理,有=-p,f =c +tan ,其中,為有效應(yīng)力;為總

12、應(yīng)力;p 為孔隙流體壓力;f 為抗剪強(qiáng)度;c 為有效黏聚力;為有效內(nèi)摩擦角.瓦斯的存在使有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度降低,會(huì)使煤層中部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力,頂?shù)撞棵簩右仔纬杉羝茐?根據(jù)損傷力學(xué)的研究結(jié)果,對(duì)于煤體中存在的圓盤(pán)形裂紋,僅在裂紋內(nèi)氣體作用下發(fā)生擴(kuò)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(nèi)裂隙的半徑,m.隨著煤體內(nèi)裂隙的擴(kuò)展,即裂隙半徑a 的增大,煤體裂隙擴(kuò)展所需要的瓦斯壓力越來(lái)越小.在孔裂隙內(nèi)瓦斯壓力變化不大的情況下,瓦斯對(duì)煤體造成的拉伸破壞具有突變性質(zhì),即瓦斯的作

13、用一旦使煤體的裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,這種破壞通常能持續(xù)進(jìn)行,造成煤體徹底破斷.由此可知,采掘工作面圍巖的力學(xué)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(kuò)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(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理煤巖力學(xué)強(qiáng)度迅速變小,相當(dāng)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(dāng)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(qiáng)度顯著降低(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小,也會(huì)促使煤巖體失穩(wěn)并移動(dòng).(4應(yīng)力轉(zhuǎn)移是指支承壓力極限平衡區(qū)被破壞后,其應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的過(guò)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(jìn)一步變形破壞后,其所承受的載荷總能向周?chē)簬r體轉(zhuǎn)移而達(dá)到新的平衡狀態(tài),煤壁不會(huì)發(fā)生失穩(wěn).在一些特殊條件下,如煤巖強(qiáng)度不均,在應(yīng)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中低強(qiáng)度煤巖軟化,高強(qiáng)度煤巖承受較高的垂直支承壓力,阻止應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,軟化煤巖可導(dǎo)致頂板不斷下沉,使得高強(qiáng)度煤巖不斷承受更高應(yīng)力而出現(xiàn)脆性破壞失穩(wěn),導(dǎo)致采掘工作面圍巖較大面積失穩(wěn).支護(hù)逐漸失效相當(dāng)于應(yīng)力轉(zhuǎn)移.214突出的發(fā)動(dòng)機(jī)理在突出發(fā)動(dòng)以后,深部的高地應(yīng)力高瓦斯壓力的煤體突然暴露出來(lái),在形成的突出孔洞周?chē)后w的徑向應(yīng)力突然釋放,同時(shí)孔洞壁煤體內(nèi)的瓦斯壓力和孔洞中的氣壓相差很大.孔洞壁周?chē)后w承受如圖5(a 所示的地應(yīng)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(yīng)力,煤體承受拉應(yīng)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(shí)孔洞壁的徑向應(yīng)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(nèi),對(duì)孔壁形成徑向支撐力,其受力狀態(tài)如圖5(b 所示.此時(shí),拉應(yīng)力逐漸變小、甚至消失,孔壁煤體主要經(jīng)受剪切破壞,剪切面基本成凹球面,如圖4(b 所示,剪切面內(nèi)的瓦斯達(dá)到一定數(shù)

16、值時(shí)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(jìn)一步增大,孔壁煤體的瓦斯壓力梯度降低,導(dǎo)致煤體無(wú)法發(fā)生進(jìn)一步的破壞,而僅在地應(yīng)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(shí)間的推1731煤炭學(xué)報(bào)2008年第33卷2731移,這種移動(dòng)和滲流將變得非常緩慢,直至移動(dòng)停止,這時(shí)可以認(rèn)為突出已經(jīng)終止.在破壞持續(xù)發(fā)展過(guò)程中,堆積碎煤減小孔內(nèi)瓦斯噴出通道,使孔內(nèi)瓦斯壓力增大.當(dāng)瓦斯壓力達(dá)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(nèi)瓦斯壓力下降,孔壁煤體又可能在拉應(yīng)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(jìn)行,直至采掘空間和

17、孔內(nèi)堆煤顯著增加時(shí),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(guò)程實(shí)際上是間歇式多次發(fā)生的.當(dāng)突出發(fā)動(dòng)后,如果孔壁煤層瓦斯壓力不高,瓦斯不足以導(dǎo)致孔壁煤體拉破壞并粉化,則突出的發(fā)展就不會(huì)具有粉化破壞第1發(fā)展階段,而是直接進(jìn)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(jìn)入層裂移動(dòng)的第3發(fā)展階段,實(shí)際上這種破壞模式主要出現(xiàn)在壓出和傾出類(lèi)動(dòng)力現(xiàn)象中.4結(jié)論煤與瓦斯突出經(jīng)歷準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展和終止4個(gè)階段.采掘工作開(kāi)展后,采掘空間載荷通過(guò)頂、底板向煤壁方向轉(zhuǎn)移,導(dǎo)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(shù)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(jié)構(gòu)弱面、外界擾動(dòng)、頂板突然斷裂、煤巖突然脆性破壞或發(fā)生較大的流動(dòng)變形等情況時(shí),可能導(dǎo)致極限平衡區(qū)內(nèi)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(shì)能、瓦斯內(nèi)能和失穩(wěn)煤體本身所具有的重力勢(shì)能將失穩(wěn)煤體破碎并拋出(或擠出,使失穩(wěn)煤體與實(shí)體煤分離,也即突出發(fā)動(dòng).突出發(fā)動(dòng)形成了最初的突出孔洞,在孔洞周?chē)邏和咚姑后w突然暴露,其應(yīng)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(nèi)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力發(fā)生破壞并被拋出;隨著拋出煤的堆積,孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)阻力加大,瓦斯壓力上升,堆積煤對(duì)孔壁的支撐力加強(qiáng),煤璧

19、內(nèi)煤體拉伸破壞點(diǎn)往深部移動(dòng),并與剪應(yīng)力共同作用形成裂隙面,瓦斯向裂隙面內(nèi)解吸,裂隙內(nèi)瓦斯壓力增大,并迅速擴(kuò)展裂隙,導(dǎo)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?chē)纬闪诵碌谋┞睹?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(nèi)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(zhuǎn)而形成層裂移動(dòng),直至層裂移動(dòng)終止,突出終止.在孔洞內(nèi)瓦斯流動(dòng)阻力加大的過(guò)程中,瓦斯壓力逐漸升高,常會(huì)出現(xiàn)突破阻止瓦斯流動(dòng)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(fù)過(guò)程,因而突出是一個(gè)煤體間歇多次破壞和拋出的過(guò)程.參考文獻(xiàn):1于不凡.煤和瓦斯突出機(jī)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