煤與瓦斯突出過程的壓力釋放效應(yīng)機(jī)理研究

武 劍 ，楊雙鎖，路國運(yùn) ，孫 淼

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，2.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)研究所，山西 太原 030024）

煤與瓦斯突出過程的壓力釋放效應(yīng)機(jī)理研究

武 劍1，楊雙鎖1，路國運(yùn)2，孫 淼1

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，2.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)研究所，山西 太原 030024）

“瓦斯包”壓力的突然釋放是煤與瓦斯突出的重要原因。文章通過建立一個(gè)實(shí)體球模型來分析“瓦斯包”作用下的煤體破碎煤塊散射過程，從而得到一個(gè)能使模型破裂碎散的臨界瓦斯壓力值，希為控制煤與瓦斯的突出和消除碎煤塊的沖擊提供量化指標(biāo)。

瓦斯包；煤與瓦斯突出；突然釋放；臨界值

煤與瓦斯突出[1～3]是煤礦生產(chǎn)中的極其復(fù)雜的動(dòng)力沖擊現(xiàn)象,它能在極短的時(shí)間內(nèi)由煤體向巷道或采場突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯,有時(shí)造成巨大的動(dòng)力效應(yīng),是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的地質(zhì)災(zāi)害；也是影響煤礦安全生產(chǎn)、制約煤炭工業(yè)發(fā)展的世界性難題；隨著煤礦開采深度的不斷加大,這一災(zāi)害日益嚴(yán)重。我國自1988年執(zhí)行《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》以來,經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)及“四位一體”綜合防突技術(shù)推廣，防治突出的整體水平得到較大提高，實(shí)踐和理論上有了相當(dāng)大的進(jìn)展，提出了地應(yīng)力假說、瓦斯作用假說、化學(xué)本質(zhì)假說、綜合作用假說等較典型的突出機(jī)理。其中，瓦斯作用假說[4]認(rèn)為煤體內(nèi)存儲(chǔ)的高瓦斯是突出中起主要作的因素，其中，“瓦斯包”說占有主要地位,它認(rèn)為煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區(qū)域高得多的煤窩,即“瓦斯包“,其煤質(zhì)松軟、孔隙與裂隙發(fā)育,且被透氣性差的煤或圍巖所包圍,因此具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)瓦斯能力,隨著采掘工作面的不斷推進(jìn)，煤體上方的支撐壓力開始重新分布，在外界工作環(huán)境的擾動(dòng)下極易發(fā)生突出事故。為了降低這種事故的發(fā)生率，很多煤礦工作者經(jīng)過探索采取了預(yù)抽瓦斯、鉆孔松動(dòng)等措施，取得了一定的效果；但是迄今為止，對煤與瓦斯突出的控制理論還不完善，突出機(jī)理尚未完全掌握，仍未獲得一些定量指標(biāo)來控制煤與瓦斯的突出。

本文為了形象地說明突出過程中壓力釋放導(dǎo)致煤巖體破碎的過程，采用一個(gè)球形實(shí)體在壓力突失后破裂碎散的理論模型，對煤巖體的壓力釋放效應(yīng)進(jìn)行研究，希望能夠得到一個(gè)能使模型破裂碎散的臨界瓦斯壓力值，從而為開采前瓦斯預(yù)抽力度的確定提供參考。為此針對煤的材料性質(zhì)和突出過程中形成的孤立巨型煤塊所處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，建立了一個(gè)受力較為均勻的球形實(shí)體模型，來觀察突出過程中的的壓力釋放效應(yīng)，并從力學(xué)的角度對高瓦斯礦井中含氣煤層的破裂機(jī)理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬；這對進(jìn)一步深入理解煤與瓦斯的突出機(jī)理、瓦斯抽放作用機(jī)制、并采取相應(yīng)預(yù)防和控制措施、減少采煤業(yè)中類似礦難的發(fā)生等，都有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 臨界壓力值的理論計(jì)算

對于突然卸載的載荷釋放效應(yīng),可用簡單的彈簧加卸載過程來說明，見圖1。彈簧度為kb，當(dāng)作用在其上的力增大到N時(shí),彈簧端部被壓至U1處,相應(yīng)彈簧的壓縮應(yīng)變能為E1=kb（-U1）2/2。此時(shí)如將作用力N突然移去，彈簧立即下彈，并發(fā)生振動(dòng)。由于能量守恒，其下端瞬間最大位移可達(dá)平衡位置O點(diǎn)以下的U1處。也就是說，突然卸載的載荷效應(yīng)，相當(dāng)于將量值相同的荷載反向加到其上。與原加載不同的是，加載時(shí)彈簧承受的是壓應(yīng)力，卸載時(shí)彈簧承受的是拉應(yīng)力；而煤的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，所以煤塊很容易產(chǎn)生拉伸破壞。

圖1 壓力突然釋放的卸載效應(yīng)

煤礦生產(chǎn)過程中，隨著采掘工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)巷道揭穿“瓦斯包”時(shí),原先處于較高圍壓下的煤體有一個(gè)面首先被揭露出來；此時(shí)，在地應(yīng)力、解吸附[5]的瓦斯壓力工作環(huán)境的擾動(dòng)下，該處煤體就很容易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。突出過程中，隨著煤隙不斷張裂，煤體深處原先處于高應(yīng)力區(qū)的部分也漸漸地被解除了束縛，一個(gè)較孤立的無約束巨型煤塊便隨之形成。根據(jù)能量守恒原理，伴隨著壓力的突然釋放，積聚在煤塊內(nèi)的應(yīng)變能突然釋放出來，巨型煤塊便在瞬間被瓦解開來，破碎后形成的小煤塊就會(huì)在慣性的作用下向工作面或巷道飛濺而去，從而形成煤與瓦斯突出事故。

為了更形象地描述突出過程中煤體開裂形成的孤立無約束巨型煤塊破碎散射的過程，根據(jù)煤塊破碎前所處的應(yīng)力狀態(tài)建立了一個(gè)半徑為b的實(shí)體球模型，并在其外表施加均勻壓力p，使其在外力p作用下的球體應(yīng)變能和未破碎前圍巖及瓦斯作用下的應(yīng)變能相等。故有球體對稱問題的微分方程：

可得煤塊受的應(yīng)力為

根據(jù)斷裂力學(xué)可知，固體煤塊在外力作用下，當(dāng)其彈性應(yīng)變能不斷增加，達(dá)到一定程度后，就在煤塊內(nèi)形成裂紋或使裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而失穩(wěn)破裂。其裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能量全部來自于煤塊內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能。Y.Kanda等人[6]根據(jù)破碎力學(xué)研究超細(xì)磨礦時(shí)，將破碎能定義為：輸入到球形煤塊上達(dá)到瞬時(shí)破碎的彈性應(yīng)變能；并推導(dǎo)得出了單位質(zhì)量破碎能與強(qiáng)度的關(guān)系為

當(dāng)煤塊受到均勻壓力p后，在其體內(nèi)已聚集了式（4）所示的彈性應(yīng)變能。如果將均勻壓力p突然釋放，則球體內(nèi)將出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。因此，煤塊所受的應(yīng)力只要達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度就會(huì)破壞。所以，式（6）中的強(qiáng)度S就可用材料的拉伸強(qiáng)度σt來代替，則式（6）變?yōu)?/p>

設(shè)積聚在煤塊內(nèi)的彈性變形能在釋放時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槊簤K的破碎能，則有：U=U1

即有：

式（8）即為欲使煤塊在壓力突然釋放時(shí)得到破壞,需給予球形煤塊的均勻壓力p的表達(dá)式。

如果考慮強(qiáng)度隨體積的變化，即Griffith[8]給出的強(qiáng)度關(guān)系：

式中：σ0——單位體積試樣V0的拉伸強(qiáng)度；

m——材料的Weibull均勻性系數(shù)。

該式表明：使半徑為b的球形煤塊受壓釋放粉碎的壓力，只與煤塊材料的物理力學(xué)特性和幾何尺寸有關(guān)。

2 壓力釋放過程的數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證前述理論計(jì)算結(jié)果，為了更好模擬煤與瓦斯突出過程中壓力突然釋放導(dǎo)致煤塊破碎這一過程，我們?nèi)杂靡粋€(gè)半徑為b的實(shí)體球模型為例根據(jù)理論計(jì)算時(shí)的已知尺寸和力學(xué)參數(shù)的煤塊受壓釋放破碎的臨界瓦斯壓力值p，并采用了氣體狀態(tài)方程來控制壓力在突然釋放過程中的變化，當(dāng)釋放的彈性應(yīng)變能達(dá)到煤塊的破壞極限時(shí)，煤塊便發(fā)生開裂破壞。計(jì)算還采用了光滑粒子單元以實(shí)現(xiàn)觀察煤塊散開的過程，從而更形象地描述突出過程中煤體開裂迸射的過程。煤塊模型見圖2。

圖2 實(shí)體球形煤塊模型

如前所述，煤體的突出是內(nèi)應(yīng)變能和內(nèi)部瓦斯突出的帶動(dòng)下才能產(chǎn)生的。這就要涉及到瓦斯解吸附過程，這一過程可用氣體狀態(tài)方程描述。我們用了一種類似瓦斯壓力突然釋放的加載方式——內(nèi)部核心起爆（狀態(tài)方程與壓力釋放過程完全類似,起爆能量與壓力p作用下積聚的彈性應(yīng)變能相等）來模擬內(nèi)部瓦斯解吸附并突出的過程，獲得了很好的效果，能在后處理過程中展示一個(gè)較為形象的煤體破碎、煤塊飛濺的過程。計(jì)算的大概流程是先有一個(gè)起爆過程，以模擬壓力突然釋放這一效應(yīng)，然后煤塊隨壓力有一個(gè)散開的過程。下述計(jì)算結(jié)果。

隨著壓力的突然釋放，模型外圍的單元，首先達(dá)到煤體的拉應(yīng)力極限而發(fā)生局部失效，圖3為局部外圍單元體開始離散的過程。

圖3 初始局部失效模型

隨著模型的不斷剝離，模型中的單元體開始受力不均，應(yīng)力也開始重新分布，因此，外圍單元的剝離需要一個(gè)時(shí)間過程，圖4為大部分的外圍單元開始失效的過程。

圖4 大范圍的失效模型

外圍單元在失效的同時(shí)，對內(nèi)部單元的束縛也隨之消失；此時(shí)，內(nèi)部單元在拉力的作用下也開始失效，而外圍單元由于慣性作用就會(huì)散射開來，散射瞬間見圖5。

隨著時(shí)間的推移，模型中的單元由外到內(nèi)、一層一層地失效并剝離開來，最終完全開裂突涌迸射出來，見圖6。

所述模型較為成功地模擬了壓力突然釋放和瓦斯解吸附致使煤塊開裂粉碎的過程，展示了一個(gè)較為形象的煤體失效、煤塊飛濺的現(xiàn)象；既驗(yàn)證了前面的理論計(jì)算結(jié)果，也為研究壓力突然釋放導(dǎo)致突出及突出過程中壓力釋放導(dǎo)致的煤體破裂煤塊迸射的原理，提供了有利的依據(jù)。

圖5 單元全部失敗狀況

圖6 煤塊碎裂迸射狀況

3結(jié) 論

掘進(jìn)、開采過程中，由于煤體的開挖，“瓦斯包”外圍壓力的突然釋放是誘發(fā)煤與瓦斯突出的重要原因。突出過程中，“瓦斯包”內(nèi)部壓力的釋放，致使煤體進(jìn)一步開裂破碎迸射到巷道和工作面上。計(jì)算表明，使半徑為b的受壓球形煤塊壓力突釋粉碎破裂的壓力，只與煤塊的物理力學(xué)特性和幾何尺寸有關(guān)。根據(jù)含“瓦斯包”煤體的力學(xué)參數(shù)和幾何尺寸，可以算出能使該煤體發(fā)生破裂的臨界瓦斯壓力值p，進(jìn)而采取預(yù)抽瓦斯或鉆孔松動(dòng)等措施，適當(dāng)?shù)匕淹咚箟毫刂频絧以下，從而消除突出危害。卸載同加載一樣，同樣可使材料發(fā)生破壞，我們利用壓力釋放效應(yīng)達(dá)到破煤目的，從而減小對開采設(shè)備的損害。合理運(yùn)用所述效應(yīng)可以適當(dāng)控制煤塊的尺寸，減少開采過程中的煤塵產(chǎn)生，降低井下煤塵爆炸的事故率。

[1]朱連山.煤與瓦斯突出機(jī)理淺析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2002,29（2）:1.

[2]張瑞超.煤與瓦斯突出的機(jī)理研究[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION,2008,21.

[3]王永祥,杜衛(wèi)新.煤與瓦斯突出機(jī)理研究進(jìn)展[J].煤炭技術(shù),2008,27(8):1.

[4]成新龍,何新礦,白國基.能量守恒分析在防治煤與瓦斯突出中的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002,30（10）:52-55.

[5]Y.Kanda,Y.Abe,T.Hosoya,T.Honma.A consideration of ultrafine grinding based on experimental results of single particlecrushing[J].Powder technology,1989,58:137～143.

[6]A.A.Griffith，Phil.Trazls.RoySoe（Lond），A221（1920），163.

Study on The Pressure Release Effect Mechanism of Coal and Gas Outburst Process

WU Jian1，YANG Shuang-suo1，LU Guo-yun2，SUN Miao1
（1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China；2.Institute of Applied Mechanics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China）

Pressure of the“gaspocket”abruptly release is an important explanation for the mechanism of the coal and gas outburst,The current research will analyze the process of the coal breaking and cracking under“gas pocket”by building a physical sphere model,then get a critical value of gas pressure that makesthe model crack and scatter.Thiswill provide a quantitative indicator which controls the outburst and eliminatesthe shock failure of coal sheet.

gaspocket;coal and gasoutburst;abruptly release;critical value

TD713+.1

A

1672-5050（2010）02-0067-04

2009-11-20

武 劍（1985—），男，山西陽泉人，在讀碩士，主要從事礦山壓力與巖石力學(xué)研究。

劉新光