煤與瓦斯突出動力災害的多參數(shù)耦合監(jiān)測預警

劉永立， 張海東， 張建偉

(黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，哈爾濱，150022)

煤與瓦斯突出動力災害的多參數(shù)耦合監(jiān)測預警

劉永立， 張海東， 張建偉

(黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，哈爾濱，150022)

煤與瓦斯突出動力災害是地應力和瓦斯壓力等因素共同作用的結(jié)果，采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，研究煤與瓦斯突出動力災害的多場耦合監(jiān)測預警機制，實現(xiàn)動力災害多場耦合監(jiān)測預警。通過突出煤巖破裂過程的測試和數(shù)值模擬，獲得實驗室條件下突出煤層的臨界應力和瓦斯壓力。結(jié)果表明:當煤體中部破裂時，剪應力約為13 MPa，模擬再現(xiàn)了地應力和瓦斯壓力耦合作用下煤巖裂隙發(fā)育及破壞并誘發(fā)突出的過程。實驗條件下瓦斯壓力達到2 MPa、圍壓3 MPa時，發(fā)生突出的軸向力臨界值在110～150 kN。模擬結(jié)果與實驗室測試的結(jié)果相符。該研究為煤與瓦斯突出在線監(jiān)測預警系統(tǒng)研發(fā)提供了參考。

煤與瓦斯突出;監(jiān)測預警;多場耦合;數(shù)值模擬

0 引言

煤與瓦斯突出是一種極其復雜的動力災害，一般發(fā)生在井工煤礦。發(fā)生突出事故時由煤體向巷道內(nèi)瞬間拋擲大量煤炭并涌出大量瓦斯，拋擲的煤炭可能擊中甚至掩埋工作人員或機械設備，堵塞巷道，影響救援;涌出的瓦斯具有沖擊波的特征，傳播擴散速度快，造成人員窒息死亡，一旦遇明火可能發(fā)生瓦斯爆炸進而導致煤塵爆炸，破壞工作面甚至全礦井，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，所以一直都是世界采礦業(yè)面臨的巨大難題之一［1－2］。

動力災害多場耦合預警機制研究已逐漸成為國內(nèi)外關注的熱點［3］。孟祥躍等［4］自行設計、加工的煤與瓦斯突出二維實驗裝置，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)煤樣的破壞存在"開裂"和"突出"兩種典型的破壞形式。蔡成功［5］按相似理論設計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，實驗模擬了不同型煤強度、三向應力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過程。文獻［6－9］利用煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，從力學模型和自動控制方面研究了煤體強度、應力狀態(tài)和瓦斯壓力耦合作用對突出的影響。文獻［10－11］利用其研制的煤與瓦斯突出儀進行埋深－600 m，在軸壓、圍壓、孔隙壓三維應力條件下模擬煤與瓦斯突出實驗。趙志剛等［12］利用自主設計的主要由瓦斯壓力實驗機和瓦斯壓力、地應力綜合實驗機構(gòu)成的煤與瓦斯突出模擬實驗系統(tǒng)，研究2 MPa瓦斯壓力以及40 MPa地應力條件下的突出實驗。前人的研究取得了一定的成果，為后續(xù)的繼續(xù)研究與發(fā)展奠定基礎。筆者認為目前煤與瓦斯突出模擬實驗的研究還存在以下不足:實驗所用煤樣多為型煤不能體現(xiàn)煤樣內(nèi)部真實的節(jié)理裂隙及相關性質(zhì);突出模擬實驗中突出口的開放動作多為人為操作，并不是煤樣達到臨界條件后自主突出。

1 煤樣物理力學參數(shù)的測定

1.1 實驗過程

利用RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)測試試樣單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比等參數(shù)，為后續(xù)數(shù)值模擬和實驗提供基礎數(shù)據(jù)。

(1)試件的采樣與加工。煤樣選自某突出礦井14號煤層，現(xiàn)場采集回來的原煤樣直接進行切割取樣處理，原煤直接加工標準試件成品率較低，但原煤試件相較型煤試件較好地保留了煤樣原有的節(jié)理裂隙。測試煤的物理力學參數(shù)時標準試件宜采用直徑為50mm的圓柱體，高徑比為2±0.2，端面不平行度不應大于0.05 mm。使用鋸石機和磨石機加工標準試件，由于圓柱狀煤樣不易加工，采用50 mm× 50 mm×100 mm的方柱體;

(2)RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)測試過程。打開實驗機并預熱5 min，放入標準試件，安裝調(diào)試傳感器，采用單軸小力位移的加載控制方式，力的加載速度0.1 kN/s，位移3 mm，位移極限5 mm。

1.2 實驗結(jié)果

通過RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)測得某突出礦井14號煤層單軸抗壓強度為8.410 MPa，彈性模量為0.935 GPa，泊松比為0.379。實驗測得的數(shù)據(jù)見表1，RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)及應力－應變曲線，見圖1。

表1 RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)Table 1 Measured data from RMT－150B rock mechanics test system

圖1 巖石力學測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)及應力應變－曲線Fig.1 Measured data of rock mechanics test system and stress-strain curve

2 數(shù)值模擬與分析

RFPA是一個以彈性力學為應力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的Coulomb破壞準則為介質(zhì)變形和破壞分析模塊的真實破裂過程分析系統(tǒng)。假定離散化后的細觀基元的力學性質(zhì)服從Weibull分布，由此建立細觀與宏觀介質(zhì)力學性能的聯(lián)系，即:

式中:α——材料介質(zhì)基元體力學性質(zhì)參數(shù)(彈模、強度、泊松比、自重等);

α0——基元體力學性質(zhì)參數(shù)的平均值;

m——分布函數(shù)的性質(zhì)參數(shù)，其物理意義反映了材料(巖石)介質(zhì)的均勻性，定義為材料(巖石)介質(zhì)的均勻性系數(shù)，反映材料的均勻程度;

φ(α)——材料(巖石)基元體力學性質(zhì)的統(tǒng)計分布密度。

RFPA中模型基元體力學性質(zhì)參數(shù)的賦值(以彈性模量說明):設模型中所有基元的彈性模量平均值為E0，φ(E)代表了具有某彈性模量E基元的分布值，基于式(1)彈性模量Weibull分布函數(shù)的積分為:

由式(2)統(tǒng)計分布構(gòu)成的基元組成一個樣本空間，在均值E0不變的情況下，由于m值的差別，積分空間分布不一樣。這些基元構(gòu)成的材料介質(zhì)的細觀平均性質(zhì)可能大體一致(相同)，但是由于細觀結(jié)構(gòu)的無序性，使得基元的空間排列方式有顯著的不同，這種細觀上的無序性正好體現(xiàn)了巖石類介質(zhì)獨特的離散性特征。

根據(jù)煤巖體介質(zhì)變形與瓦斯?jié)B流的基本理論，建立煤樣破壞過程的RFPA2D模型［13］，模擬加載過程中煤樣內(nèi)部破壞形式及結(jié)果，為煤與瓦斯突出實驗提供參考。在第一步實驗中測出該煤層單軸礦壓強度為8.410 MPa，彈性模量為0.935 GPa，根據(jù)式(3)和(4)換算模型中微觀參數(shù)。

式中:σ——宏觀單軸抗壓強度，MPa;

σ0——微觀單軸抗壓強度，MPa;

E——宏觀彈性模量，MPa;

E0——微觀彈性模量，MPa;

m——均質(zhì)度系數(shù)，m=1.4。

微觀單軸抗壓強度為76.45 MPa，微觀彈性模量為1 344.94 MPa，泊松比為0.379，試樣密度為1 520 kg/m3。模型尺寸為0.1 m×0.1 m，強度準則為Mohr－Coulomb。模型下部固定，軸向采用應力控制初始值為3 MPa，加載終始步500，單步增量0.05，左右兩側(cè)圍壓施加3 MPa。模擬再現(xiàn)了煤樣在地應力及瓦斯壓力共同作用下煤樣損傷破裂并誘致突出的過程，模擬獲得的煤樣內(nèi)部裂隙產(chǎn)生、發(fā)育至試樣破壞的部分歷程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬裂隙產(chǎn)生、發(fā)育至試樣破壞的全過程Fig.2 Numerical simulation whole processof of crack development to sample destruction

由圖2可知，開始在煤體周圍施加圍壓時，煤體周圍產(chǎn)生壓應力，隨著應力增加，煤體中間開始產(chǎn)生拉應力，煤體中部產(chǎn)生微裂隙，過程如圖2a、b，隨著周圍壓應力的增大，煤體中部裂隙擴大，如圖2c，最后從煤體中部破裂，如圖2d，此時模擬的試樣所受的剪應力達到13 MPa。在應力作用下，煤體內(nèi)部的裂隙逐漸發(fā)育，當應力超過其最大強度時，煤體就會發(fā)生失穩(wěn)破壞引起煤與瓦斯突出事故;煤體內(nèi)的瓦斯壓力增大時可以阻礙煤體受壓縮而壓密的趨勢，增加了其吸附瓦斯的能力，煤體內(nèi)部吸附瓦斯后減小了表面張力，減小了煤粒間的摩擦力，促進煤體內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育，使其強度降低，產(chǎn)生破壞。瓦斯壓力在突出發(fā)生過程中起到促進和催化的作用，水平、垂直應力和瓦斯壓力是突出發(fā)生的動力。

3 煤與瓦斯突出實驗

3.1 動力災害多參數(shù)耦合測試系統(tǒng)

該設備可實際模擬煤礦井下煤與瓦斯突出發(fā)生時的環(huán)境，準確測定突出發(fā)生時圍巖應力、瓦斯壓力和溫度參數(shù)，為建立煤與瓦斯突出多因素耦合監(jiān)測預警模型提供數(shù)據(jù)支持，為煤與瓦斯突出監(jiān)測預警提供指標參數(shù)。該實驗系統(tǒng)如圖3所示，其主要由5 000 kN四向壓力實驗機主機及充氣系統(tǒng)、多功能液壓源及加載缸和微機測控系統(tǒng)組成［14－15］。

圖3 DDTS－500多場耦合動力災害測試系統(tǒng)Fig.3 DDTS-500 multi-field coupling dynamical disaster test system

3.2 實驗過程

(1)試件的加工。根據(jù)DDTS－500多場耦合動力災害測試系統(tǒng)加載區(qū)的尺寸，使用鋸石機和磨石機加工100 mm×100 mm×100 mm的立方體煤樣，端面不平行度不應大于0.05 mm。

(2)礦井煤與瓦斯突出發(fā)生時圍巖應力、瓦斯壓力等多因素耦合參數(shù)的測定。為防止立方體試樣邊角先破碎，首先將試樣進行去銳處理后放入加載區(qū)，關閉密封門，打開充氣裝置，氣壓加載至2 MPa時停止加氣并保持氣壓穩(wěn)定(當氣壓下降時充氣裝置可以自動啟動加氣，重新加至2 MPa時自動停止)，然后進行預加載，橫向力加載控制速度為0.1 kN/s，加載至30 kN時停止，再次施加軸向力，速度為0.5 kN/s，直至發(fā)生突出。更換試樣多次實驗，觀察現(xiàn)象并記錄結(jié)果。突出發(fā)生后查看并導出數(shù)據(jù)時需要輸入第一步實驗中得到的試樣彈性模量和泊松比等基礎數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果分析

由DDTS－500煤巖監(jiān)測系統(tǒng)可以得知當煤試塊周圍瓦斯壓力達到2 MPa時，圍壓保持在3 MPa，四次實驗的軸向力分別達到110、136、150和142 kN時，瞬間發(fā)生煤與瓦斯突出，實驗得到的四組數(shù)據(jù)存在一定偏差，分析原因可能是由于試樣尺寸的限制，即使同一原煤塊體上切割制得的試件內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育程度也不同，導致強度等性質(zhì)也會有差別，但是當前實驗條件下幾組試樣發(fā)生突出的軸向力的臨界值在110～150 kN。發(fā)生突出的過程及突出后試樣的狀態(tài)見圖4和圖5，發(fā)生突出時產(chǎn)生很大的響聲，并且有碎煤屑夾雜在煤塵氣流中一起噴出，整個突出過程持續(xù)時間很短，約2 s;突出口形成一個稍凹向煤里的空間，由于試樣尺寸和突出口尺寸的限制，向煤體內(nèi)凹的弧度不大;突出口附近散布幾塊碎煤塊、煤屑，最遠處只有煤塵，突出的后期是氣壓的卸壓過程，氣壓逐漸減小，對于煤樣的裹挾拋擲作用也逐漸降低。這些現(xiàn)象基本都與目前實驗室內(nèi)煤與瓦斯突出實驗的典型特征相吻合。

圖4 突出發(fā)生的過程Fig.4 Process of outburst

圖5 突出發(fā)生后煤樣狀態(tài)Fig.5 State of coal after outburst

4 結(jié)論

(1)通過RMT－150B巖石力學測試系統(tǒng)測得某突出礦井14號煤層單軸抗壓強度為8.410 MPa，彈性模量為0.935 GPa，泊松比為0.379。

(2)利用數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)了煤與瓦斯突出過程中煤樣內(nèi)部裂隙發(fā)育及破壞過程，施加圍壓時，煤體周圍產(chǎn)生壓應力，隨著應力增加，煤體中間開始產(chǎn)生拉應力，煤體中部產(chǎn)生微裂隙，隨著周圍壓應力的增大，煤體中部裂隙擴大，最后從煤體中部破裂，此時剪應力約為13 MPa。

(3)通過DDTS－500多場耦合動力災害測試系統(tǒng)測得某突出礦井14號層煤試塊周圍瓦斯壓力達到2 MPa，圍壓3 MPa時，發(fā)生突出時的軸向力臨界值在110～150 kN。

(4)通過數(shù)值模擬結(jié)果與煤與瓦斯突出實驗的結(jié)論相互印證，說明DDTS－500動力災害多參數(shù)耦合測試系統(tǒng)可以得出實驗室條件下煤樣發(fā)生突出的臨界條件，驗證了其可靠性。通過對影響動力災害發(fā)生的煤巖數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測、分析、對比和處理，實現(xiàn)對煤礦動力災害事故的發(fā)生進行預警，從而能夠及時制定相應的措施，避免事故的發(fā)生造成人員傷亡和減少財產(chǎn)損失，因此，該系統(tǒng)為研究動力災害監(jiān)測預警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，對預防災害事故的發(fā)生具有相當重要的指導意義。

由于現(xiàn)場取樣數(shù)量有限，而且原煤直接加工制備標準試樣成品率低，實驗組數(shù)相對較少。DDTS－500動力災害多參數(shù)耦合測試系統(tǒng)在施加溫度場、實現(xiàn)應力加載保持等功能，需要深入的實驗研究。

［1］ 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術(shù)手冊［M］.修訂版.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［2］ 胡千庭，趙旭生.中國煤與瓦斯突出事故現(xiàn)狀及其預防的對策建議［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39(5):1－6.

［3］ 何學秋.煤礦煤巖動力災害監(jiān)測預警技術(shù)進展［J］.科學時報，2011，10(3):36－40.

［4］ 孟祥躍，丁雁生.煤與瓦斯突出的二維模擬實驗研究［J］.煤炭學報，1996，21(1):57－62.

［5］ 蔡成功.煤與瓦斯突出三維模擬實驗研究［J］.煤炭學報，2004，29(1):66－69.

［6］ 尹光志，趙洪寶，許 江，等.煤與瓦斯突出模擬實驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(8):1674－1680.

［7］ 許 江，陶云奇，尹光志，等.煤與瓦斯突出模擬實驗臺的改進及應用［J］，巖石力學與工程學報［J］.2009，28(9):1804－1809.

［8］ 許 江，劉 東，尹光志，等.非均布載荷作用下煤與瓦斯突出模擬實驗［J］.煤炭學報，2012，37(5):836－842.

［9］ 劉 東，許 江，尹光志，等.多場耦合煤礦動力災害大型模擬實驗系統(tǒng)研制與應用［J］.巖石力學與工程學報，2013，32 (5):966－975.

［10］ 唐巨鵬，楊森林，王亞林，等.地應力和瓦斯壓力作用下深部煤與瓦斯突出實驗［J］.巖土力學，2014，35(10):2769－2774.

［11］ 唐巨鵬，潘一山，楊森林.三維應力下煤與瓦斯突出模擬實驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(5):960－965.

［12］ 趙志剛，胡千庭，耿延輝.煤與瓦斯突出模擬實驗系統(tǒng)的設計［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，28(9):9－11.

［13］ 徐 濤，唐春安，宋 立，等.含瓦斯煤巖破裂過程流固耦合數(shù)值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(10):1667－1673.

［14］ 劉永立.煤礦動力災害多參數(shù)耦合測定裝置:中國，CN201410445309.1［P］.2014－09－03.

［15］ 李 倩.煤礦動力災害多參數(shù)耦合測定裝置與關鍵技術(shù)研究［D］.長春:吉林大學，2015.

(編校 李德根)

Experimental study on coal and gas outburst based on dynamic disaster testing system

Liu Yongli， Zhang Haidong， Zhang Jianwei
(School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

The dynamic disaster of coal and gas outburst is the result of the interaction of earth stress and gas pressure.The study building on numerical simulation and experimental research investigates the mechanism behind the multi field coupling monitoring and warning for dynamic disaster of coal and gas outburst，and provides multi field coupling monitoring and warning of dynamic disaster.The work identifies the critical stress and gas pressure of the outburst coal seam under laboratory conditions using numerical simulation experiment of outburst coal fracture process and self-developed DDTS-500 multi field coupling dynamic disaster test system.The results show that the shear stress is about 13 MPa when the middle part of coal is broken;the numerical simulation results reproduces the process of development and destruction of coal and rock fractures under the combined action of crustal stress and gas pressure;under test conditions，the gas pressure reaches 2 MPa，the confining pressure is 3 MPa，and the critical value of the axial force occurs at 110～150 kN.The simulation results are in better agreement with laboratory test results，and the study could provide a reference for the research and development of on-line monitoring and warning system for coal and gas outburst.

coal and gas outburst;monitoring and early warning;multi field coupling;numerical simulation

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.005

TD76

2095－7262(2017)04－0345－05

:A

2017－05－12

國家自然科學基金項目(51474099)

劉永立(1968－)，男，黑龍江省賓縣人，教授，博士生導師，研究方向:礦山安全與應急救援，E-mail:yongliliu1968@ 126.com。