震動(dòng)載荷下煤體瓦斯瞬時(shí)放散特征實(shí)驗(yàn)研究

孔祥國(guó)，鄧岱雨，王恩元，季鵬飛，王 旭，周雨璇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

隨著煤礦開(kāi)采深度的逐漸增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量不斷增大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，應(yīng)力和瓦斯復(fù)合型動(dòng)力災(zāi)害日趨嚴(yán)重及復(fù)雜[1-4]。含瓦斯煤層開(kāi)采過(guò)程中，頂?shù)装鍞嗔?、斷層活化和煤體破壞，均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波擾動(dòng)(動(dòng)載)，進(jìn)一步引起瓦斯異常放散，甚至煤與瓦斯突出[5-6]。

煤體瓦斯放散是煤基質(zhì)瓦斯解吸、裂隙瓦斯?jié)B流、基質(zhì)裂隙瓦斯交互作用的結(jié)果[7]。林海飛等研究了煤的吸附孔結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯放散的影響，平均孔徑越大，瓦斯擴(kuò)散阻力越小，瓦斯放散初速度越大[8]；劉彥偉等采用壓汞法研究了軟、硬煤粒孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異，分析了粒徑對(duì)軟硬煤瓦斯擴(kuò)散速度的影響[9]；張小東等探討了粒度、表面張力對(duì)原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤的瓦斯放散初速度的影響，發(fā)現(xiàn)吸附孔隙增多，煤基質(zhì)的表面張力增大，吸附能力增強(qiáng)，不利于氣體的解吸[10]；秦躍平等根據(jù)煤粒瓦斯解吸放散的特點(diǎn)，建立了煤粒瓦斯放散方程，研究了瓦斯解吸速度和瓦斯累積解吸量變化規(guī)律，與試驗(yàn)結(jié)果一致[11-12]；基于達(dá)西定律和菲克定律，王健建立了圓柱形煤粒瓦斯放散數(shù)學(xué)模型，證實(shí)了煤粒瓦斯放散服從達(dá)西定律[13]；為了量化煤層瓦斯運(yùn)移能力，劉永茜等探究了煤層瓦斯運(yùn)移的關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)瓦斯運(yùn)移速度和衰減系數(shù)取決于煤的吸附能力和煤質(zhì)組分，煤體瓦斯質(zhì)量增量與運(yùn)移時(shí)間成負(fù)指數(shù)關(guān)系，且隨煤階升高而增大[14]。

煤體瓦斯由基質(zhì)解吸到裂隙滲流再到脫離煤體自由放散，受到應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯場(chǎng)和外在條件等多種因素影響。趙洪寶等研究了固定應(yīng)力環(huán)境下瓦斯放散過(guò)程中煤樣變形規(guī)律，軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均表現(xiàn)出明顯的非線性特征，并與瓦斯放散速度呈關(guān)聯(lián)性[15]；張冰等開(kāi)展了煤粒瓦斯非常壓放散特征試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)放散環(huán)境壓力越大，瓦斯放散速度越小[16]；周宏偉等研究了采動(dòng)應(yīng)力下煤體滲透率演化，并認(rèn)為強(qiáng)擾動(dòng)因素是確定深部煤體滲透率的關(guān)鍵[17]；任偉光等研究發(fā)現(xiàn)上保護(hù)層開(kāi)采擾動(dòng)力學(xué)行為使得被保護(hù)層煤體狀態(tài)從彈性態(tài)變到塑性態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致其滲透率顯著變化[18]；程遠(yuǎn)平等認(rèn)為深部煤層地應(yīng)力主導(dǎo)有效應(yīng)力的變化，滲透率增加的根本原因是應(yīng)力的降低[19]；李鐵等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)案例和試驗(yàn)證實(shí)了沖擊地壓會(huì)誘發(fā)煤與瓦斯突出，形成瞬時(shí)瓦斯涌出現(xiàn)象[20]；謝廣祥等研究表明深部含瓦斯煤采動(dòng)擴(kuò)容行為致使瓦斯壓力突變是誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的本質(zhì)特征[21]。

前述研究為完善深部煤體瓦斯運(yùn)移機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，解決了礦井生產(chǎn)中一系列安全問(wèn)題。煤炭開(kāi)采過(guò)程中，采動(dòng)擾動(dòng)行為有時(shí)并未引起煤體宏觀破壞，但會(huì)出現(xiàn)瓦斯異常放散的現(xiàn)象。因此，震動(dòng)載荷下三維含瓦斯煤瓦斯瞬間放散特征研究顯得尤為必要。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

自主搭建了含瓦斯煤霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了含瓦斯煤受載過(guò)程中瓦斯放散的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要由軸向靜載子系統(tǒng)、圍壓加載子系統(tǒng)、瓦斯充放子系統(tǒng)和動(dòng)載荷加載子系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集子系統(tǒng)(采樣率40 Msps，采集開(kāi)始時(shí)間-0.019 97 s，采集時(shí)間0.08 s，觸發(fā)電平-0.094 V)和紅外測(cè)速子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。軸向靜載主要通過(guò)固定入射桿，由緩沖裝置一端加壓推動(dòng)透射桿前移，將試樣夾在入射桿和透射桿的同心軸線上；圍壓通過(guò)獨(dú)立的液壓站向試樣腔體內(nèi)注入液壓油加壓，液壓油和試樣通過(guò)圍壓膠套進(jìn)行隔離；瓦斯放散量通過(guò)接在放氣管路上的流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；動(dòng)載荷通過(guò)壓縮空氣發(fā)射撞擊桿向入射桿撞擊以施加動(dòng)載荷；超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)通過(guò)貼于入射桿和透射桿上的應(yīng)變片采集應(yīng)力波信號(hào)；紅外測(cè)速子系統(tǒng)主要用來(lái)測(cè)試撞擊桿的速度，以衡量動(dòng)載荷的大小。

圖1 含瓦斯煤霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)試樣

所選大塊煤樣根據(jù)煤巖動(dòng)力學(xué)測(cè)試要求，制成φ100 mm×50 mm的試樣，經(jīng)過(guò)打磨將試樣兩端平行度控制在0.02 mm公差范圍內(nèi)。為了減少試樣的離散性，選擇密度相近的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)在試樣兩端涂抹黃油以減少摩擦效應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)方案

文中主要研究不同軸向靜載、圍壓、瓦斯壓力和震動(dòng)載荷組合加載下含瓦斯煤受載過(guò)程中瓦斯放散特征，分析各因素對(duì)含瓦斯煤瓦斯最大放散量、瓦斯放散持續(xù)時(shí)間的影響，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 瓦斯放散隨時(shí)間變化規(guī)律

不同軸向靜載、圍壓、瓦斯壓力和動(dòng)載荷組合加載下含瓦斯煤受載過(guò)程中瓦斯放散如圖2(a)～(d)所示。圖2(a)呈現(xiàn)了瓦斯放散隨著軸向靜載的變化規(guī)律，隨著軸向靜載的增加，最大瓦斯放散量逐漸減小，說(shuō)明動(dòng)載荷不足以引起煤體破裂時(shí)，軸向靜載有助于提高煤體完整性使其不易破壞，軸向靜載越大，原始裂隙越致密，動(dòng)載荷不易引起煤體裂隙擴(kuò)展而導(dǎo)致瓦斯放散；不同軸向靜載下瓦斯放散持續(xù)時(shí)間大約在2 s之內(nèi)，瓦斯放散持續(xù)時(shí)間與軸向靜載關(guān)系不太明顯，但是可以反映瓦斯放散的瞬時(shí)性，解釋了震動(dòng)誘導(dǎo)含瓦斯煤瓦斯異常放散的瞬時(shí)特性。

圖2(b)展現(xiàn)了瓦斯放散隨圍壓的關(guān)系，最大瓦斯放散量隨著圍壓的增加呈減小的趨勢(shì)，圍壓的作用使得煤體更加致密，而且圍壓限制煤體變形，圍壓越大，煤體新的裂隙越難形成，瓦斯不易放散，但是在動(dòng)載荷作用瞬間仍然有瓦斯瞬時(shí)增大時(shí)刻，說(shuō)明動(dòng)載荷會(huì)引起煤體微損傷，但是在圍壓的作用下，新生裂隙又閉合，瓦斯放散持續(xù)時(shí)間在0～4 s之內(nèi)，圍壓越小，瓦斯放散持續(xù)時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng)。

圖2(c)反映了含瓦斯煤瓦斯放散隨煤體內(nèi)部瓦斯壓力的關(guān)系，瓦斯壓力越大，沖擊瞬間瓦斯放散量越大，主要是瓦斯壓力越大，放散時(shí)瓦斯壓力梯度越大，促進(jìn)瓦斯流動(dòng)；瓦斯放散持續(xù)時(shí)間控制在2 s以內(nèi)，放散持續(xù)時(shí)間隨著瓦斯壓力增大而相對(duì)延長(zhǎng)，說(shuō)明高瓦斯煤層受動(dòng)載荷影響將更加危險(xiǎn)。

圖2(d)刻畫了瓦斯放散與動(dòng)載荷的關(guān)系，動(dòng)載荷越大，最大瓦斯放散量越大，說(shuō)明動(dòng)載荷瞬間沖擊作用更強(qiáng)，對(duì)煤體微損傷影響較為明顯，不同動(dòng)載荷下含瓦斯煤瓦斯放散持續(xù)時(shí)間大約在0～4 s之內(nèi)，仍然反映了震動(dòng)載荷作用下瓦斯放散的瞬時(shí)性。

圖2 震動(dòng)載荷下含瓦斯煤瓦斯放散規(guī)律

2.2 最大瓦斯放散速度與各因素關(guān)系

瓦斯放散是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，動(dòng)載荷作用于煤體之后，煤體內(nèi)部發(fā)生微損傷，當(dāng)動(dòng)載荷較大時(shí)，裂隙擴(kuò)展和貫通導(dǎo)致煤體宏觀破裂，因此瓦斯流動(dòng)亦隨著時(shí)間而不斷演化。在震動(dòng)載荷下，含瓦斯煤最大瓦斯放散速度隨軸向靜載、圍壓、瓦斯壓力和震動(dòng)載荷沖擊速度變化如圖3(a)～(d)所示。瓦斯最大放散速度隨軸向靜載呈線性遞減，擬合度高達(dá)94.7%，震動(dòng)載荷不足以使煤體宏觀破裂，軸向靜載提高了其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，瓦斯不易放散，相應(yīng)放散速度較小。由圖3(b)可得，含瓦斯煤最大瓦斯放散速度隨圍壓呈指數(shù)衰減，擬合度高達(dá)92.84%，圍壓不利于瓦斯放散，瓦斯放散瞬間最大瓦斯放散速度相應(yīng)較小。由圖3(c)和(d)可得，含瓦斯煤最大瓦斯放散速度隨瓦斯壓力和動(dòng)載荷沖擊速度的增加均呈現(xiàn)“線性增加”的趨勢(shì)，瓦斯壓力梯度有助于瓦斯流動(dòng)，震動(dòng)載荷沖擊速度對(duì)煤體形成微損傷，增加了裂隙瓦斯流動(dòng)通道。

圖3 震動(dòng)載荷下含瓦斯煤瓦斯放散速度與各因素關(guān)系

2.3 瓦斯放散率與各因素關(guān)系

文中類比滲透率穩(wěn)態(tài)法，測(cè)定含瓦斯煤瞬時(shí)放散率，控制煤體兩側(cè)瓦斯壓力不變，來(lái)監(jiān)測(cè)通過(guò)煤體的瓦斯流量，通過(guò)式(1)計(jì)算煤體瓦斯瞬時(shí)放散率，由于本實(shí)驗(yàn)震動(dòng)載荷作用時(shí)間較短，因此，只考慮震動(dòng)載荷沖擊瞬間的最大放散率，稱為瞬時(shí)放散率。

(1)

式中k′為瞬時(shí)放散率，m2；q為瞬時(shí)瓦斯流量，m3/s；p0為大氣壓力，MPa；μ為瓦斯動(dòng)力粘度，1.84×10-11MPa·s；L0為試樣長(zhǎng)度，m；A0為試樣橫截面積，m2；p2為進(jìn)氣端瓦斯壓力，MPa；p1為試樣出氣端瓦斯壓力，MPa。由于試樣出氣端為自由端與大氣聯(lián)通，因此這里p1=p0。

不同軸向靜載、圍壓、瓦斯壓力和震動(dòng)載荷沖擊速度組合加載下，含瓦斯煤瓦斯放散率如圖4(a)～(d)所示。類似于瓦斯放散速度，軸向靜載的作用使得煤體不易損傷，瓦斯放散率隨著軸向靜載的增加而減?。粐鷫菏姑后w更加致密并限制變形造成瓦斯放散率降低；雖然瓦斯壓力有助于體高瓦斯放散速度，但瓦斯壓力平方差大于瓦斯放散量增加的程度，造成瓦斯放散率隨瓦斯壓力增加而非線性減小；震動(dòng)載荷沖擊速度越大，動(dòng)載荷攜帶能量越多，對(duì)煤體損傷越嚴(yán)重，因此瓦斯放散率將隨著動(dòng)載荷的增大而增加。

圖4 震動(dòng)載荷下含瓦斯煤瓦斯放散率

3 結(jié) 論

1)含瓦斯煤在震動(dòng)載荷作用瞬間瓦斯放散表現(xiàn)出瞬時(shí)性特征，瓦斯放散持續(xù)時(shí)間在0～4 s內(nèi)；震動(dòng)載荷會(huì)誘導(dǎo)煤體微裂隙增加而引起瓦斯異常放散，但圍壓作用很快又使煤體微裂隙閉合。

2)當(dāng)震動(dòng)載荷不足以使煤體破裂時(shí)，軸向靜載有助于提高煤體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，裂隙難以形成，最大瓦斯放散速度將隨軸向靜載增加而減?。粐鷫旱南拗谱冃尾焕谕咚沽鲃?dòng)造成最大瓦斯放散速度隨圍壓的增加而減??；瓦斯壓力梯度促進(jìn)瓦斯流動(dòng)，震動(dòng)載荷作用過(guò)程中最大瓦斯放散速度隨著瓦斯壓力增大而增加；震動(dòng)載荷沖擊速度越大，攜帶能量越多，煤體微損傷越嚴(yán)重，最大瓦斯放散速度將隨震動(dòng)載荷沖擊速度增加而增大。

3)含瓦斯煤瞬時(shí)放散率隨著軸向靜載、圍壓的增大而線性減小，降低幅度分別達(dá)到44.80%和89.90%；隨著瓦斯壓力的增加呈非線性減小，主要是由于瓦斯壓力的平方差增加程度大于瓦斯放散量的增加程度；隨著震動(dòng)載荷沖擊速度增加基本呈增加的趨勢(shì)，增加幅度達(dá)90.89%。