第33卷第12期煤 炭 学 报Vol.33 No.12 2008年12月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY Dec. 2008
文章编号:0253-9993(2008)12-1368-05
煤与瓦斯突出过程的力学作用机理
胡千庭1,2,周世宁1,周心权1
(11中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;21煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)
摘 要:以“煤与瓦斯突出是一个力学破坏过程”的认识为前提,通过理论分析和数值模拟,对煤与瓦斯突出过程的力学作用机理进行了深入研究.对突出的准备、发动、发展和终止过程重新进行了划分,给出了各个过程详细的描述.在突出准备阶段,围岩发生应力集中和强度破坏,为后续的失稳创造了条件.突出的发动是围岩的突然失稳以及失稳煤岩的快速破坏和抛出.突出的发展是突出孔洞壁煤体由浅入深逐渐破坏并抛出的过程,主要受控于孔洞壁煤体的应力分布以及孔隙和裂隙中的瓦斯压力对煤的拉伸和剪切破坏,并可分为粉化和层裂2个阶段.突出孔壁受堆积煤岩的支撑或孔洞形状变化促使孔洞壁煤体受力状态的改变是突出终止的主因.
关键词:煤与瓦斯突出;力学;机理;失稳
中图分类号:T D71311 文献标识码:A
M echan i ca l m echan is m of coa l and ga s outburst process
HU Q ian2ting1,2,Z HOU Shi2ning1,ZHOU Xin2quan1
(11School of Resources and Safety Engineering,China U niversity of M ining and Technology(B eijing),B eijing 100083,China;21Chongqing R esearch Institute,China Coal Research Institute,Chongqing 400037,China)
Abstract:“Coal and gas outburst is a mechanical failure p 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 tailed 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 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 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;destabilizati on
1 煤与瓦斯突出的力学作用过程描述
根据大量实际发生的煤与瓦斯突出案例以及许多学者的研究成果[1-2]分析认为:煤与瓦斯突出的力学作用过程可用图1描述[3].
首先是突出的准备阶段,这一阶段是突出发生条件的酝酿阶段.它包括采掘作业、应力加载、煤岩受收稿日期:2007-12-21 责任编辑:毕永华
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2005CB221503);国家自然科学基金重点资助项目(50534080)
作者简介:胡千庭(1957—),男,江西吉安人,研究员,博士生导师.Tel:023-********,E-mail:huqtin@hot m ail1com
第12期胡千庭等:
煤与瓦斯突出过程的力学作用机理图1 煤与瓦斯突出的力学作用过程描述Fig 11 Phase divisi on of coal and gas outburst
力状态的改变、煤岩物理力学
参数的变化、煤岩体内瓦斯压
力的变化及瓦斯吸附解吸状态
的变化等,当这一系列参数和
状态的变化积累到一定程度、
并足以使煤岩体发生破坏失稳
和抛出时,准备阶段结束,进
入突出发动阶段.在大多数情
况下,煤岩体内的物理力学参
数和状态的变化不足以达到煤
岩体破坏失稳并抛出的条件,因而突出不会发生.突出的发动阶段是指从准备阶段静止的煤体到煤岩与瓦斯突出发生这一突变点.发动的标志是一定体积的煤岩体破坏失稳并被抛出.破坏是指煤岩受力状态达到屈服点;失稳是指一定体积的煤岩失去承载能力;抛出是指一定体积的煤岩与原周围煤岩体完全失去力的联系.这里所谓的一定体积难以做出量的界定,通常需要理解为足以使周边煤岩体发生物理力学参数或受力状态发生变化的煤岩体范围.突出的发展阶段是指从突出的最初发动到突出终止所经历的过程,这是一个煤岩体持续破坏失稳和抛出的过程.突出发展阶段通常又包含孔洞周围煤岩体粉化破坏和层裂破坏2个子阶段,这2个子阶段会有交替出现的可能.在层裂破坏过程中,突出孔洞周围的煤岩体将继续发生流变变形,瓦斯继续涌出,这种变化可能导致2种结果:一是再一次达到粉化破坏条件,突出被再一次激发;二是变形趋于减弱直至终止,也即发展过程出现衰减并最终达到新的力的平衡,使煤岩体持续破坏失稳和抛出的条件不能满足,进入突出终止的时间点.因而,严格地说,突出的发动和终止只是突出过程中的2个突变点,而突出的准备和发展则是2个持续的过程.典型的突出具有明显的4个阶段,但也有一些突出明显的不具有其中某些阶段.在放炮诱导的突出中,突出准备阶段诱发突出的迹象不明显;突出发动是发生突出的必要条件,任何一次突出的发生必须满足突出发动条件;对于压出和倾出类突出,由于瓦斯的作用不大,难以形成煤岩粉化的力学条件,通常不具有粉化破坏子阶段.
2 煤与瓦斯突出的发动
图2 煤岩受力过程的应力应变曲线及蠕变曲线Fig 12 The stress 2strain curve and creep curves of coal r ock l oading p r ocess
211 煤岩失稳的力学机理
图2(a )为煤岩受力过程的全
应力应变曲线[4].该曲线表明煤岩在
承受外力作用条件下发生变形包括:
低应力阶段(O -A -B ),煤岩应力
应变呈指数规律变化,变形量由大到
小变化,说明多孔介质的煤岩体在应
力作用下被压密;中应力阶段(B -
C ),煤岩应力应变呈近似线性变化;
高应力阶段(C -D ),煤岩应力应变呈近似抛物线变化,变形量由小变大,说明煤岩内部破坏裂纹迅速产生,直至煤岩被破坏,承载能力开始下降;承载能力迅速下降阶段(D -E ),应力应变近似呈负线性变化,煤岩承载能力迅速下降,直至E 点基本失去承载能力,煤岩体失稳.图2(b )为煤岩受力过程的蠕变曲线,图中σA >σB >σC .该曲线表明:煤岩在载荷作用下都会发生蠕变变形,随着载荷的增加,蠕变特性会迅速增加.由于煤岩的蠕变特性,随着时间的推移,即使应力不再增加,煤岩的变形也会发生显著变化,尤其是进入蠕变加速阶段(c
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煤 炭 学 报2008年第33卷图3 煤岩受振动载荷的应力应变曲线
Fig 13 Stress 2strain curves of coal r ock when bearing circular l oad
-d ),煤岩变形迅速增加,煤岩内部破坏裂
纹迅速产生,煤岩承载能力下降,直至失去
承载能力而失稳.图3为煤岩承受振动载荷
时的应力应变曲线,实际相当于对煤岩体的
反复加载与卸载,由于加卸载路径不重合,
反复加卸载易于使煤岩体变形进入D 点失去
承载能力而失稳.
212 采掘工作面围岩的力学破坏形式根据文献[3]对采掘工作面围岩的破坏过程进行模拟,分析得到的水平位移和剪应变结果如图4所示,
结果表明,煤层中部水平应力接近0,煤层顶底部出现较高的剪切应力.
图4 采掘工作面围岩的水平正应力和剪应力分布
Fig 14 The distributi on of horizontal nor mal stress and shear stress of working face
对含瓦斯煤体,根据K 1太沙基(Terzaghi )的有效应力原理,有σ′=σ-p,τf =c ′
+σ′tan φ′,其中,σ′为有效应力;σ为总应力;p 为孔隙流体压力;τf 为抗剪强度;c ′
为有效黏聚力;φ′为有效内摩擦角.瓦斯的存在使有效应力和抗剪强度降低,会使煤层中部区域出现拉应力,顶底部煤层易形成剪破坏.
根据损伤力学的研究结果,对于煤体中存在的圆盘形裂纹,仅在裂纹内气体作用下发生扩展的条件[5]为
p -p 0≥K I C π
(2a ),其中,p 为裂隙中的瓦斯压力,MPa;p 0为外界气体压力,MPa;K I C 为煤体的断裂韧性,MN /m 115;a 为煤体内裂隙的半径,m.
随着煤体内裂隙的扩展,即裂隙半径a 的增大,煤体裂隙扩展所需要的瓦斯压力越来越小.在孔裂隙内瓦斯压力变化不大的情况下,瓦斯对煤体造成的拉伸破坏具有突变性质,即瓦斯的作用一旦使煤体的裂纹开始扩展,这种破坏通常能持续进行,造成煤体彻底破断.由此可知,采掘工作面围岩的力学破坏形式主要为拉破坏和剪破坏,瓦斯的存在加速了拉破坏和剪破坏,并极易使裂纹迅速扩展.
213 引起采掘工作面围岩失稳的主要原因
(1)静载足够大时,由于煤岩的蠕变特性使得煤岩在静载荷作用下迅速失稳.(2)外载扰动通常是指煤岩体承受的外界动力载荷,包括爆破、风镐落煤、采掘机械割煤、顶板断裂、支护作业等造成作用在煤壁上的载荷变化.外载可能是迅速增加的冲击载荷,也可能是交替变化的循环载荷.冲击载荷(如顶板突然断裂)可使没有达到强度破坏的煤岩体快速达到强度破坏状态,或者使已经处在峰后状态的煤岩体发生快速的应变软化,同时会产生短时的交变载荷,这些载荷都可能导致煤岩体快速失稳.一些叠加作用在煤岩体上的交变载荷,如风镐作业、采煤机割煤等本身就是交变载荷.交变载荷的作用可能促使煤岩体快速软化直至完全失去承载能力.爆破作业一方面可对煤岩体施加冲击载荷导致煤岩体迅速失稳,另一方面爆破时炸药本身释放的大量能量,可使煤岩体直接被破坏和抛出,抛出煤体的过程本身就导致煤壁彻底失稳,也即爆破本身就可以看作是突出的发动.支护突然失效,导致壁面附近煤岩受力状态突然改变,
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第12期胡千庭等:煤与瓦斯突出过程的力学作用机理煤岩力学强度迅速变小,相当于外加冲击载荷的作用.(3)弱面主要是指断层、褶曲和裂隙等,它相当于天然的剪切面,极易在弱面处形成剪切失稳.弱面的存在使其抗拉、抗压、抗剪强度显著降低(内聚力和内摩擦角显著减小),也会促使煤岩体失稳并移动.(4)应力转移是指支承压力极限平衡区被破坏后,其应力向深部转移的过程.一般情况下,尽管煤体已处于破坏后的峰后阶段,但由于煤体进一步变形破坏后,其所承受的载荷总能向周围煤岩体转移而达到新的平衡状态,煤壁不会发生失稳.在一些特殊条件下,如煤岩强度不均,在应力转移过程中低强度煤岩软化,高强度煤岩承受较高的垂直支承压力,阻止应力向深部转移,软化煤岩可导致顶板不断下沉,使得高强度煤岩不断承受更高应力而出现脆性破坏失稳,导致采掘工作面围岩较大面积失稳.支护逐渐失效相当于应力转移.
214 突出的发动机理
突出的发动从煤壁的失稳开始,如果失稳煤体仅局限于煤壁表面的小范围,此处几乎不存在瓦斯的作用,失稳煤体在重力势能和不大的弹性势能作用下抛出,产生片帮一类的动力现象.这种现象的发动通常难以持续发展.如果失稳煤体是沿某一高角度结构弱面形成,失稳煤体在重力势能和较小的弹性势能、瓦斯内能作用下抛出,形成倾出类动力现象.由于深入煤体较深部,瓦斯压力不高,仅会引起较小范围深部煤体的动力现象的发展,这种发展仅限于小范围深部煤体的失稳和位移以及深部煤体瓦斯的缓慢解吸与释放.如果失稳煤体不是沿高角度结构弱面形成,而且深入煤体一定深度,煤体主要在弹性势能和不高的瓦斯内能作用下抛出或挤出,形成压出类动力现象.这类动力现象同样由于深入煤体较深部,但瓦斯压力不高,仅会引起较小范围深部煤体的动力现象的发展,同样只表现在小范围深部煤体的失稳和位移以及深部煤体瓦斯的缓慢解吸与释放.如果失稳煤体和压出类动力现象相似,失稳煤体主要是在瓦斯内能和相对较小的弹性势能作用下抛出,则形成突出类动力现象.这类动力现象深入煤体较深部,瓦斯压力高,会引起大范围深部煤体动力现象的发展.如果压出类动力现象的煤体失稳是发生于较坚硬的煤层中,则煤体可能呈现脆性失稳,引发煤体失稳和抛出所需的力和弹性势能更大,这时的动力现象就转化为冲击地压.3 煤与瓦斯突出的发展与终止
在突出发动以后,深部的高地应力高瓦斯压力的煤体突然暴露出来,在形成的突出孔洞周围煤体的径向应力突然释放,同时孔洞壁煤体内的瓦斯压力和孔洞中的气压相差很大.孔洞壁周围煤体承受如图5(a )所示的地应力和瓦斯压力的作用.显然靠近孔壁处瓦斯压力大于径向地应力,煤体承受拉应力作用被拉伸破坏失稳,因此该阶段是在高瓦斯压力作用下的粉化破碎阶段
.
图5 突出发展时孔洞壁的径向应力和瓦斯压力分布
Fig 15 B reakage of cavity wall under radial stress and pore p ressure during outburst devel opment stage
随着破坏的持续发展,抛出的煤体部分堆积在孔洞内,对孔壁形成径向支撑力,其受力状态如图5(b )所示.此时,拉应力逐渐变小、甚至消失,孔壁煤体主要经受剪切破坏,剪切面基本成凹球面,如图4(b )所示,剪切面内的瓦斯达到一定数值时将球面薄层推出,呈现明显的分层破坏特征.随着破坏的深入,孔壁堆积碎煤的支撑力以及瓦斯压力进一步增大,孔壁煤体的瓦斯压力梯度降低,导致煤体无法发生进一步的破坏,而仅在地应力作用下发生缓慢的蠕变变形,孔壁瓦斯继续向孔洞渗流.随着时间的推1731
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移,这种移动和渗流将变得非常缓慢,直至移动停止,这时可以认为突出已经终止.
在破坏持续发展过程中,堆积碎煤减小孔内瓦斯喷出通道,使孔内瓦斯压力增大.当瓦斯压力达到一定程度,瓦斯压力突破堆积煤的阻力携带碎煤喷出,孔内瓦斯压力下降,孔壁煤体又可能在拉应力作用下粉化,因此,发展前期可能出现粉化和层裂破坏的交替进行,直至采掘空间和孔内堆煤显著增加时,堆积碎煤阻力增大到难以被突破,层裂破坏才可能持续下去,直至层裂停止,突出也被终止.因此,突出的发展过程实际上是间歇式多次发生的.当突出发动后,如果孔壁煤层瓦斯压力不高,瓦斯不足以导致孔壁煤体拉破坏并粉化,则突出的发展就不会具有粉化破坏第1发展阶段,而是直接进入层裂的第2发展阶段,出现分层破坏特征;如果孔壁煤层瓦斯压力不足以分层破坏煤体,突出的发展直接进入层裂移动的第3发展阶段,实际上这种破坏模式主要出现在压出和倾出类动力现象中.
4 结 论
煤与瓦斯突出经历准备、发动、发展和终止4个阶段.采掘工作开展后,采掘空间载荷通过顶、底板向煤壁方向转移,导致煤壁逐渐发生破坏,形成了支承压力极限平衡区.大多数情况下,此极限平衡区是稳定的.但在遇到煤岩体中含有结构弱面、外界扰动、顶板突然断裂、煤岩突然脆性破坏或发生较大的流动变形等情况时,可能导致极限平衡区内煤壁附近煤体失稳.失稳煤体失去承载能力,煤岩体中积聚的弹性势能、瓦斯内能和失稳煤体本身所具有的重力势能将失稳煤体破碎并抛出(或挤出),使失稳煤体与实体煤分离,也即突出发动.突出发动形成了最初的突出孔洞,在孔洞周围高压瓦斯煤体突然暴露,其应力状态发生改变,孔洞壁失去支撑力的作用,在孔洞煤壁形成了较高的瓦斯压力梯度,使煤体内产生拉伸应力发生破坏并被抛出;随着抛出煤的堆积,孔内瓦斯流动阻力加大,瓦斯压力上升,堆积煤对孔壁的支撑力加强,煤璧内煤体拉伸破坏点往深部移动,并与剪应力共同作用形成裂隙面,瓦斯向裂隙面内解吸,裂隙内瓦斯压力增大,并迅速扩展裂隙,导致在孔洞壁暴露面处煤体发生层裂破坏并被抛出.煤体破坏抛出使孔洞变大,在孔洞周围形成了新的暴露面,孔洞壁煤体发生新一轮的破坏抛出.随着抛出(或挤出)的煤在孔洞内外的堆积,逐渐减小抛出通道的面积,使得孔洞壁受堆积煤的支撑力变大,孔洞壁煤体层裂破坏变得困难,转而形成层裂移动,直至层裂移动终止,突出终止.在孔洞内瓦斯流动阻力加大的过程中,瓦斯压力逐渐升高,常会出现突破阻止瓦斯流动的障碍,使高压瓦斯携带破碎粉煤抛出,孔洞壁煤体加速破坏的反复过程,因而突出是一个煤体间歇多次破坏和抛出的过程.
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