（安全技术及工程专业论文）煤体固化石门揭煤防突技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec o a la n dt h eg a so u t b u r s tm i n es h a f t ，c r o s s m e a s u r ec u t t i n gc o a lh a sab i g g e rr i s k o f o u t b u r s t t h a n t h e o t h e r w a y s , m o r e o v e r , t h e i n t e n s i t y o f o u t b u r s t i sa l s o b i g g e r t h a n t h e o t h e rw a y s ，t h e r e f o r e ，i t sr i s ki sq u i t eb i g t 1 l eb i g g e s to u t b u r s ti nd o m e s t i ca n df o r e i g n o c c u r sw h e nc r o s s m e a s u wi sc u r i n gc o a l ，t h e r e f o r e ，t h ek e yp o i n to fr e s e a r c ho f a g a i n s t o u t b u r s ti sa l w a y sc r o s s m e a s u r ec u t t i n gc o a l t l l i sa r t i c l ep u tf o r w a r dt ot h em e t h o dt h a t s o l i d i f i c a t i o nc o a lb o d yc a nr e s i s tg a so u t b u r s t 。t h u ss a f e l ye f f e c t i v e l yf a s tc u tc o a l ，f o c u s i n g o ut h ei n s u f f i e i e n c yo ft r a d i t i o n a lc r o s s m e a s u r ea g a i n s to u t b u r s tm e t h o d s ，u n l f y i n ga c t u a l p r o b l e mo fc r o s s - m e a s u r ec u t t m gc o a lo u t b u r s ti np a n y im i n e t 1 l ec o a la n dg a so u t b u r s ti sr e s u l to ft h ec o a lb o d yp h y s i c a li n t e n s i t y , t h ec r y s t a ls t r e s s a n dt h eg a sp r e s s u r ec o m b i n e da c t i o n , t h i sa r t i c l ee m b a r kf r o mt h ec o a lb o d yp h y s i c a l i n t e n s i t yt h i si n f l u c d c eo u t b u r s tf a c l o t , d i s c u s s e so n e 菇n do fn e wc r o s s - m e a s u r ec u t t i n gc o a l a g a i n s tm e a s u r e - - - c o a lb o d yt os o l i d i f y t h sa r t i c l et h r o u g ht h ea n s y s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y s i s 。d e s c r i b e dt h ec o a lb o d ya r o u n dc r o s s - m e a s u r ea sw e l la ss u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s ，t h e s t r a i na n dt h ed i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nr u l e s ，a n dt 0s o l i d i f i e dt h es t r e s s ，t h es t r a i na n dt h e d i s p l a c e m e n ih a sm a d et h ec o m p a r i s o n , o b t a i n e ds t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kb e f o r ea n d a f t e rc o a lb o d yt ob es o l i d i f y 。e x a m i n c dt h ee f f e c to fa g m n s ta f t e ro u t b u r s ts o l i d i f i c a t i o nc o a l b o d y ；w ea l s oa t t e m p ta n da p p l yt h i sm e t h o di nt h es c e n e t h es o l i d i f i c a t i o na n dt h ea g a i n s to u t b u r s th a sr e l i a b l eb a s eo ft h e o r y i n f i t s i n gw i t h p r e s s u r ef u m i n ga g e n ti nt h eo u t b u r s td a n g e r o u sc o a ls e a m i tc a ne n h a n c et h ec o a lb o d y i n t e n s i t y s t r e n g t h e nt h ec o a lb o d yr e s i s l a n c eo fo u t b u r s ta b i l i t y ；s i r a u l t a n e o u s l yr e d u c er a t e o fi n t e r v a lo ft h ec o a ls e a m ，s l o w e dd o w nt h ea d s o r b e dg a st r a n s f o r m i n gt ot h ef r e eg a s ， r e d u c e dt h eq u a n t i t yo fo u t b u r s tg a s ，h a sf u n d a m e n t a l l ys l a c k e n e dp o t e n t i a le n e r g yo ft h eg a s t or e l e a s e t km e a s u r eo fs o l i d i f i c a t i o na n d 萨a r d m ga g a i n s to u t b u r s th a st h em e r i t so fs i m p i ec r a i t , w i l dc o m p a t i b i l i t y ，t h er e a s o n a b l ee c o n o m y ，s a f e t ya n dr e l i a b l e t h ec o a ls e a ma f t e rt h e s o l i d i f i c a t i o n , e r o s s - m e a s u r ec u t t i n gc o a lt i m ei so n l y1 3t i m eo fo r i g i n a lc u r i n gc o a lo rt ob e e v e ns h o r t e r t h e r e f o r e t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hh a v eaq u i t ev i t a ls i g n i f i c a n c ew h i c hc a n i n s t r u c tc o r r e l a t i o nm i n es h a f t st oc u t t i n gc o a lf a s t ，e n h a n c ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o no fm i n e s h a f t f i g 【3 1 】t a b i e 【6 】r e f e r e n c e 【3 4 k e yw o r d s ：c o a la n dg a so u t b u r s t ；c r o s s m e a s u r ec u t t i n gc o a l ；s o l i d i f i c a t i o nc o a l b o d y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a n s y s 安徽理工大学硕士论文 e n h a n c ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o no f m i n es h a f t f i g 【3 1 】t a b l e 【6 】r e f e r e n c e 【3 4 】 k e yw o r d s ：c o a la n dg a so u t b u r s t ；c r o s s m e a s u r ec u t t i n gc o a l ；s o l i d i f i c a t i o nc o a l b o d y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a n s y s i v - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 一1 ， 学位论文作者签名：霾鲤塑日期：必j 月笠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮垄王盘堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徵堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缘西函签字日期：w 衫7 年月移日学位论文作者签名：弥舢 签字日期：年彭月缪日 导师签名洳1 勿 签字日期御年g 月从日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 煤与瓦斯突出是煤矿井下生产中的一种自然灾害，它严重的威胁着煤矿的生 产安全。自从1 8 3 4 年3 月2 2 日在法国鲁阿雷煤田依萨克煤矿发生世界上首次煤 与瓦斯突出事故以来的1 7 0 余年间，已发生过煤与瓦斯突出的国家有法国、前苏 联、波兰、日本、匈牙剩、比利时、加拿大、澳大利亚捷克、保加利亚、美国、 英国、土耳其、德国、荷兰、印度、罗马利亚、南斯拉夫和中国等2 0 多个国家和 地区。据截至1 9 8 1 年底的不完全统计，各国发生煤与瓦斯突出的次数之总和已达 到3 万余次，其中，突出强度最大的一次是1 9 6 9 年7 月1 3 日在前苏联顿巴斯矿 区加加林矿发生的煤与瓦斯突出，突出煤量达1 4 2 0 0 t ，突出瓦斯为2 5 万酽。 据史料记载，我国的第一次煤与瓦斯突出于1 9 5 0 年4 月2 0 日发生在辽源矿 务局富国矿的西二坑。此后，随着我国煤炭工业的迅猛发展，老矿井的开采深度 愈来愈大，新矿井不断增多，突出矿井也日渐增多，不仅突出次数大幅度增加， 而且其突出强度也大大提高。截止1 9 8 1 年底，全国共有2 0 5 个矿井发生了煤与瓦 斯突出，其突出总次数大9 8 4 5 次，约占当时全世界突出总次数的1 3 ，其中最大 的一次煤与瓦斯突出于1 9 7 5 年8 月8 日发生在四川天府矿务局的三汇一矿，其突 出煤量达1 2 7 8 0 余t ，突出瓦斯达1 4 0 m 3 ，居世界第二位。目前，无论从数据上还 是从规模上看，我国己成为世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。 在煤矿现场，根据石门条件下发生的突出情况不同，石门突出又分为爆破揭 开石门时的突出、延期突出、过煤门时的突出和自行冲破岩柱的突出。其中以爆 破揭开石门时的突出所占比重最大。 ( 1 ) 爆破揭开石门时的突出 在有突出危险的地点，围岩的透气性都要比煤层本身小得多。在石门巷道揭 开煤层之前，煤层内的瓦斯未经排放，保持着较高的原始瓦斯压力。当放炮揭开 煤层的瞬间，具有突出危险的软煤上应力状态突然改变，迅速破坏，而这时新暴 露的煤体表面上可以看作是大气压力，在煤体表面不远处为原始瓦斯压力，瓦斯 压力的梯度很大，受地应力破坏的软煤在这个瓦斯压力差的作用下抛向巷道，又 是内部的煤体暴露，暴露的煤体又在地应力的作用下破坏，破坏后又被瓦斯压力 抛向巷道，这种连锁破碎及抛出煤体的过程使突出向煤体深部扩展，形成连续的 突出。 ( 2 ) 延期突出 安徽理工大学硕士论文 在石门揭煤过程中，大部分的突出都是在放炮后即可发生的。但也有一些突 出却是在放炮后延期一段时间才发生，这种石门条件下的突出，称为延期突出。 此外，在有些急倾斜煤层中，揭开煤层后未能及时进行支护，引起顶部冒落，导 致有突出危险的煤体突然暴露，也会引起突出，这种突出也被认为是延期突出。 ( 3 ) 过煤门时的突出 爆破揭开石门时，由于爆炸的深揭作用，由突出危险的软煤易于突然暴露， 突出极可能在爆破时发生。但也有一些地点，在放震动炮揭开煤层时，突出并未 发生，而在穿越煤门、甚至在过了石门后才发生突出，这类突出叫做过煤门突出。 这种突出的强度也很大，有的达几千吨，对安全生产的威胁很大。在我国发生过 煤门突出的一些例子中，有些煤层往往在底板或顶板中存在坚硬的岩石，从较软 的岩石一方揭开岩石时，不发生突出，但在工作面进入坚硬的岩石后，却发生了 突出。 ( 4 ) 自行冲破岩柱的突出 自行冲破岩柱的突出是指掘进爆破时并未将煤层揭露，还留有一段岩柱，但 突出煤体自行将这段岩柱破坏导致的突，出。这种突出实际上是在揭煤前所留的岩 柱已经比较薄，尽管并未进行爆破揭煤，但在地应力的作用下，岩柱破坏，具有 突出危险的软煤突然暴露，发生了煤与瓦斯突出。这类突出发生的比较少，从目 前我国已发生的这类突出来看，都存在着揭开方向的岩石为硬岩且其煤层内部瓦 斯压力较高的情况。 1 2 煤与瓦斯突出的机理研究 研究煤与瓦斯突出发生的理论，实际上就是研究煤与瓦斯突出发生的判别根 据。所谓煤与瓦斯突出发生的机理即其发生的物理力学过程。煤与瓦斯突出是煤 体局部突然破坏而发生的动力现象，如果煤岩体不破坏就没有突出的发生，这一 点早已为人们所共识。突然破坏就是指破坏从开始到终止的过程十分迅猛。因此 煤与瓦斯突出主要是煤体变形与瓦斯流动藕合作用下煤体突然破坏而发生的力学 过程。煤与瓦斯突出发生理论中所讨论的突出发生的判据实际上也就是煤岩体突 然破坏的判据。 根据大量实例，煤与瓦斯突出与冲击地压一样，都是受采动影响下，煤岩体 局部突然破坏所发生的动力现象。所谓突然破坏即是失稳破坏。虽然在1744 年欧拉通过细长杆的破坏提出了变形系统平衡状态的失稳问题，以后发展成为材 料的变形稳定理论这一固体力学中最活泼的一门分支学科，但长期以来，研究冲 击地压、煤与瓦斯突出等煤岩体失稳破坏而发生的现象一直沿用固体力学中经典 1 绪论 的强度理论。这是由于弹塑性变形稳定理论大多数研究的是三维空间中三个方向 尺寸有数量级差异时而产生的称之为几何失稳问题，而当三个方向尺寸的量级差 异不大时，如地下岩体结构就不存在几何失稳破坏问题。但是，根据经典的强度 理论提出的应力超过峰值强度，煤岩体破坏，冲击发生的强度理论无法解释采掘 工作面附近煤岩体应力已超过峰值强度发生破坏，但并不发生冲击地压的事实。 由于煤和瓦斯突出的发生有多种因素的作用，因此关于其发生的理论一开始就卷 入了哪种因素在煤岩破坏中起主要作用的争论中，从而提出了瓦斯说、应力说、 综合说以及最近提出的流变说，但其实质都是从强度观点出发的。 这种局面直到1965 年刚性试验机问世后，才得以改变。从岩石试件在刚 性和柔性试验机试验得到的大量结果可以看到，在柔性试验机上进行试验时，应 力达到峰值强度时即使停止加载，试件遇扰也将破坏，且破坏过程迅猛、几乎是 爆炸性的。这是由于试件与试验机所组成的变形系统平衡处于非稳定平衡状态， 遇扰发生失稳破坏而引起的。这样的破坏过程为失稳破坏过程，简称为失稳破坏。 在刚性试验机上进行试验时，应力达到峰值强度，停止加载时，由于试件和试验 机组成的变形系统平衡状态是稳定的，遇扰也不会发生失稳，只会引起试件发生 微小破坏、扰动消失，破坏即刻停止，不会继续发生破坏。只有继续做功，牙能 继续发生破坏，这样的破坏过程称稳定破坏过程或简称为稳定破坏。 簪 煤与瓦斯突出和冲击地压一样也是煤岩体突然破坏所发生的动力现象，它们 具有一系列共同特点，郎都是煤岩体局部进入蜂值强度后变形，呈现应变软化性 质，成为非稳定材料，且该部分煤岩体与周围尚处于峰值强度前变形的煤岩体所 组成的力学变形系统平衡处于非稳定状态时遇扰而发生的失稳破坏现象。所不同 的是煤与瓦斯突出从孕育到发生的整个过程中始终处在为煤与瓦斯的固流耦合作 用下。首先，煤体孔隙中的瓦斯流体对煤岩体的力学作用通过孔隙压力以有效应 力的方式施加于煤体，即煤体的变形破坏过程受有效应力一控制，在有效应力作 用下，煤岩体裂纹裂缝发生发展，当局部的有效应力超过峰值强度时，此局部区 域的煤岩体成为应变软化的非稳定介质，形成了由此局部区域与区域外的稳定介 质组成的变形系统。当此系统处于非稳定状态时，遇外界扰动发生失稳破坏，从 而发生煤与瓦斯突出。其次，瓦斯对煤岩体还有非力学作用，结果使煤岩体的力 学性质发生变化，如使煤体的弹性模量减小，峰值强度和残余强度降低，脆性度 增加，使得煤体的失稳破坏发生的可能性增加。同时煤岩体变形状态的改变又使 孔隙瓦斯的流动状态也随之变化，这又将改变煤岩体的变形状态，在如此反复相 互作用、相互影响即固流耦合作用下，煤岩体将发生失稳破坏。这就是煤与瓦斯 突出发生的机理。 安徽理工大学硕士论文 煤岩体在原始状态下，一般处于三向受压应力状态，最小主应力也很大，当 在采掘过程中形成新的临空面时，特别在石门揭开时，使得煤体的最小主应力迅 速减小，直至为零i 煤体的应力状态由三向转变为二向，在这种情况下如果孔隙 瓦斯压力很大，煤体将在此方向受拉性载荷作用而突然破坏，也可能发生煤与瓦 斯突出。对于在拉性载荷下发生的煤与瓦斯突出过去还未涉及过，而这种情况在 煤与瓦斯突出的实例子占有较大的比重。瓦斯对拉性载荷作用下的煤与瓦斯突出 的启动发生均起很大的作用，也许这些实例正是坚持瓦斯说或瓦斯作用综合说的 学者们所立论的根据。 无论是在压性载荷、剪切载荷还是拉性载荷下，煤岩体变形破裂过程都是裂 纹发生发展起主导作用的过程，这己为众多的试验室试验所证实。从煤岩试件的 单轴压缩试验可以观察到，裂纹的发生扩展均是受到拉张作用而产生的，裂纹的 形状基本上为椭圆形，且长轴平行于最大主方向。 煤岩体一般都不是均质的，即使均质各点的强度也不是均匀的，存在着一些 原生的缺陷如原始的裂纹、夹层等。即使随均匀载荷时，由于应力集中的影响， 应力也是不均匀的，因而在原始裂纹尖端应力超过强度时，裂纹将继续扩展，而 在其他部位应力超过强度时将产生新的裂纹。裂纹发生发展，将使拉裂处的煤岩 体不能再承受拉应力，从而拉应力区向外转移、扩大。在裂纹发生发展时均将释 放能量，形成微震，这一点可以通过煤岩体变形过程中声发射的活动得到证明。 随着裂纹发生扩展，裂纹并合搭接形成裂缝，最终裂缝失稳扩展，表现为煤岩体 宏观上的失稳破坏，即使在压性载荷下煤岩体的失稳破坏在微观上也是其多条主 干破裂的拉伸失稳扩展而形成的。孔隙瓦斯压力使煤岩体承受拉伸作用，促使裂 纹裂缝的产生和发展。当煤岩体在宏观拉性载荷作用时，微观拉破裂将首先在拉 应力超过抗拉强度的局部微小区域发生。此微小区域的煤岩体将丧失承载能力， 其所承受的拉应力为抗拉强度更大的煤岩体所承担，则微观破裂停止发展，此时 宏观上平衡状态是稳定的。如果随着拉伸产生，拉破裂增多，裂纹不断增加和扩 展，且形成宏观裂缝，此时平衡状态的稳定性将逐渐削弱，最后达到临界状态。 此时在外界微小扰动下，将引起微失稳破裂，载荷迅速转移，并造成雪崩式的连 锁反应，最终导致煤岩体宏观上的拉伸失稳破坏，发生拉性载荷作用下的煤与瓦 斯突出。 1 2 1 国外煤与瓦斯突出机理研究现状 国外关于煤与瓦斯突出的观点可归纳为四类： ( 1 ) 瓦斯作用说 l 绪论 这类假说认为煤体内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。其代表有 “瓦斯包说”，“粉煤带说”，“煤孔隙结构不均匀说”等等。其中，“瓦斯包说”占 重要地位，它认为，在煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤 窝，也就是瓦斯包，其中煤体松软，孔隙与裂隙发育，具有较大的储存瓦斯的能 力；但这些煤体被透气性差的煤( 岩) 所包围。一旦巷道揭开这些瓦斯包，在瓦 斯压力的作用下，松软的煤体将被瓦斯破碎并抛出从而形成突出。 ( 2 ) 地应力作用说 。 这类假说认为突出主要是高地应力作用的结果。高地应力包括两个方面，一 方面指自重应力和构造应力，另一方面指工作面前方存在的应力集中。这类假说 主要代表有“岩石变形潜能说”，“应力集中说”，“应力叠加说”等等。当巷道接 近储存有高构造应变能的岩层时，这些岩层将像弹簧一样伸张开来，将煤体破碎， 引起煤与瓦斯突出。 ( 3 ) 化学作用假说 这类假说认为突出是煤和瓦斯在很大的深度内发生变质时发生的化学反应引 起的。 “) 综合作用假说 这类假说认为突出是由地应力、瓦斯压力、煤的力学性质等因素综合作用的 结果。突出机理的认识趋势由单因素向多因素发展。这类假说由于全面地考虑了 突出发生的作用力和介质两个方面间的主要因素，得到了国内外大多数学者的普 遍承认。由于人们所研究的出发点不同，对上述三因素在煤与瓦斯突出中所起到 的主导作用，看法也不尽相同。有代表性的是“振动说”、“分层分离说”、“游离 瓦斯说”、“能量假说”及“应力分布不均匀说”等等。 总之，对煤与瓦斯突出机理的研究还存在分歧，对突出中的现象还不能予以 全面地解释，特别是难以定量描述。 1 。2 2 国内煤与瓦斯突出机理研究 我国从6 0 年代起就对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性 能等开展了研究，并根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨，特别是近 几年随着研究的深入及新手段的应用，产生了许多新的认识，目前已经对突出发 生的原因、条件、能量来源做出了定性的解释和近似的定量计算，为防治措施的 选择及效果检验提供了理论依据，主要观点有： 于不凡提出中心扩张学说：煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的发动中 心开始的，而后向四周扩散，由发动中心周围的煤岩石瓦斯体系提供能 安徽理工大学硕士论文 量并参与活动。在煤与瓦斯突出地点，地应力场、瓦斯压力场、煤体结构和煤质 是不均匀的。煤与瓦斯突出发动中心就处在应力集中点，且该点向各个方向的发 展是不均匀的。 李中成认为突出是煤体盘形拉伸破坏的连锁反应过程，突出过程就是煤体所 积存的弹性应变能和瓦斯内能突然释放的过程。 李萍丰提出了二相流体假说：突出的本质是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的 二相流体，二相流体受压积蓄能量，卸压膨胀放出能量，冲出阻碍区，导致突出。 突出的主要动力源是二相流体压缩积蓄，卸压膨胀放出的能量，而不是瓦斯膨胀 能和煤岩膨胀能。 周世宁和何学秋提出了流变假说：煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后地 应力与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出准备阶段中，含瓦斯煤体在采 动影响的区域内就开始了蠕变破坏，使煤体进一步被切割，形成发育的裂隙网。 在某区域加速破坏发生时，如果该区域瓦斯能量足够冲垮已遭破坏的煤体，则突 出发生、发展，突出过程中的瓦斯气体部分由前一蠕变区域通过发育的裂隙网补 给。 周世宁研究了瓦斯在煤层中流动的机理：认为瓦斯在孔隙结构中的流动主要 是扩散，复合菲克定律，在煤层裂隙系统的流动属于渗流，复合达西定律。煤层 瓦斯的流动决定于裂隙系统的特性，而不决定于孔隙结构。 梁冰和章梦涛提出固流耦合理论：突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局 部发生迅猛、突然破坏而造成的，是地应力、瓦斯及煤体三个主要因素作用的结 果。采深和瓦斯压力的增加都将是突出的危险性增大。 蒋承林和俞启香提出球壳失稳假说：煤和瓦斯突出过程的实质是地应力破坏 煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤壳失稳破坏，将原本具 有一定支撑作用的表面破坏煤体抛向巷道，迫使应力峰一项煤体内部继续破坏后 续的煤体这样一个连续发展的过程。突出的发生及发展是以球盖状煤壳的形成、 发展及失稳抛出为其特点的。 郑哲敏从力学角度对突出问题进行研究，通过量纲分析给出了突出判据的一 般形式，认为高压瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者。 丁晓良研究了煤在瓦斯渗流作用下持续破坏的机制，提出了持续破坏的模型。 余楚新建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。 俞善炳建立了突出的恒稳推进模型，得出突出一维流动解和启动判据。 郭德勇，韩德馨以实验为基础提出了煤与瓦斯突出粘滑失稳机理。 从这些观点中看出对煤与瓦斯突出机理的研究主要有三个方面，一是对突出 过程及突出特征的解释；二是对突出的力学实验研究；三是数学力学方法对突出 i 绪论 模型的研究。 1 3 国内外防突研究现状 目前世界各地煤与瓦斯突出的现象还没有得到完全控制，特别是随着煤炭生 产规模日益扩大，矿并开采水平不断延深，煤与瓦斯突出的次数和强度都在增加， 这是由于人们对突出的原因和机理的概念，还不十分明确预防措施不够完善。 自解放以来，我国防治煤与瓦斯突出的工作从无到有，发展很快，对煤与瓦 斯突出的认识，逐步深入，已初步掌握了一些规律，采用与推广了开采保护层等 一系列行之有效的技术措施，保证了安全生产。 我国在预防突出措施方面，目前普遍采用的有开采保护层、超前钻孔、预排 瓦斯和震动放炮。开采保护层是一种有效的区域性防突措施，其他国家，如苏、 法、波、比、捷、英、日、德等国也在采用。由于各国的地址和开采保护条件不 同，开采保护层的经验也不一样。随着开采深度增加，矿井通风复杂，保护层瓦 斯大，甚至也有突出危险等原因，开采保护层这种办法需要进一步完善，但是在 条件合适的地方都尽量采用。超前钻孔是一种较为有效的局部预防措施，各国普 遍采用，但孔径不一，我国和前苏联为2 5 0 3 0 0 r a m ，日本为1 0 0 。3 4 0 r a m ，西欧国家 为1 1 5 1 4 0 m 。 预排瓦斯既是一种有效的区域性预防措施，也是一种局部预防措施，各国都 在采用。震动放炮是一种诱导突出的办法，使用较早，特别是在西欧，现在各国 仍普遍采用。 上述各种措施由于使用条件的限制，或者不够完善，效果不稳定，还不能完 全防止突出。近年来，我国在群众性的技术革新和技术革命运动推动下，正在研 究试验新的预防措施，其中有水力冲孔、水力割缝、煤层注水和水力压裂，前两 项已分别在南桐和鹤壁矿务局取得初步成效。其他国家也在进行类似的试验。用 水处理煤层瓦斯己成为煤矿安全技术发展的一个重要方面。 在预防突出方面，我国加强了试验研究，其他国家也作了不少工作，一般包 括区域预测、局部预测和突出警报等内容，除定出鉴别危险层和危险区的指标外， 相应制造了一些测定工具和仪器，但实际效果还受到一定限制。突出警报尚处于 摸索阶段，进展不大，应用不多。 目前用于石门防突的有效措施有抽放瓦斯、排放钻孔、水力冲孔、金属骨架 等，但在实施这些防突措旌时需要一定的条件。如抽放瓦斯和排放钻孔方法要求 煤层有较好的透气性，并且有大于3 个月的排放瓦斯的时间，否则，达不到应有 的效果。水力冲孔措施要求煤层本身具有自喷能力，同时也要求有实施这一措施 安徽理工大学硕士论文 的足够的时间。因此，目前石门揭煤防突措施主要弊病就在于实施防突的时间太 长。关于抽放瓦斯、水力冲孔、排放钻孔、金属骨架措施的规定如表l 。 表1 关于抽放瓦斯、水力冲孔，排放钻孔、金属骨架措施的规定 t a b l e la b o u td r a w i n go u tm e t h a n e ，h y d r a u l i cf l u s h i n gi nh o l e ，w e l ld r a i n ，m e t a l l i cf r a m e w o r k m e n u ss t i p u l a t i o n 类别 抽放瓦斯水力冲孔排放瓦斯 金属骨架 有足够的抽放时 打钻时有自喷( 喷石门与煤层层面 有足够的排放 适用条件瓦斯，喷煤) 现象的交角大于4 5 0 间b 3 个月)时间 的煤层的薄及中厚煤层 实施措施时的岩 3532 - 3 层厚度m 在巷道上部和周 在石门周边外在距石门周边 钻孔在煤层中的在石门周边外3 m边外0 5 1 o m 的 3 5 m 以内的范围3 - 5 m 的范围内 控制范围以内的范围布孔范围内布置骨架 布孔布孔 孔 孔距一般不大于 孔距可根据煤层布置呈上、中，下孔距可根据煤 0 2 m ( 单排孔) 和 的透气性和允许 三排，每排呈左、层透气性和允 钻孔间距或布孔0 3 m ( 双排孔) ， 抽放的时间确定，中、右，共9 个冲许排放的时间 参数 骨架两端在顶底 一般为2 3 m ，均孔。冲孔顺序相问确定，一般为 板岩石孔内的长 匀布孔进行。i 一2 m 。 度为o s m 以上 石门全断面冲出的 经效果检验有效 总煤量( t ) 不少于 经效果检验有 要求达到的效果 2 0 x 煤层厚度( m ) 。 施工经验收后达 或瓦斯压力小于效或瓦斯压力 及指标如果冲出的煤量较到设计要求 0 7 4 h 呼a小于0 7 4 m p a 少时，应该在该孔 周围加补冲孔 1 绪论 1 4 研究课题以及研究内容 1 4 1 课题的提出 采掘工作面的类型对突出诸因素( 地应力、瓦斯压力、瓦斯含量以及力学强 度等) 的边界条件极其在煤内空间上与时间上的分布产生重大影响，因此各类工 作面的动力现象具有不同的特点。在石门揭煤时，由于岩石的强度往往大于煤体， 而各类岩石的透气性小于煤体，这样在石门即将揭开煤层之前，煤层中的瓦斯泄 露量很少，能够保留足够大的瓦颠压力。一旦揭开煤层，煤体内就会释放出大量 的初始释放瓦斯膨胀能，从而引起突出。正因为如此，同一地点的煤层用石门揭 煤的方式揭开时具有较大的突出危险性，而采用煤巷掘进的方式揭露时，其突出 危险性则要低一些，甚至消失。而且，在石门揭煤时，石门巷道的尺寸一般大于 煤巷尺寸。突出时不容易在突出口处积聚起较高的气压，有利于突出阵面在煤体 内发展，往往具有较大的突出强度。国内外最大的突出均发生在石门揭煤时，因 此石门揭煤一直是防突研究的重点。 从能量的角度来看，如果在相当大的一个范围内的煤体要发生突出，那么这 个范围内的煤体任一处暴露时，都能够释放出大量的初始释放瓦斯膨胀能。 从以上观点来看，要防止煤层发生突出可以从以下几个方面采取措施： 对具有突出危险的煤层大面积的预先采取措施，降低整个煤层的初始释放 瓦斯膨胀能。这一措施称为区域性防突措施。 。 对局部范围内的煤体采取措施，降低其初始释放瓦斯膨胀能。这一类措施 称为局部防突措旌。 采取措施不让工作面前方具有突出危险的软煤突然暴露，而让其在缓慢暴 露的过程中逐渐降低初始释放瓦斯膨胀能，当这些煤体暴露时，已经失去突出危 险性，从而防止突出发生。 采取措施让煤层在规定的时间内发生突出，避免意外发生的突出事故伤及 工作面的人员。 降低煤层中初始释放瓦斯膨胀能的方法有：提高煤体的强度，降低煤层内的 瓦斯压力，降低作用在煤层上的地应力。本文将采用固化煤体的方法来提高煤体 的强度，从而降低煤层中初始释放瓦斯膨胀能来防止瓦斯突出。 目前石门揭煤常用的防突措施有：超前钻孔卸压、预抽排瓦斯、水力冲孔， 金属骨架等。这些措施虽对突出起到了一定的防治作用，但它们没有从根本上考 虑在突出中起决定作用的煤体强度和瓦斯释放条件，而只是着眼于煤岩弹性能和 瓦斯潜能的释放。常规的防突措施一般都使煤体受到不同程度的破坏，降低了煤 安徽理工大学硕士论文 体的自身承载能力和对突出的抵御作用，对松软煤层或地质构造破碎带，影响更 为严重，而这些区域正是突出的多发区。 1 4 2 研究内容及技术措施 综上所述，为防止煤与瓦斯突出，近年来，世界上各主要产煤国家都投入了 大量的人力、物力和财力，进行了大量切实有效的研究工作，对煤与瓦斯突出发 生发展的机制有了一定的认识，并相应地建立起了一系列综合预防煤与瓦斯突出 措施，从而使煤与瓦斯突出的范围和强度在一定程度上得到了缓解。但同时也须 看到，由于煤与瓦斯突出是一种受众多因素影响的非常复杂的特殊动力现象，虽 然人们已经信了长期深入系统的研究，但从总体上来看，距离完全认识煤与瓦斯 突出机制及有效的控制导致煤与瓦斯突出的条件这一目标，还存在着相当大的差 距，特别是目前的防突措施还存在着自身的缺陷。因此，进一步研究一些新的行 之有效的防突措施对改善煤矿井下生产的安全条件，确保煤矿工人的人身安全有 着重要的现实意义。 通过前面对防止煤与瓦斯突出研究现状的讨论，本文作者认为： 石门揭煤时有更大的突出危险性，并且突出强度也相对较大，因此，石门 揭煤一直是防突研究的重点； 目前石门揭煤防突措施主要弊病就在于实施防突的时间太长； 常规的石门揭煤防突措施没有从根本上考虑在突出中起决定作用的煤体强 度和瓦斯潜能的释放。 基于以上观点，本文试图从煤体强度这一影响突出的因素出发，探讨一种新 的石门揭煤防突措施煤体固化。为此，本文拟定了以下几项研究内容： 1 ) 固化煤体揭煤的防突机理研究 2 ) 钻孔布置参数设计、注浆参数的设计 3 ) 固化剂的选择、调配研究，其他固化材料和设备的选择研究 4 ) 固化效果检验，固化前后围岩稳定性数值模拟 5 ) 固化防突的现场试用 根据以上的研究内容，本文采取了用实验室测试的方法研究固化煤体揭煤的 防突机理；用数值模拟的方法对固化后的防突效果进行检验，包括对固化前后围 岩稳定性的数值模拟；对这一方法在现场进行尝试应用。 2 煤与瓦斯突出的失稳理论及数值模型 2 煤与瓦斯突出的失稳理论及数值模型 2 1 突出的失稳机理 煤与瓦斯突出是煤体局部突然破坏而发生的动力现象，如果煤岩体不破坏就 没有突出的发生，这一点早已为发生的实例所证实。突然破坏就是指破坏从开始 到终止的过程十分突然，十分迅猛。因此煤与瓦斯突出主要是煤体变形与瓦斯流 动耦合作用下煤体突然破坏而发生的力学过程。 根据大量实例，煤与瓦斯突出是受采动影响，煤岩体局部突然破坏所发生的 动力现象。所谓突然破坏即是失稳破坏。长期以来，研究煤与瓦斯突出等煤岩体 失稳破坏而发生的现象一直沿用固体力学中经典的强度理论。这是由于弹塑性交 形稳定理论大多数研究的是三维空间中三个方向尺寸有数量级差异时而产生的称 之为几何失稳问题，而当三个方向尺寸的量级差异不大时，如地下岩体结构就不 存在几何失稳破坏问题。由于煤与瓦斯突出的发生有多种因素的作用，因此关于 其发生的理论一开始就卷入了哪种因素在煤岩破坏中起主要作用的争论中，从而 提出了瓦斯说、应力说、综合说等等，但其实质都是从强度观点出发的。 ， 研究动力失稳过程一般采用准静态的方法进行研究，即研究发生失稳破坏过 程之前系统平衡状态的稳定性。如果此系统处于非稳定平衡状态，则在外界扰动 下，系统将发生失稳破坏，平衡状态的失稳将可能导致过程的失稳。这样就可以 从研究失稳前平衡状态的稳定性来研究系统的稳定性，并以此判别准则作为动力 失稳过程发生的准则，使问题得到简化，煤与瓦斯突出发生前煤岩体在瓦斯和地 应力作用下的变形过程可以视为一个准静态的平衡过程，当煤与瓦斯突出前，煤 岩体的平衡状态处于非稳定平衡状态，在外界扰动下可能将发生失稳过程，即发 生煤与瓦斯突出。这样研究煤岩体在应力和瓦斯流动作用下，煤岩体在变形过程 中状态的稳定性的变化过程也即研究煤与瓦斯突出的孕育过程。 煤体破裂时遵循m o h r 准则。对突出煤样进行加压，当压力达到一定数值时， 煤体将会破坏，破坏时的最大压应力称为煤样的抗压强度，也是应力应变啦线最 高点的值。如果对煤样作三向加压实验，则所测得的抗压强度随着侧压的增加而 增加，因此仅仅采用一个单向的抗压强度是不能代表煤样的强度条件的。成型煤 样在性质上与现场突出前的原煤样类似，成型煤样破坏属于多重剪切破坏，而且 煤样的破坏并非压碎，它的破裂面总是与加压方向斜交，属于剪切破坏。 如图1 所示，在这个三角柱状体的底部，承受的是最大主应力01 ，其侧面承 安徽理工大学硕士论文 受的是最小主应力o3 ，中间主应力02 作用在三角柱的两个断面，图中未画。在斜 街面上有一正应力o ，它垂直于作用面，在这个作用面上，还有一个剪应力t ， 图1 三角柱状体上的受力分析 f i 9 1a n a l y s i so f t h em a n g l ep o l e 它平行于作用面，与主应力构成静力平衡条件。设斜截面的面积为d f 的法线方向及平面方向平衡条件可得： 碗- 0 , o a f - 0 1 彤s 口c 傩口+ c r 3 够s i n a x s i n a 简化得： 口- 鱼专垒+ 曼亏垒c o s 2 a 毯t q m 重l - o 、a jc o s a s i n a o 秘s i n a c o s a 简化得：f 。华s i n 2 a 将式( 2 - 1 ) 移项为一半- 学c o s 2 a 按斜截面 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 3 ) 2 + ( 2 - 2 ) 2 卜半卜2 一( 学) 。 q 4 ) i 2 ji 2 j 上式是一个以。为横坐标、t 为纵坐标的圆的方程式，其圆心位置为 ( 学，o ) 泮锄( 学) 戌佣靛m o 姚加以酏施加蛐一 点的坐标表示了任一三角柱状体斜面上的应力，该点对应的横坐标代表了作用在 斜面上的正应力o ，该点对应的纵坐标代表了作用在斜面上的切应力，而该点和 圆心的连线与。轴的夹角为2d ，q 为斜面与最大的主应力作用面( 即最大主平 面) 的夹角。也是斜面上正应力与最大主应力的夹角。这个斜面与o 。相平行，如 果要求与o 相平行的斜面上的应力，只要将0 。换成o ：即可，前面的公式不变。 如果要求与o 。平行的斜面上的应力，同样只要将o 。换成0 ：即可。由于o 。和o ， 的差值较大，与o 。相平行的斜面上的剪应力较大，后两个截面上的剪应力都比较 小，不是最危险的截面，故一般不予计算。 2 煤与瓦斯突出的失稳理论及数值模型 t 5 2 盔扩孓 萝心乞 图2 应力圆图3 不同侧应力时的极限应力圆 f i 9 2c i r c l eo f s t r e s sh 9 3d i f f e r e n ts i d e ss t r e s st h eu l t i m a t es t r e s sc i r c l e 在三向压缩状态下，所施加的载荷就是主应力，通过m o h r 应力圆就能够表示 出煤样任一截面上的应力状态。对于任一侧应力o 。总可以得到一个煤样破裂时 的极限应力圆。将同一种煤样置于不同侧应力作用下，测试出各自破裂时的极限 载荷，就可以作出一系列的极限应力圆，如图3 所示。在这些应力圆中，测应力 越大，极限应力圆也就越大，这些极限应力圆的公切线就是他们的包络线。这条 包络线代表了这种煤样在不同应力状态时的强度条件，应力圆在这条包络线以内 时煤样都不会破坏，应力圆不可能超过包络线，一旦与包络线相切：煤样就开始 破裂，应力不可能继续上升。，应力圆与包络线相切的切点坐标表示了煤样破裂面 上的极限应力状态，也表示了破裂面的方向。因此，这条包络线就是这种煤样的 强度曲线。 强度曲线与正应力曲线相交于一点，这一点的。为负值，而t = o ，表明在这 一点煤样是在拉应力的作用下破坏，而在其余的点上，都是剪切破坏。当煤样受 到各向相等的压力作用时，式样内无剪应力，应力圆在图上的表示为。轴上的一 点，不可能与强度曲线相交，因而也就不会破坏。由于煤样的抗拉强度很小，强 度曲线在。轴的负方向收敛很快。 煤样之所以破裂，是因为破裂面上剪应力超过煤样的抗剪强度。因此，煤样 试样的强度不能仅用一个方向的主应力来代表，而应该用抗剪强度来表示。这样 煤样的强度分为两部分：一部分是煤样的内聚力，即煤样颗粒问粘结力，用k 来 表示，它的大小决定于煤样的结构；另一部分是内摩擦力，即煤样颗粒间的摩擦 阻力，与正应力成正比，内摩擦因数与煤样内颗粒的形状及表面光滑程度有关。 由于图3 3 中的包络线近似为一直线，并且是对称的，在工程中，只需要抗剪强 度的绝对值，而不在乎剪力的方向，为简便计，我们用图4 中的直线来代表煤样 安徽理工大学硕士论文 幺 石 ti 图4 煤样的剪切强度曲线 f i 9 4c o a ls h e a ri a t e n s i t yc u l v e 的强度曲线。这样煤样的抗剪强度可用下式来表示： r - o t a n 妒+ k ( 2 - 5 ) 式中： 妒内摩擦角，也是强度曲线与。轴的夹角； k - - 内聚力，m p a ： 破裂面上