（安全技术及工程专业论文）石门揭煤过程中围岩的力学特征数值模拟.pdf

析了地应力、瓦斯压力以及煤岩力学性质等综合作用下诱发煤岩突出破裂过程中 应力场、变形场、渗流场以及声发射的演化过程进行了模拟研究。 此外，有针对性地研究了煤体发生突出的条件。假定其它参数值不变，仅改 变煤层中的瓦斯压力，对石门揭煤时煤与瓦斯突出情况进行模拟，模拟结果揭示 出有效降低煤层中的瓦斯压力是防止煤与瓦斯突出的有效途径之一。 图 5 6 1 表f 9 1 参 1 4 0 1 关键词石门；揭煤；含瓦斯煤岩；非均匀性：固气耦合；煤与瓦斯突出 i i 摘要 a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s c u th a v e c h a l l e n g e dm a n yr e s e a r c h e r sf r o me n g i n e e r i n gm e c h a n i c sa n dm a t e r i a l s s c i e n c et o d e v o t et h e mt oi t c o a la n dg a so u t b u r s t sf o l l o w e db yt h ef a i l u r ea n df r a c t u r eo f g a s e o u sc o a la n dr o c kh a v eb e e nt h em a j o rd i s a s t e r si nt h ew o r l dm i n i n gi n d u s t r y a n di th a so c c u r r e di nv i r t u a l l ya l lt h em a j o rc o a lp r o d u c i n gc o u n t r i e so f t h ew o r l d t h e d i s a s t r o u sm i n eo u t b u r s th a sr e s u l t e di ng r e a tl o s so fl i f ei nm a n yc o u n t r i e sa n de v e n t o d a yi ti sn o tw e l lu n d e r s t o o d t h u s ，a sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h em e c h a n i s m so f c o a la n dg a so u t b u r s t s ，t h i sh a sf o r c e dm i n i n gl e a d e r sa n dr e s e a r c h e r st od e v e l o pa l l u n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s c u t ， a n dt h em e c h a n i s m so fc o a la n dg a so u t b u r s t sa n dg a sd r a i n a g e ，a n df u r t h e r m o r e ，t o a d o p ts o m es a f e t yp r o c e d u r e st om i n i m i z et h ee f f e c to fo u t b u r s t so re l i m i n a t et h e m c o m p l e t e l y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ea n ds i g n i f i c a n c et oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s - c u tu n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n s l a b o r a t o r i a lt e s t sa n di n - s i t uo b s e r v a t i o n sh a v eb e e na ne f f e c t i v ea n dd i r e c tw a y s o fs t u d y i n gt h ef a i l u r ep r o c e s so fg a s e o u sc o a la n dr o c k ，a n dt h e s ew a y sp l a yac r u c i a l r o l ei nt h es t u d yo fm a t e r i a lf a i l u r ep r o c e s s n e v e r t h e l e s s ，t h ea p p l i c a t i o n so ft h e s e m e t h o d si nt h es t u d yo fg a s e o u sc o a la n dr o c ka r el i m i t e db e c a u s eo fs a f e t y a n a l y t i c a l m e t h o ds u c ha sm a t h e m a t i c sa n d e n g i n e e r i n g m e c h a n i c si sa l s o i m p o r t a n ti n i n v e s t i g a t i n g t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o na n dt h ei n d u c e da c o u s t i ce m i s s i o ns o m e s i m p l i f i c a t i o n st om a t e r i a l s h o w e v e r ，t h em a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a lm e t h o d sa r e s e e m e dt ob ew e a ki nd e a l i n gw i t ht h ec o m p l e xi n t e ra c t i o n sa m o n gm i c r o - c r a c k sa n d t h ec o u p l i n gi n t e ra c t i o nb e t w e e ng a sf l o wa n dc o a lo rr o c kd e f o r m a t i o n a sar e s u l t ， n u m e r i c a lm e t h o d ，am o s tw i d e l yu s e da n de f f e c t i v em e t h o d ，c a ns e r v ea sat o o lt o s t u d yt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s - c u t b a s e do n t h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r e sa n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fc o a la n dr o c ko nam e s o l e v e l ， t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s c u tc a nb es o l v e d c o m b i n e dw i t hc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sa n ds t a t i s t i c s t h ec o m b i n a t i o n so fd a m a g e m e c h a n i c sa n dc o a lm e t h a n es e e p a g em e c h a n i c sm a k ei tp o s s i b l et on u m e r i c a l l y s i m u l a t et h eg a sf l o wi nt h ef a i l u r ep r o c e s so fc o a la n dr o c k i na d d i t i o n ，t h eq u i c k d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r dw a r ea n dc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sm a k ei tap o w e r f u l i i l 安徽理工大学硕士学位论文 t o o lt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s - c u t o nam e s o - l e v e l t h e r e f o r e ，i nt h ep r e s e n tp a p e r ，f i r s t l y ，t h r e ep l a s t i cd a m a g ec o n s t i t u t i v el a wf o r e l e m e n to nam e s o l e v e lw a sp r o p o s e dc o n s i d e r i n gt h eh e t e r o g e n e i t yo fc o a la n dr o c k ， m e a nw h i l e ，c o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n s h i pe q u a t i o nb e t w e e nd a m a g ei n d u c e dg a s p e r m e a b i l i t ya n ds t r e s sa n dt i m e d e p e n d e n te q u a t i o no fc r e e pd a m a g ee v o l u t i o n , t h e s o l i d g a sc o u p l i n gm o d e l ( r f p a 2 d - f l o w ) f o rg a s e o u sc o a la n dr o c kw a se s t a b l i s h e d ， a n dt h en u m e r i c a lf e mi m p l e m e n t a t i o nf o rt h em o d e lw a sa l s og i v e n f u r t h e rm o r e ， t h e c o u p l e d m o d e lw a sa l s ov a f i d a t e df r o mt w oa s p e c t so ft h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc r o s s - c u t s e c o n d l y ，t h ei n s t a n t a n e o u so u t b u r s ti n d u c e db yc r o s s - c u td r i v i n gi sn u m e r i c a l l y p e r f o r m e d ，r e s p e c t i v e l y n u m e r i c a l r e s u l t s r e p r o d u c e d t h ew h o l e p r o c e s s o f m i c r o - c r a c k i n g ，p r o p a g a t i o n ，c o a l e s c e n c ea n de j e c t i o no fc o a lo rr o c k i na d d i t i o n ，t h e a s s o c i a t e ds t r e s sf i e l d s ，d i s p l a c e m e n tv e c t o r s ，a u d i oe n e r g ya n df l o wv o l u m ed u r i n g t h eo u t b u r s t sc l e a r l yv i s u a l i z e d t h i r d l y ，s t u d yt h ec o n d i t i o n so f t h eo u t b u r s t so fc o a la n dg a sp e r t i n e n t l y k e e p i n g o t h e rp a r a m e t e r sv a l u ei n v a r i a b l e ，c h a n g i n gt h eg a sp r e s s u r ei nc o a ls e a n lo n l y , t h e a u t h o rs i m u l a t e st h eo u t b u r s t so fc o a la n dg a si nc r o s s - c u t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t r e d u c i n gt h eg a sp r e s s u r ei nt h ec o a ls e a mi sa ne f f i c i e n tw a y t of o r b i d ec o a la n dg a s o u t b u r s t f i g u r e 【5 6 】t a b l e 【9 r e f e r e n c e 【1 4 0 】 k e y w o r d s ： c r o s s c u t ；c o a lu n c o v e r i n g ；g a s e o u sc o a la n dr o c k ；h e t e r o g e n e i t y ； s o l i d - g a sc o u p l i n g ；c o a la n dg a so u t b u r s t 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 为获得安徼理王盘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。 学位论文作者签名：缉日期：坐孚年j 月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡三太堂有保留、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 塞徼堡王太堂。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 导师签名 名：l 职碎 局矽 签字日期：山力年月如日 签字日期：妙7 年彳月日 引言 引言 我国是一个以煤炭资源为主要能源的国家，与其他国家相比，我国的煤层瓦 斯含量相对较大，瓦斯压力较高，煤的透气性低，煤与瓦斯突出的危险性相对较 高。我国煤矿事故的9 5 是瓦斯造成的，为此，国务院2 0 0 5 年3 月2 2 日专门召开了煤 矿安全改造和瓦斯治理工作会议。近几年，国家对煤矿安全的治理和研究工作在 资金和智力投资上有了大幅度增加，但是还是难以杜绝煤与瓦斯突出等伤亡事故 的发生。迄今为止，国内外对煤与瓦斯突出等机理还处于假说阶段或综合说阶段， 煤与瓦斯突出机理还没有彻底搞明白，有必要继续深入研究。在我国的特大型含 瓦斯煤岩突出中，大约8 0 发生在石门揭煤过程中因此，研究石门揭煤突出的 机理，对于解释突出现象，促进含瓦斯煤岩突出预报与防治的研究，具有重要的 理论与实际意义。 安徽理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的7 5 ，而我国煤矿开采松软低 透气性高瓦斯煤层约占6 0 ，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危及我国大部分矿 区。近七、八年来，煤矿瓦斯灾害事故频发，造成严重的人员伤亡和社会影响。 近五年煤矿灾害事故统计如下： 2 0 0 0 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故6 9 起，死亡1 3 1 9 人。 2 0 0 1 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故4 9 起，死亡1 0 1 5 人。 2 0 0 2 年1 月1 1 月死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故5 1 起，死亡1 0 6 7 人。 2 0 0 3 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故4 4 起，死亡7 0 1 人。 2 0 0 4 年我国有6 0 0 9 名煤矿工人死于煤矿事故。 2 0 0 5 - 年我国煤矿事故3 3 4 1 起，死亡5 9 8 6 人，占全国各类事故死亡总人数 4 7 。 2 0 0 6 年我国煤矿事故死亡人数为4 7 4 6 人 2 0 0 0 年，我国百万吨煤死亡率为5 7 7 人，2 0 0 4 年降低到3 0 8 人，下降幅度 确实较大。但是，还应看到，这一数字是美国的l o o 倍，是俄罗斯和东欧国家的 1 0 倍以上。一方面，煤矿自然条件差、灾害源增多，使生产条件恶化，瓦斯煤尘 爆炸和煤与瓦斯突出灾害对煤矿的安全生产威胁最严重。另一方面，由于产业结 构的调整，煤炭生产正朝着高效集约化的方向发展，煤与瓦斯突出和瓦斯煤尘爆 炸等灾害事故已成为制约高效集约化开采技术发展最重要的因素之一。 截至2 0 0 4 年底，我国大中型煤矿中共有突出矿井1 0 4 处。其中重庆市l o o 、 贵州省9 1 7 、江西省和湖南省5 0 、河南省4 0 的大中型煤矿具有煤与瓦斯突 出危险。2 0 0 2 年国家煤矿安全监察局安全日志上统计发生伤亡事故的各类突出3 6 起，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的1 1 1 ，死亡2 7 0 人，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故 的1 5 8 5 。随着我国煤矿开采深度的不断加大，开采强度的不断增强，煤与瓦斯 突出的危险性也在增加，突出危险区域也在扩大，部分原无突出危险的煤矿也开 始出现动力现象，部分未划分为突出矿井的煤矿也不得不按突出煤矿管理。我国 煤与瓦斯突出危险矿井数目和突出强度、频度将随着开采深度的延深、开采强度 的增大而逐渐增多。 在我国高瓦斯煤矿中，瓦斯爆炸危险普遍存在，危害严重。在煤矿安全事故 2 1 绪论 中，瓦斯爆炸事故是经济损失重大、人员伤亡最多的事故，也是造成社会影响最 大的重特大事故。2 0 0 4 年全国煤矿重大瓦斯事故起数和死亡人数分别占重大事故 起数和死亡人数的5 4 ，特大瓦斯事故起数和死亡人数分别占特大事故起数的7 6 和死亡人数的8 6 。2 0 0 5 年我国煤矿事故3 3 4 1 起，死亡5 9 8 6 人，死亡人数较 2 0 0 4 年略有下降，但重特大事故接连发生。 2 0 0 6 年全国煤矿事故死亡人数为4 7 4 6 人，同比下降2 0 1 ，三十年来首次降 到4 8 0 0 人以下。特大和特别重大事故死亡人数分别下降3 4 3 和7 5 8 0 ，杜绝了 一次死亡百人以上事故。然而煤矿事故总量依然偏大，煤矿安全形势依然严峻。 2 0 0 6 年，全国煤矿重大事故死亡人数上升2 2 2 由此可见，有效地防止煤矿煤 与瓦斯突出和煤矿瓦斯爆炸事故依然是改善我国煤矿安全状况的重中之重。 在煤矿中，不同种类的巷道中均发生过煤与瓦斯突出的现象。由于巷道类型 不同，突出的条件也不一样，形成各自不同的特点。在表1 1 【1 】中列出了一些矿区 各类巷道突出强度及次数。从表中可以看出：石门揭煤突出的平均强度最大，平 巷次之，其它类型的巷道突出平均强度相对较小。这表明石门揭煤最容易导致突 出。 表1 1 一些矿区各类巷道突出情况统计表 t a b l e l 1s t a t i s t i c so fv a r i o u sl a n e w a yo u t b u r s t si ns o m ec o a lm i l l e 重庆地区 平均蠢崖哆教一，嚣l ；4 7 0；5 3 1 5；1 6：6 2 7 7 ；8 7 一 北票矿突出次数 9 73 2 04 9 62 1 81 5 务局平均强度t 次一 1 3 83 4 52 4 31 16 06 2 红卫煤矿 幸嵩蠢嫠。次-；：。；j ? 。瑟。：。；。 ：；。 六枝矿突出次数 52 04 6904 务局平均强度t 次4 1 1 6 83 41 1 1 9 804 a 斗 突出次数 1 6 97 9 67 0 62 51 7 27 0 。” 平均强度t 次一 3 4 24 2 53 2 84 9 85 3 32 4 4 在煤矿现场，根据石门条件下发生的突出情况不同，石门突出又可分为爆破 解开石门时的突出、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例最大。这几种类型的石门突出从力学的角度看， 其基础都是一致的，都涉及到石门揭煤围岩的力学特征问题，如耦合作用下气体 的流动和岩石的变形和破裂问题，在井下动力现象中属于地应力和瓦斯压力类。 因此本论文研究的重点是石门揭煤围岩的力学特征问题。 3 安徽理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状和特点 1 2 1煤与瓦斯突出理论的研究现状 从现有文献看，1 8 3 4 年法国鲁阿雷煤田伊萨克煤矿发生第一次突出，1 9 5 0 年 我国吉林省辽源矿务局富国煤矿发生第一次突出，此后世界各国的研究者为认识 突出的机理付出了艰辛的努力。人们通过对煤矿生产实践中突出现场的观察和实 验室内的试验这两方面的研究，逐步认识到煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力及煤岩 体的力学性质或其中的某一因素起主导作用所导致的，并提出了许多有关煤与瓦 斯突出机理的假说。例如，“瓦斯包”说、火山瓦斯说、瓦斯膨胀说、应力集中 说、振动波动说、拉应力波说、“爆炸煤”说、硝基化合物说等。早期的这些煤 与瓦斯突出机理假说从作用的因素来看，归纳起来大致可以分为单因素假说和多 因素假说，其中单因素假说根据其作用的因素大致可以分为瓦斯主导作用说、地 应力( 或地压) 主导作用说和煤质主导作用说，而多因素假说即为综合作用假说。 对于这些假说简述如下： 1 瓦斯主导作用说 该假说认为煤体内储存的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。这类假说中 “瓦斯包”说占重要地位，认为煤层内存在瓦斯压力及瓦斯含量比邻近区域高得 多的煤窝，即高压“瓦斯包”。其中煤松软，孔隙与裂隙发育，具有较大的存贮 瓦斯的能力，它被透气性差的煤( 岩) 所包围、储存着高压瓦斯。当巷道或工作面 接近“瓦斯包”时，煤壁收到“瓦斯包”的高压瓦斯作用破坏而发生突出。还有 其他学者对突出提出了各种有关其它瓦斯作用的假说，但其总的观点都认为在煤 体内存在着高压的瓦斯，且瓦斯的高压力迅速破坏工作面与高压瓦斯之间的煤层， 从而引起煤与瓦斯突出。 2 地应力主导作用说 这类假说认为，突出主要是高地应力作用的结果。对于高地应力的构成有不 同说法，一种认为除自重应力外还存在着地质构造应力f 有人强调残余构造应力， 有入强调现代构造应力) ，当巷道接近储存构造应变能高的硬而厚的岩层时，后者 将像弹簧样地伸张，将煤体破坏和粉碎，引起瓦斯剧烈涌出而形成突出。另一 种认为采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长成突然冒落时， 可能产生附加的应力。在集中应力作用下，煤体发生破坏和破碎，同时伴随大量 瓦斯涌出而构成突出。 李文平，周世宁院士等就煤岩差应力对煤与瓦斯突出的影响也进行了论述。 4 1 绪论 他们认为，地应力对瓦斯突出的关键基础作用表现在两个方面：( 1 ) 地应力是煤与 瓦斯突出最根本的动力来源，作用于瓦斯突出的全过程。地应力对含瓦斯煤岩层 的天然弹性应变能积聚大小、瓦斯潜在膨胀能大小、瓦斯突出过程中的应力重分 布、煤层及顶底板岩层单向卸载破裂并伴随弹性能释放、瓦斯膨胀能释放、瓦斯 解吸等复杂过程，以及瓦斯突出结果( 突出量大小、抛高远近) 都起着根本的动力 源作用，作用于瓦斯突出的全过程。( 2 ) 地应力是影响和改变含瓦斯煤层介质性质 的重要环境因素之一。地应力对瓦斯压力大小、吸附瓦斯的含量、瓦斯的透气性 等有较大的影响。一些实测和研究表明，地应力值增大，煤层瓦斯压力也增高， 吸附瓦斯的含量也加大，煤层的渗透性减小。这也是随着矿井开采深度的加大， 瓦斯突出事故增多的内在主要原因之一 3 煤质主导作用说 煤质主导作用说，也就是化学本质说，它认为煤质在突出过程中起主导作用。 即煤体破坏时是否发生煤与瓦斯突出现象，主要是由煤质决定的。还有的学者认 为，煤体破坏发生突出是煤体内部本身的特殊化学变化引起的。如前苏联b t 巴 利维列夫、马可贡和t k 克流金等提出了瓦斯水化物假说，他们认为在某些地质 构造活动区，在一定的温度压力下，又可能生成瓦斯水化物，并储存在煤层和岩 石渗透孔隙内，它具有很大的潜能，受到采掘工作影响后迅速分解，形成高压瓦 斯( 可以达到数百大气压) ，从而破坏煤体而造成突出。前苏联a m 库兹列佐夫提 出了地球化学说，他认为瓦斯突出现象是煤层中不断进行的地球化学过程，是煤 层中的氧化还原过程。该过程由于活性氧及放射性物质的存在而加剧，生成一些 活性中间物，导致瓦斯迅速形成，中间产物和煤中的有机物质相互作用，使煤分 子受到破坏，从而发生煤与瓦斯突出。此外，前苏联的缪列夫等提出了爆炸煤假 说、盖柯提出了重煤假说、萨夫庆柯等提出了硝基化合物假说等。到目前为止， 煤质主导作用假说在现场观察和实验室试验两个方面都没有得到支持，己被绝大 多数研究者所抛弃。 4 多因素假说( 综合作用说) 该假说认为突出是由于地压( 地应力) 、瓦斯( 含量、压力) 及煤的物理力学性 质等因素综合作用的结果。这一假说较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面 的主要因素，因而得到国内外学者的普遍承认。其后其他许多学者又对其进行了 补充，认为突出的发生还要考虑煤的物理力学性质、煤的宏微观结构、煤层构造 及煤的自重等。值得一提的是，前苏联的著名学者b b 霍多特【2 】提出了“能量假说”， 他认为突出是煤体的变形潜能与瓦斯内能突然释放所引起的近工作面煤体的高速 5 安徽理工大学硕士学位论文 破碎，使突出的综合假说更加完善。苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人，1 9 5 7 1 9 6 2 年在顿巴斯“红色国际工会”等煤矿进行了现场考察研究，并实测了突出过程各有 关参数的变化，在此基础上，提出“地应力分布不均”突出假说。进入2 0 世纪8 0 年 代，随着问题研究的深入，人们开始将煤与瓦斯突出作为一个力学现象和力学过 程，按照近代的力学理论和力学方法来加以研究。我国学者周世宁院士【3 4 l 从煤层 瓦斯渗流的角度较早地开展了煤层瓦斯的赋存及流动规律的研究工作，并利用计 算机对煤层瓦斯的流动理论进行了数值模拟研究；前苏联学者k a r e v & v a l e n k o v l s l 提出了煤层瓦斯渗流流动的理论模型，尽管这些研究没有考虑瓦斯流动与煤岩体 变形之间的耦合作用，但这些研究结果对于我们从理论的角度，认识煤层开采过 程中煤层瓦斯的流动规律及其诱发的煤与瓦斯突出等灾害现象，并进而采取防治 措施等具有重要的理论指导意义。 我国学者郑哲敏院士【6 】从数量级比较与量纲分析的角度阐述了瓦斯突出的机 理，定性分析了瓦斯突出的孕育、启动、发展和停止的过程。谈庆明等阴基于煤 段质点问不发生拉压相互作用，并没有考虑击波管侧壁的压力作用和剪切作用， 通过煤击波管的实验室实验，提出了煤与瓦斯突出的破裂间断波模型。俞善炳等 嗍从含气多孔介质的卸压破坏角度出发，用理想一维运动模型研究在稳态情况下 与运动耦合渗流的恒稳推进，给出了量化的突出发生判据，煤体的破坏有强弱两 种模式，分别对应于煤体的突出和层裂。但由于在模型引入了较多无法测量的新 参数，所以该模型无法直接用于实际突出的预测，只能解释突出中的一些现象。 余楚新、鲜学福等【9 j 从煤体变形对突出的作用和影响的角度，对煤与瓦斯突出进 行了研究。g r a v l l o l 认为突出过程中可能发生两种瓦斯诱发的破坏机理，即煤体的 拉伸破坏和煤岩体的剪切管涌破坏( p i p i n go f s h e a r e dm a t e r i a l ) 。 澳大利亚学者佩特森【1 l i 基于突出是由于煤体中瓦斯压力梯度超过煤体的抗拉 强度而发生煤体结构的失稳破坏这一基本假设，提出了煤层瓦斯突出的数学模型 ( 其数学模型包括煤层瓦斯流动方程、应力方程和破坏准则描述三个方面) ，并利 用有限差分方法分别对一维煤层瓦斯单向流动和二维煤层瓦斯双向流动进行了数 值模拟。作者通过数值模拟解释了工作面推进速度、煤层渗透性、煤层强度及开 采深度等对诱发煤与瓦斯突出的影响，同时阐述了瓦斯抽放有利于避免发生煤与 瓦斯突出的原因。为人们认识煤与瓦斯突出机理做出了重要的贡献，但是其模型 中没有考虑煤岩体的变形，只是从渗流的角度解释了煤壁裂纹的产生，而并没有 模拟出煤壁裂纹的萌生过程、煤与瓦斯突出的动态过程。 波兰科学院院士l j t 、：l ，i n i s z v l l 【1 2 】利用稀疏冲击波理论研究了煤与瓦斯突出时波 6 1 绪论 阵面的跳跃条件，并提出了煤与瓦斯突出的数学模型。这一模型同现场中观察到 的一些现象比较符合，如煤炮( h u m p s ) 和突, m , ( i n s t a n t a n e o u so u t b u r s t s ) 通常一起发 生，而且煤炮通常可以作为突出的前兆信息。但是澳大利亚学者佩特森1 1 3 】从因果 关系的角度指出该模型存在的一些不足之处，其中之一为稀疏冲击波来自何处? 进入9 0 年代，裴图霍夫【1 4 1 ，章梦涛1 1 5 1 认识到煤与瓦斯突出是力学上的材料失 稳问题，提出煤与瓦斯突出是在瓦斯压力和围岩应力共同作用下，部分煤体变形 破坏后，变成应变软化材料，当变形平衡状态处于非稳定时，在外界扰动下的失 稳，即煤与瓦斯突出就是有瓦斯作用的冲击地压，从而提出了煤与瓦斯突出和冲 击地压统一理论模型。 周世宁院士和何学秋教授【1 6 强过含瓦斯艨样在三轴受力状态下流变特性的研 究，得出了含瓦斯煤流变行为的数学模型，提出了含瓦斯煤突出的流变假说，并 阐述了煤与瓦斯突出发生的流变机理。在煤岩流变力学理论基础上提出的突出流 变假说包含了时间和空间因素，因此，流变假说较综合作用假说更为完备。突出 的流变假说认为，含瓦斯煤体在外力的作用下，当达到或超过其屈服载荷时，则 明显地表现为时问上的三个阶段，即变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速变形阶 段。其中的第1 、i i 两阶段对应于煤与瓦斯突出的准备阶段，第阶段是煤与瓦 斯突出的发生发展阶段，突出是含瓦斯煤体快速流变的结果。如果外加载荷未达 到屈服载荷时，流变具有衰减的特征，将不会发生突出。流变假说还认为，所有 含瓦斯煤都具有前述的流变特征，其流变行为的最终表现取决于其外部的环境条 件和其自身的物理力学性质，不存在突出煤与非突出煤的差别，如果条件具备， 目前所认为的突出煤层也可变为非突出煤层，非突出煤层也可能变为突出煤层。 流变假说认为，瓦斯、地应力、煤的物理力学性质和时间过程是影响突出的重要 因素，并建立了定量化的流变本构方程。流变假说的最大的特点是运用流变学的 观点分析了突出过程中含瓦斯煤在应力和孔隙气体作用下的时间和空间过程，从 而解释了综合作用假说所解释的全部突出现象，而且解释了其它假说不能解释的 现象，如石门的自行揭开和延时突出等。但是，该假说没有考虑瓦斯压力梯度对 煤的流变破坏的作用，对煤在地应力和瓦斯压力作用下的复杂力学过程只能作定 性或半定量研究，还不能对煤与瓦斯突出的所有现象做出圆满解释 蒋承林教授和俞启香教授阶1 l 根据突出孔洞的形状及煤岩体受力状况的分 析，提出了煤与瓦斯突出的球壳失稳假说。该假说认为，煤与瓦斯突出的实质是 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，迫使应力峰移向煤体内部继 安徽理工大学硕士学位论文 续破坏后续的煤体，这样一个连续发展的过程。该假说还认为初始释放瓦斯膨胀 能是发动突出的真正的动力源。初始瓦斯释放能综合反映了地应力、煤体强度和 瓦斯压力对突出过程的影响，是综合作用假说的一种。这一假说是以球盖状煤壳 的形成、发展及失稳抛出过程为特点。能否形成球盖状煤壳是该假说正确与否的 关键，关于这一点目前在理论上和实验室还未得到可靠的依据。作为综合假说的 一种，它同样存在无法解释许多突出现象的问题。 图il 突出阵面叵稳推进过程示意图 f i 9 1 1s k d c h m a po f c o = t s n t a d v a n c e o f o 埘 b u r 菇s u r f a c e 吕绍林、何继善【1 8 j 认为瓦斯突出的发生和发展受控于赋存于岩石含瓦斯煤 岩石体系中诸多因素的综合作用，并在此基础上提出了关键层应力墙理论模型 ( 如图1 2 ) ，并运用该模型分析解释了煤层开采过程中的煤与瓦斯突出机理。 l i边界层 伴随层 工作面 关键层 l i边界层 i 图1 2 吕绍林，何继善提出的瓦斯图1 3 关键层应力墙瓦斯突出机理 突出理论模型示意图 f i g1 3c o a la n dg a so u t b u r s t s f i g l 。3k e yl a y e ra n ds t r e s sd i k e m o d e lo f l us h a o l i na n dh e j i s h a n m e c h a n i s mo fc o a la n dg a so u t b u r s t s 在9 0 年代，由于考虑岩体与地下水耦合作用的岩石水力学的迅速发展，人们 开始应用岩石水力学理论来研究更为复杂的煤层瓦斯流动理论、油气流动理论， 并逐步形成了考虑煤岩体变形和瓦斯流动相互作用的煤层瓦斯渗流力学【1 9 m 2 l 抬 1 绪论 2 3 2 4 1 。国内学者赵阳升i 磊2 6 l 首先提出了煤体瓦斯耦合作用的数学模型与数值解 法，其后有关煤与瓦斯突出的固流耦合失稳理论迅速开展起来，梁冰【明提出了煤 与瓦斯突出的固流耦合失稳理论。刘建军等1 强矧建立了应力作用下煤层气水两 相流固耦合渗流的数学模型，并应用有限差分方法对煤层瓦斯流场、煤层中的应 力场分布和煤层的渗透性演化进行了数值模拟。赵国景、丁继辉等【3 1 l 等利用连 续统力学建立了煤与瓦斯突出的两相介质相互耦合作用的失稳理论和数学模型， 给出了固气两相介质耦合突出失稳的非线性大变形有限元方程。孙培德1 3 2 】。 v a l l i a p p a n ，d z i u r z y n s k iw 等1 3 3 弘3 量3 6 1 分别提出了煤层瓦斯突出的耦合作用模型 并对煤层瓦斯的流动进行了数值模拟研究。徐涛【3 7 l 通过考虑煤岩体的流变效应以 及瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用对含瓦斯煤岩的破裂过程进行了初步的数 值模拟研究。 在目前的研究中，多数学者认为突出是由于地压、包含在煤体中的瓦斯、煤 岩体的物理力学性质等三方面因素综合作用的结果，造成突出的能源是地应力和 瓦斯压力，丽阻碍突出的阻力是煤体抵抗破坏的能力，突出能否发生及其发展的 规模主要取决于阻力和动力之间相互的作用。所以，研究地应力、瓦斯压力和煤 的力学性能及瓦斯在矿井中存在和运动的规律是解决防止瓦斯突出问题的基础。 尽管目前的许多综合假说比单项假说更接近于实际，解释了许多单项假说难 以解释的煤与瓦斯突出过程中的许多现象，然瓦斯突出在防治瓦斯技术中依然是 个世界性的难题：( 1 ) 突出的区域性分布，印为什么煤与瓦斯突出都局限在某一区 域上，而不是一个采场全部遭受破坏，而且破坏孔洞多呈现口小腔大的形状? ( 2 ) 突出时瓦斯喷出量超过煤层瓦斯含量几十倍至几百倍，这巨大的涌出瓦斯从哪里 来，又是如何形成的? ( 3 ) 为什么观测到，突出时瓦斯压力有集中现象，且突出的 煤炭能被抛出达上千米? ( 4 ) 对于突出过程是如何发生与发展的，目前还没有得出 统一的认识。现有理论无法解释这些现象，进而采用这些理论就无法较准确地指 导预测和防治，因而有必要进一步研究煤与瓦斯突出发生的机理。这就需要考虑 煤体变形与瓦斯之间的耦合作用并对突出的发生发展过程进行分析研究。 1 2 2 论文理论基础 由前所述，对于石门揭煤过程中所涉及的围岩力学特征问题，应当站在流固 耦合的观点进行研究。流固耦合问题的一个显著特点是固体相和流体相互相溶合， 必须将流体相与固体相视为相互重叠在一起的连续介质，各相连续介质之间可以 相互作用。这个特点使得流固耦合问题的控制方程需要针对具体的物理现象来建 9 安徽理工大学硕士学位论文 立，而流固耦合作用也是通过控制方程反映出来的。即在描述流体运动的控制方 程中有体现固体变形影响的项，而在描述固体运动或平衡的控制方程中有体现流 体流动影响的项。 流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固 体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言， 具有以下两点特征： 1 流体域或固体域均不能单独地求解； 2 无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。 从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类。第一大类问题的 特征是，两相域部分或全部叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程， 特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微 分方程而体现。如土壤中水的渗流、煤岩体中瓦斯气体的流动、天然气在储气层 中的运移等都属于此类问题。 第二大类问题的特征是，耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上耦合 是由两相耦合面的平衡及协调关系引入。如机翼颤振或悬桥振荡中发生的气固相 互作用( 气动弹性力学问题) 、近海结构对波或地震的响应、噪声振动的响应、充 液容器的液固耦合振动、船水响应等。 显然，本文中所要研究的含瓦斯煤岩力学特征问题i 属于上面第一大类问题， 它具有上面所述的流固耦合力学问题的特点。煤岩体与瓦斯气体耦合作用主要表 现在下面三个方面： ( 1 ) 由于煤层开采与巷道掘进，煤体围岩系统所受的总的作用力发生交化， 从而导致作用于煤岩固体骨架上的有效应力发生变化，并引起煤岩体中的应力重 新分布； ( 2 ) 这种煤岩固体骨架上有效应力的变化，又使得煤岩固体的孔隙体积发生 改变，使赋存于其中的瓦斯等气体的压力发生变化； ( 3 ) 由于作用于煤岩固体骨架上的应力与瓦斯等气体压力的变化，又导致煤 体瓦斯透气性的变化，从而引起瓦斯气体在煤岩体中发生迁移移动。 所以在研究采( 掘) 影响下含瓦斯煤岩体的力学特征，就必须考虑上述三方面 的因素。 近年来，随着分析测试技术的不断发展，有关学者采用x 射线、衍射分析等 技术对煤体进行观察分析后认为，煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态( 固态) 和 游离态( 气态) ，而且还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。从而认为含瓦斯煤岩是 i 0 1 绪论 气液固三相介质。但是，由于总的来说，煤层中吸附态和游离态瓦斯所占的比例 一般在8 5 以上，在正常的情况下，其整体所表现出来的特征仍是吸附和游离状 态的瓦斯特征，这和传统的观点并没有矛盾，只是分析测试的手段更加深入而己， 所以在本论文中将含瓦斯煤岩视为气固两相介质。 1 3 本文研究方法主要研究内容 本文拟从细观统计损伤力学、煤层瓦斯渗流力学、岩石力学等入手，旨在建 立石门揭煤过程中含瓦斯煤岩破裂过程气固渗流一应力一损伤耦合数值模型，并利 用该模型对含瓦斯煤岩的力学性质、渗透特性进行数值模拟研究；然后利用该模 型对由采动诱发的煤与瓦斯突出现象进行数值模拟研究。 本论文共分五个部分： 第一部分包括绪论和岩石的结构及渗流基本特性的概述，即论文的前两章， 第1 章是对本研究的背景、意义和以往国内外学者在这方面研究文献的综述。第2 章主要是岩石的结构及渗流基本特性的一些基本概念的总结和理解。 第二部分为论文第3 章，主要建立含瓦斯煤岩破裂过程气固渗流应力损伤耦 合细观数值模型。 第三部分是论文第4 章，主要是研究煤岩细观结构( 包括非均匀性、裂隙、孔 隙等) 对含瓦斯煤岩透气性演化的影响以及含瓦斯煤岩的力学性质、渗透特性。 第四部分是论文第5 章，主要是对石门掘进诱发的煤与瓦斯突出现象、影响煤 与瓦斯突出的因素进行了数值试验研究。 第五部分是第6 章，主要是全文研究