（安全技术及工程专业论文）煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出机理的研究.pdf

a b s t r a c t t h eo u t b u r s to fc o a la n dg a si sak i n do fc o m p l i c a t e dd y n a m i cp h e n o m e n o n ，s 0 t h ec u r r e n tt h e s i si ss t a r t e df r o mt h ev i e w p o i n to f f o r c e ”，a n dt h eo u t b u r s to fc o a l a n dg a si ss t u d i e di n - d e p t hi nt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ti sp o i n t e do u t t h a tt h eo u t b u r s to fc o a la n dg a si sr e s u l t e di nt h ei n t e g r a t i v ee f f e c to fm e c h a n i c s i n t e n s i t yo fc o a l ，g c o s t r e s s ，a n dp r e s s u r eo fg a s ，t h ee s s e n t i a lo fo u t b u r s to f c o a la n d g a si sac o n t i n u o u sd e v e l o p i n gp r o c e s st h a tt h ec o a li sd e s t r o y e db yg e o s t r e s s ，a n d g a si sr e l e a s e df r o mc o a la n de x p a n dt h ec r a n n i e si nt h ec o a la n du l t i m a t e l yt e a r st h e c o a ls h e l lf o r m e dj u s tn o wa n dm a k e si tu n b a l a n c e da n dd e s t r o y e di t ，s ot h ec o a l ， w h o s es u r f a c ei sb r e a ka n dh a ss u p p o r t i n ge f f e c to r i g i n a l l y , i st o r ni n t oc h i p sa n d t h r e wt h e mi n t or o a d w a y , a n dp e a ks t r e s sm o v e st ot h ei n t e r i o ro fc o a la n dc o n t i n u e t od e s t r o yt h es u b s e q u e n tc o a l t h es t r e s sd i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t yo fs u r r o u n d i n gc o a la n dr o c ko fr o a d w a y ， e s p e c i a l l ya h e a do ft h ee x c a v a t i o nh e a d ，i sd e p i c t e d ，a f t e rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n da n a l y s i sb ya n s y s ；as p hp r e p r o c e s s o rs o f t w a r ea i m e da t c o m p l i c a t e d r o a d w a yi sp r o g r a m m e d ，a n da f t e rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yl s d y n a ，w h i c hi s ak i n do f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ew h o l ep r o c e s so fo u t b u r s to fc o a la n d g a sr e a p p e a r s t h es t r e s sa n dm o v e m e n tr e g u l a r i t yo fc o a lp a r t i c l e st h r o w ni n t o r o a d w a yi nt h ep r o c e s so fo u t b u r s ti sp o i n t e do u ti nc u r r e n tt h e s i s ，a n dt h e s p h e r i c a l s h e l ld e s t a b i l i z a t i o n ”t h e o r yi sv e r i f i e d a tt h es a m et i m e ，h o wa n dw h a tt h em a i n f a c t o r so n s i t ea f f e c tt h eo u t b u r s to f c o a la n dg a si ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d s ：t h eo u t b u r s to fc o a la n dg a s ；g e o s t r e s s ；p r e s s u r eo fg a s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s p h ：n o n - r e f l e c t i o nb o u n d a r y 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 蠹擞理王态堂一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：捺廊签字日期：) d o 缉g 月斗日学位论文作者签名：豫霹签字日期：) d o 缉g 月斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞数理三盘堂有保留、使用学 位论文的规定，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。本人授权塞徽堡王太堂 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：捺癣 签字日期：砷d f 年g 月斗日 。i 导师签名：i 签字日期：加西年6 月幽 奠徽州ij ( 学顺l 。学位论艾：煤拄抽1 l 进过程i l 一垛1j t ：t a i jr 突机川的圳究 1绪论 1 1 引言 煤与瓦斯突出是煤矿升p 生产小的一种自然灾害，它严西威胁着煤矿的安 全_ ：产。自从1 8 3 4 年3 月2 2h 存法国鲁阿雷煤用依萨克煤矿发生世界上首次 煤与瓦斯突出事故以； 乏的1 5 0 余年间己发生过煤与瓦斯突出的国家有法国、 前苏联、波兰、同本、匈牙利、比利时、加拿大、澳大利哑、捷克、保加利弧、 美国、英国、士耳其、德国、荷兰、印度、罗马尼亚、南斯拉夫和中国等二十 多个国家和地区| j 1 - f 5 o 据截止1 9 8 1 年底的不完全统计，各幽发l 煤与瓦斯突出 的次数之总和已达到三力余次，其中突出强度最大的一次是】9 6 9 年7 月1 3 同 在帕苏联顿巴斯矿区加加林矿发生的煤与瓦斯突出，突 ! 的煤量达1 4 1 n 0 吨， 突出瓦斯为2 5 万立方米i l l 。 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 0i _ 1 发生在辽源 矿务局富田矿的两二坑1 2 j 。此后，随着我国煤炭工业的迅猛发展，老矿井的丌 采深度愈来愈大，新矿井的不断增多，突出矿井也同益增多，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【2 。9 】，全国共有2 0 5 个 矿 f 发生了煤与瓦斯的突出，其突出总数达9 8 4 5 次，约占当时仝世界突出总次 数的三分之一，其中最大的一次突出于1 9 7 5 年8 月8r 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 吨，突出瓦斯达1 4 0 力i 立方米，居世界第二 位。 显然，我国煤与瓦斯突出无论从数量还是从规模上均居世界之首位，是世 界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之一【2 j 。 我国煤与瓦斯突出的特点有：突出矿井分硝j 面广，而且在部分地区还较为 严重；突出分布于不同类型的煤层；突出矿井的始突深度不一；中小型突出占 较大多数，大强度突出次数也不少。在区域上的表现为：南北都有分柑，但南 强北弱。全国突出最为严重的是湖南省，到1 9 8 0 年底已发牛突出3 4 2 1 次( 约 占全国总突出次数的三分之) ，其中千吨以上的特大型突出3 5 次( 约占全国 特大型突出的二分之一) ：四川和辽宁省的煤与瓦斯突出严重程度仅次于湖南 省，据不完全统计p i ，四川i 省到1 9 8 3 年底l 【：已发生突出1 4 5 3 次，其巾f 吨以 上特大型突出有】2 次突出总煤量达1 4 4 0 0 0 吨，辽宁省的北票矿务局到1 9 8 4 年底止已发生突出1 5 5 8 次，其一1 i 干吨以上的特大型突出有6 次之多，突出总煤 量6 9 5 6 2 吨：山西省也是一个煤与瓦斯突出比较严重的省份，其突出二t 要集中 在阳采矿区，到1 9 8 3 年7 月底止，全矿区e 发生突山1 0 3 7 次，最大突 n 强度 5 2 5 吨；此外，河南、江西、黑龙江、广东、贵州等省份的煤与t , f j 圻突f ：也是比 较严重的2 1 1 6 1 1 9 1 1 1 0 1 。 矧孰膛l 人学蛳j 。学位论史：蝶牡捌址过“- l 媒i ，乩蜥突川扫l j h 7 j f 宄 在突出煤层肜成的地质时代i ：，街办a ：要发牛矾：甲打炭纪测水纽l ，晚一二迭 纪龙潭组和晚三迭纪安源组的含煤地层i 卜，北办则i i 婴发5 1 ：和i i ，：迭纪i i i 凹组、 侏罗纪北票组和晚侏罗纪城了河组的含煤地i - 2 - - ，。存构造| 二。各种类型构造体 系控制下的煤m 都有突出5 ) - z l i 。其一 j 以华夏系和新华夏系构造控制卜n 的煤卜h 突 出最为，。重，面突出区并不位于幸幻造活动( 特别是剧烈活动) 的地区，多数属 于地台区，也常见有突出区位于复式襁皱中的短轴向斜区域内。| j i 于煤j 瓦斯 突出能在一瞬间向采掘工作面空n u 喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道 设施，毁坏通i x l 系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯和煤粉，造成瓦斯 窒息以致煤流埋人，甚至还会造成煤尘和瓦斯的爆炸等严重后果。 近几年来，我国煤矿的安全生产形势同益严峻，煤矿安全事故层出不穷， 8 0 以上都是瓦斯事故造成了大量的人员伤亡和财产损失。因此，煤与瓦斯 突出是对矿井生产的严重威胁。所以，致力于煤与瓦斯突出机理、预测预报和 预处理的i 里论以及方法的研究( 特别是对预i ! i 1 4 预报的研究) 就显得格外重要。 1 2 煤与瓦斯突出的动力现象及特征 煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯( 以甲烷为主的烃类气体) 在一个很短的时间 内突然地连续地自煤壁抛向巷道空间所引起的动力现象。在煤与瓦斯突出过程 中，抛出的煤体有的只有几吨、几十吨，有的则达几百吨，特大型的突出甚至 高达几千吨以上，同时涌出大量的瓦颊充满整个巷道空问。根据目前的研究结 果，引起煤与瓦斯突出的力有地应力和瓦斯压力，作用介质为软煤和瓦斯。煤 与瓦斯突出的基本特征有1 3 1 ： ( 1 ) 抛出的固体物具有明显的气体搬运特征。在突出现场可以看到突出的 煤和岩块从突出口搬至较远的地方，甚至拐了几个弯：煤、岩块的堆积角度小 于自然安息角；堆积物中大的颗粒落在近处和下部，小的颗粒飘到远处并覆盖 在突出物的上方，这种现象也称为分选性堆积。 ( 2 ) 突出物中呈现出明显的高压气体爆炸的特征。软煤被抛出后，由于其 中的高压气体迅速膨胀，破碎煤体，因而突出物中含有大量的极细的煤尘。有 时候突出过程还对已抛出的软煤进行了重新固结和捣实，需要镐刨爿能运走。 ( 3 ) 突出的孔洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大， 孔洞的轴线往往沿煤层倾斜方向延伸或与倾斜方向成一不大的角度，突出孔洞 的长度为几米到几十米。有时候则看不到突m j l 洞，抛出煤体的地方充满了松 散的碎煤。 ( 4 ) 突出过程巾伴随有大量的瓦斯涌出。在突出过程q 1 ，抛出的煤量越大， 涌出的瓦斯越多。当涌出的瓦斯量十分大时，瓦斯会逆着矿井的风流而行达几 十米。甚至几百米、上千米，对矿井的通风系统和设施造成严重破坏。 1 3 我国煤与瓦斯突出的特点及其主要影响因素 奠徽蛐i 人学坝l j 学化论且= ：燃咎| | i 逍过r 川娥1 ，“惭尖川 j l 叫。的川究 我的煤与瓦斯突h ：常频繁。根槲人艟的突f j ；统计资料，i i r 以分析出我 i 鹫媒与瓦斯突的特点及其t 要影l 响因素。 1 3 1 我国煤与瓦斯突出的特点 我国的煤与瓦斯突出具有如下主要特点： 1 突出矿井多，分布广泛 我国统配煤矿中有突出危险性的矿并约占全国统配煤矿总数的3 5 左右， 如果考虑到地方煤矿，则具突出危险性的矿井数及其所占的比率更高从地区 分仃来者，全国的主要产煤省份及矿务局部都具有危险性矿井，南至广东、湖 南，北至黑龙江；西起甘肃，东至安徽、江西1 1 2 1 。 2 南方的矿井突出危险性最大 从全国的突出强度、突出频度以及百j 吨突出次数来看，突出最严重的为 湖南、四川及江西，这些省份都不是我国的丰要产煤省份，且多为二迭系薄煤 层。上述情况尤以湖南及四川两省为突出掘不完全统计，湖南全省的煤矿共 发生煤与瓦斯突出4 0 0 0 次左右，约占全国煤与瓦斯突出总次数的3 0 左右，其 百万吨煤炭的突出次数比全国的平均数要高数十倍。四川省川东重庆地区的二 迭系煤阳，上述问题办很突出，全国最大的两次煤与瓦斯突出都发生在川东煤 m ，一次为天府矿务局三汇坝一矿，其突出强度仅次于前苏联的顿巴斯，居世 界第二位，另一次突出强度居全国第二位的特大型突出贝f j 发生在重庆南桐矿务 局的鱼田堡矿，其突出强度为8 7 6 5 吨，涌出瓦斯达2 4 5 1 0 4 t n 3 。j i l 东煤田发生 的大型及特大型突出所占的比例，以及百万吨煤的突出次数充分说明了其突出 危险性程度。仅南桐矿务局便发生大型及特大型突出及2 1 次，百万吨煤的突出 次数最低办为1 5 次左右，高者则达3 0 次以上，均远远高于全国h h 】。 3 突出类型齐全 我国的突出类型齐全，包括突出、压出、倾出及喷出，从全国来看，煤与 瓦斯突出次数约占总突出次数的4 5 左右，压出及倾出近似约占突出总数的 2 5 左右。各矿务局的突出情况亦有较大的差别，有的矿务局( 红卫煤矿) 以 煤与瓦斯突出为主，有的矿务局则以突然倾出为主( 北票矿务局) ，而阳泉矿务 局则以突出压出为主。南桐矿务局自1 9 5 5 年至1 9 9 0 年所发生的1 1 8 2 次突出中， 煤与瓦斯突出约占1 7 左右压出约占5 8 左右，倾出约占2 3 ，而喷出仅占 不足2 i 。 从突出的物质来看，主要为煤与瓦斯突出，但有个别的岩石与瓦斯突出及 煤与二氧化碳突出，不过其所占的比率很小，前者仪占突d 总次数的0 _ 3 ，后 者所占的比率则更低。 4 突出次数多，突出强度大 突出次数及突l 叶j 强度是衡量煤矿突h 危险性的重要标志，与1 h ：界突出严重 奠徽胖f 。人学坝i 学位论殳：煤拄i 6 f 进过9 0 1 , 蝶j f l 嘶突机州的蚓宄 的幽家榭比，我i 目煤矿发生突出彳；仪次数多，斯 j i 突强度人尤以重庆地区 的煤矿更为典型，其突出强度平均为8 5 吨次，1 1 大型及特火型突 h 所占的比 率高，均占突f n 总次数的1 1 5 左右。至1 9 8 5 年我国已发生各类突出1 2 0 0 0 余次，且1 0 0 0 吨以上的特大型突i _ f 发生7 0 多次，均列世界之首c f 2 j 。 5 始突深度浅 我国煤与瓦斯突出的始突浓度浅。许多突出严重的矿井，特别是湖南及四 川、重庆地区的突出矿井始突深度多为1 0 0 mz - ：右，突出深度最浅的白沙矿务局、 郴州地区的罗h 安矿及邵阳地区的沙田煤矿其始突深度仅为5 0 8 0 m 。南桐矿 务局鱼用堡煤矿的始突深度为7 4 m ，湖南三五煤矿的始突深度办为7 5 m 。突出 深度拍i 表现在发生大型及特大型突出方面，全国约有三分之一左右的特大型突 出发生在距地表2 0 0 m 以内的深度，且发生特大型突出的最小深度仅为9 5 m 1 3 】。 6 煤与瓦斯突出之前大多出现前兆现象，且突出愈严重，其荫兆现象愈明 显【13 1 。 7 突出分砸于不同的煤层 突出煤层赋存情况比较复杂，有煤层群，也有单一煤层；有急倾斜煤层， 也有倾斜及缓倾斜煤层；有厚煤层，也有薄及中薄煤层：且不少突出矿井所有 可采煤层均为突出煤层，无解放层可采。因此，全国有半数矿井需采用本煤层 的防治突出措施1 1 8 1 。 8 多数突出发生在煤巷，但揭石门突出强度最大 据统计，煤巷、上山及下山突出次数分别占总突出次数的4 7 3 、2 4 9 及 3 8 ，石门揭煤的突出虽然只占总突出次数的5 8 5 ，但大型及特大型突出多 发生在揭石门时，其平均突出强度比煤巷及上山要高】0 倍以上，且大型、特大 型突出占揭石门突出次数比例相当高，比煤巷要高数十倍【1 9 】。 9 震动放炮引起的突出最多 在不同作用条件时，放炮引起的突出最多，占突出总次数的5 5 6 7 ，风镐 及手镐作用时办发生突出，且占相当的比例“1 1 1 2 1 1 。9 1 。 1 3 2 影响煤与瓦斯突出的主要因素 影响煤与瓦斯突出的因素非常多，办非常复杂，既包括各种地质因素，亦 包括各种非地质因素。就地质因素来看，主要包括三个方面：即煤r 或煤层的 地质构造条件及煤体结构特性：煤层中的瓦斯参数( 主要包括煤层中的瓦斯压 力、瓦斯含量及其封闭条件) ：以及矿区或煤层所处的地应力条件。在上述诸因 素巾，地质构造因素是影响煤与瓦斯突出的地质背景，煤与瓦斯则是发生煤与 瓦斯突出的物质基础，而矿区或煤层所处的地应力状态则是发生煤与瓦斯突出 的动力条件或力学条件。显然，煤与瓦斯突出是i ：述各种地质因素的综合效应， 但这些因素并不是定起同等的作用，其作用或影响程度随具体的情况而异。 4 奠徽衅l 凡学坝i 学化论殳：煤毡妊进过托- i 擞14 l l ：j v i 突由。的究 应浚懂度指的是，f ：还影响煤o j 轧斯突出的w , - 素部j 伊k 或域忭的地质 构造条件有关，煤f i i 的地质构造或构遗变形样度，7 j 伞煤休f n 结构等【删然与地 质构造条件有直接的陶果关系，n 煤层, i i 的瓦斯参数办与矿区的地质构造运动 有着密切的关系，它不但决定着煤的变质程度，从而决定或影响着煤层中的瓦 斯生成量及瓦斯含量，而且决定着煤层中瓦斯的赋存条件或封闭条件，影响煤 层中豹瓦斯压力等。矿区的地应力特剐是地质构造应力是地质构造运动的动力 源，而地质构造变形的褶皱形念及其丰造变形的程度刚反映了地质构造应力场 的方向及其强弱，显然，可以据此判断地质构造应力场的特性，且研究矿区的 地应力场及其特性，对有效地控制煤与瓦斯突出的条件具有重要的意义。 工程实践表明，并非所有煤炭矿井均具有突出危险性，即便是对于突出矿 井，亦并非整个矿区、所有煤层的不同部位均具同等的突出危险性，突出危险 区的分靠往往是不均缉的，常成区成带分靠，且有一定规律性，这种土抛象的产 生并不是偶然的总制上受各种地质因素的制约与控制。 影l 粕煤与瓦斯突出的非地质因素主要是矿山丌采的工程因素，如果晚地质 因素是产生煤与瓦斯突出的必然条件，矿山丌采则是其充分条件。显而易见， 如果不进行矿山丌采就不存在煤与瓦斯突出的问题。在矿山丌采过程中，其采 矿方法、采煤工艺、顺序乃至某些具体的参数及施工方法均可能影响煤与突出 的发生，采掘工作面采用爆破诱导煤与瓦耨突出是一个典型的例子，且潆矿采 掘工作面的突出亦多发生在爆破丌挖之后不久。与地质因素不同，影响煤与瓦 斯突出的工程因素可以进行人为的控制，尽可能减少发生煤与瓦斯突出的危险 程度，这是目前煤与瓦斯突出工程防治方面考虑较多的方面，利用解放层丌采 消除本层煤与瓦斯突出危险性是对煤与瓦斯突出实行工程治理的最好实例，目 前在我国已较广泛应用，其效果明显。 1 4 国内外煤与瓦斯突出机理研究现状 煤与瓦斯突出是一种复杂的自然现象，要防止突出带来的危害，必须了解 和掌握这种自然灾害发生和发展的规律，以便采取正确的防治方法和措施。因 此，自从1 8 3 4 年法国发生世界上第一次突出以来，人们就一直在研究煤与瓦斯 突出是怎样发生的? 这些问题统称为煤与瓦斯突出机理。特别是本世纪以来， 人们从突出现场和实验室对突昔 进行了细致的观察，积累了成千上万次的突出 记录，总结了历年来突出防治的成功经验与失败教训，捉：上；了几十种关于突出 机理的假晓。归纳起来，主要有以下几种类型： ( 1 ) 瓦斯作用蜕 这类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。其代表 有“瓦斯包说”，“粉煤带蜕”，“煤孔隙结构不均匀说”等等。如“瓦斯包说” 认为在煤层中存在菥瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域商得多的煤窝，也就是 友徽删i 人中坝i j 学位论史：垛拉掘越过“巾垛。扎j j 突f | l 扫，的州究 瓦斯包，j 中煤体松软，孔隙与裂隙鼓疗f ，儿订较人的储存比斯的能力：但这 些煤体被透气性旌的烘( 岩) 体所包嘲。t i ，巷道糊j i ：返蝗瓦) 9 i 包，f l ：瓦斯压 力的作用f ，松软的煤体将被瓦斯破碎并抛j j 从i i 形成突h5 i “。 ( 2 ) 地应力作用蜕 这类假说认为，突出主要是高地应力作用的结果。这类假说的主要代表有 “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仲张丌束将煤体破碎，0 i 起 煤与瓦斯突出 5 1 。 ( 3 ) 综合作用假说 这一类假说认为突出是出地应力、瓦斯压力及煤的力学性质等因素综合作 用的结果。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的主 要因素，得到了国内外大多数学者的普遍承认。在这类假说中，有代表性的是 “振动蜕”、“分层分离说”、“游离瓦斯浣”、“能量假睨”及“应力分布不均匀 说”等等【9 1 。 前苏联的彼图霍夫提出的“分层分离说”认为，突出是地压和瓦斯压力共 同作用的结果，突出过程分为三个阶段。第一阶段是准备阶段，工作面附近的 煤体在地压的作用下压缩，增加了瓦斯向巷道方向渗透的困难，促使煤体内保 持有较高的瓦斯压力，媒体强度降低，煤柱易于从煤体内分离。第二阶段是颗 粒分离波的传播阶段，在突出时，颗粒的分离过程是一层一层地进行的。当突 出危险带急剧暴露时，由于瓦斯压力梯度作用使分层承受拉伸力，拉仲力大于 分层的强度时，即发生分层从煤体上的分离。分层分离是一切突出的重要组成 部分，影响着突出的主要特征，但并没有全面反映突出过程的多种形式。例如， 分层分离波绕过部分压碲带，通常决定于地压作用，伴随着声响激发此时暴露 面上的分层分离。通常常常是重复的破坏组合，一部分是瓦斯参与下的分层分 离而破坏，另一部分是地压破坏。在急倾斜煤层的某些部分，则在自身重力的 作用下分离。总之，无论是在突出的准备阶段还是颗粒波的传播阶段，地压都 是重要的。第三阶段是瓦斯和颗粒混合物的运动阶段，从煤体分离的煤颗粒和 瓦斯急速冲向巷道，随着混合物的运动，瓦斯进一步膨胀，速度继续加快。当 遇到阻碍时。速度降低丽压力升高，直到增高的压力不能超过破坏条件，过程 彳停止。 在众多的综合作用假说中，不能不提到前苏联学者b b 霍多特提出的“能 量假说”l m i ，他认为突出是煤体的变形潜能彤与瓦斯内能q 突然释放所引起 的在近工作面煤体的高速破碎。激发突出的第一个条件是： 对于回采 + 9 f + 【， 对丁掘进w f + u 对于石门揭煤+ q f + u 奠毂删zj 人学坝l 。学位沧史：燥毡掘进吐枉- i - 燃tj 乩斯突i | ；机删的训究 式巾一一煤的变形潜能； 口顺板岩石的动能： p 煤体内游离瓦斯所含的内能； f 煤向巷道的移动功； u 煤体的破碎功。 激发突出的第二个条件是： 式中u 一一煤的破碎速度； u ，煤裂隙中的瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。 激发突出的第三个条件是要求煤破缔完成之后，瓦斯压力p 应保持在比已 破碎煤的抛出阻力更大的水平上，即： p m g o r c o s o r + _ s i n t z ) + a j j 式中s 煤破碎区段的横截面积： 厂煤沿某一表面移动时，该面的摩擦因数； 口煤沿某一表面移动时该丽与水平面所成的倾角： 譬重力加速度； m 煤的质量； 口为了把煤抛出必须给煤的加速度( 惯性力) ： 煤移动方向向上时取“+ ”，向下时取“”。 霍多特认为，只有当煤中的应力状态突然改变时，煤层可能产生高速有些 破碎，下述原因可以引起煤中应力状念突然改变： 煤中峰硬区段或翠硬包裹体的承载能力以脆性破碎的形式消失了： 围岩作用于煤层的动载荷： 放炮落煤时，巷道迅速进入煤层： 放炮揭开煤层。 进入2 0 世纪8 0 年代，突出机理的研究有了新的发展。包尔申斯基等测得 孔隙压力增长可使得煤样拉伸变形增加1 2 j 。郑哲敏就我国特大型突出实例所做 的能量分析表明，突出煤层中瓦斯内能要比煤体的弹性潜能大一至三个数量级。 氏平通过实验发现瓦斯压力梯度是导致煤体拉应变增高从而破坏的直接原因， 而后他又首次用有限元方法分析了突然暴露面附近的有效应力场，证明瓦斯压 力梯度增大可引起有效拉应力增加。p a t e r s o n 用有限元方法分析了由于二维渗流 所造成的有效应力场，得到了与氏平同样的结论。丁晓良进行了煤在瓦斯作 用下的破坏与持续扩展的研究，认为突出的发生是煤体的破坏与瓦斯渗流藕合 霞徽挫1 人学f l ! j ! i 学位沦殳：燃拈州进过年| i ! 小煤o ，比蜥必射。的州究 的结粜。俞善炳首次建立了煤层暴露巾汐i 气两l i _ | i 各以4 ：阿速度作维运动， 秆l 问有质量输运的气十质疑：) “陋与动量- q ：恒万私。 1 5本文的研究课题以及研究内容 1 5 1 课题的提出 煤与瓦斯突出是种菲常复杂的地质动力现象，它巨火的破坏作j = f 迫使人 们对其机理进行研究，同时，对煤与瓦斯突出视理的研究又推动了人们对突出 这一复杂现象的认识，也为煤矿现场采取适当的措施提供了依据。 到目前为止，人们普遍接受了突出是地应力、瓦斯压力和煤体强度综合作 用的结果，但是对于突出过程是如何发生和发展的还没有得出统一的认谚 。 1 4 节所述的各种假说都只能解释某些现场的突出现象。同时，对影响突出的因 素认识办仅处于直观定性认泌阶段，或者虽有定量的指标只供定性应用，无法 了解各种影响因素之间的相互联系及其在突出过程中的作用或影响程度。 煤与瓦斯突出通常是一种灾难性事故，因而无法通过现场测试，甚至很难 得到突出时的参数，而只能通过突出后进行估算得到。同时，煤与瓦斯突出影 响因素甚多，关系复杂，实验室相似材料模拟时，投资具大且只能模拟出一些 特定条件下的突出，丽不具有一般性。 近年来。煤矿瓦斯事故层出不穷，安全问题f 益严重，为了勰决这一问题， 科研工作者对于煤与瓦斯突出机理工作做了大量的实验室和现场研究工作。对 于瓦斯突出的机理有了一定的认识，但由于煤与瓦斯突出是种受众多因素影 响的非常复杂的特殊动力现象，虽然已经进行了大量深入系统的研究，从总体 上来看，距离完全认识煤与瓦斯突出机理以及采取何种有效预防预测煤与瓦斯 的突出还有相当大的距离。 因而，有必要继续对煤与瓦斯突出机理作更深一步的研究。 1 ，5 2 研究内容与思路 研究煤与瓦斯突出的机理，也就是要解释煤与瓦斯为什么会突出，突出的 条件是什么，突出的过程是怎样的。突出的影响因素有哪些、影响作用方式是 什么? 为此，本论文的研究内容及思路如下： 对突出煤体的物理及力学性质进行研究 研究突出煤体的渗透性吸附性以及突出煤体的流变特性。对突出煤体力 学性质进行研究，指出突出煤体的强度准则、破裂类型及微观破裂机制。 煤巷掘进过程中应力场分布特性研究 煤与瓦斯突 n 是种复杂的动力现象因而首先从力的角度着于，对应力 场，特别是煤巷过程中掘进头l 对方煤体内应力场进行分析。采用a n s y s 隐式 计算，分析出煤巷掘进过程中应力场的动态分币j 变化规律。 立= 徽肌1 人学倾i j 学位论史：煤巷掘j | ：过程中烘j 斯突帆理的研究 对瓦斯压力的作用进行研究 研究煤与瓦斯突出的可能性，特别是当煤体力学条件和地应力条件均满足 的时候，瓦斯压力对煤与瓦斯突出影响的决定性作用。 s p h p r e 软件的设计 为了再现煤与瓦斯突出的全过程，采用l s d y n a 显式计算的s p h 算法进 行模拟。但是目前由于还没有对s p h 粒子进行复杂几何边界条件下建模的工具， 因而有必要设计一个s p h 的前处理软件s p h p r e 。 煤与瓦斯突出的数值模拟 采用l s d y n a 显式计算模拟煤与瓦斯突出，再现煤与瓦斯突出的全过程， 分析突出过程中突出煤体的运动变化规律，找出影响煤与瓦斯突出的因素。 对现场影响煤与瓦斯突出的因素进行分析研究 研究现场实际生产中影响煤与瓦斯突出的因素，总结其影响规律，为防止 煤与瓦斯突出提供依据。 9 奠徽川- 1 人学坝i 学1 讧| 史：煤据搔l 进过小煤。，t - t a o i 突小机州j 删究 2 突出煤体的物理力学特性 2 1 突出煤体的形成及结构特性 煤是出植物的遗体变成的弘“。在地质历史上，植物遗体在沼泽中微生物的 作用下首先形成泥炭。山于地壳的运动，生成的泥炭层下降，被泥沙所覆盏， 随着覆盖层的加厚泥炭层逐渐被压。在以温度和压力为主的物理化学作用下， 泥炭变成褐煤。在温度和压力的进一步作用下，褐煤又通过煤化变质作用形成 烟煤和无烟煤，在这一系列的变质过程中，煤体有机质分解产生甲烷( c h 。) 等 气体。由于煤层是通过植物遗体沉积形成的沉积岩层，因此煤层均呈层状分布。 简单的煤层中没有火石，一般多为薄煤层。复杂的煤层中则可能含有一到数层 央石层。在煤层的上部和下部，是煤层的顶板和底板岩石。 在煤层形成的过程中及形成后，地质构造运动不仅改变了煤层的原始产状， 使煤层呈倾斜状奄，而且引起了煤层厚度的变化。由于煤层本身强度较低，在 构造应力的作用下，容易发生塑性流动，造成煤层局部加厚、变薄、尖灭等现 象。 地质构造运动还使煤层产生褶曲，形成向斜和背斜构造。在褶曲的轴部， 煤层增厚；在褶曲的翼部，煤层变薄、乃至尖灭。较大规模的褶曲引起的煤层 加厚和变薄具有定的方向性：垂直压应力的方向，沿褶曲走向呈带状延伸， 煤层加厚与变薄相伴出现。 有些煤田，伴随褶曲构造的变动，小型波状褶陆发育。煤层顶底板起伏不 平，使煤层局部压薄或变厚。波状褶曲发育的地区，由于层间滑动的扭力作用， 使煤层呈现串珠状或断续透镜体。 含煤地层在经受地质构造运动作用时，由于煤、岩层的力学性质不同，在 同一应力场中，往往出现不同的变形：煤层的顶、底板岩层产生脆性断裂，而 煤层则发生塑性流动，造成煤层的局部增厚和变薄。如果在地质构造应力的作 用下，煤层受到挤压和搓揉，煤层层面会发生错动，也引起煤层结构发生变化。 如果由这些构造运动引起的煤层结构变化发生在整个煤层，则整个煤层的强度 降低；如果这些构造运动只影响煤层内的部分煤体，使部分煤体结构发生变化， 则这一部分煤体称为软分层。在这些受构造运动影响的煤体中，煤层的原生结 构遭到了破坏，常呈鳞片状、粉术状，并出现滑面和擦痕i i 。这种破坏的煤结 构往往与瓦斯突出有着密切的关系。 在煤层形成的整个历史时期，如果煤层本身及顶底板岩层比较致密，煤层 内的瓦斯难以泄漏，则煤层内将保罄较多的瓦斯，具有较高的瓦斯压力。当工 作面进入到这些煤体时，很容易产生煤与瓦斯突出。 0 爻徽删ik 学坝i ：学位论文：煤巷拙日进过程i - 煤j i t ：j i | i 突机耻f f j 训究 22 突出煤体的渗透性 突出煤体的一个重要特征足其本身具有渗透性。煤体本身赴一利一多扎介质 内部含有从微孔到大孔及裂隙等箨种类型的孔隙通道，冉径小于1 0 n t o 的孔隙构 成瓦斯的吸附容积，而大于l o h m 的孔隙是瓦斯渗流的j ：要通道，这些孔隙通道 是相互贯通的。当在煤样的两端施加一定的 6 = f = 斯压力时，瓦斯就可以在煤体内 流动。在煤层内，瓦斯沿裂隙的流动基本上是层流运动，殿从达西定律，通过 煤样的瓦斯流量与压力梯度及透气性系数成正比”i ： ：一a坐(2-1q ) 一 i 式中：q 一一单位时i n j 内在1 m 2 的煤面上流过的瓦斯流量( 0 1m p a t ) ， ，d ： p 煤层内瓦斯压力的平方，m p a 2 ； 五煤层的透气性系数，2 m 口2 d 。 煤层的透气性系数大小反映了瓦斯在煤体内渗透流动的难易程度。但是， 在一般的煤体中，透气性系数变化是比较大的，甚至同一水平煤层内取得的各 个煤样之间的渗透性系数相差可达数十倍之多。如焦作朱村矿的大煤，其透气 性系数变化范围为0 4 3 6m 2 m p a 2 d ，北票冠山矿为o 0 0 8 - 4 ) 2 2 8m 2 m p a 2 。d 。 目前我国煤矿中透气性最大的煤层是抚顺龙风矿的本层煤，其透气性系数达1 5 0 m 2 m p a 2 j 2 1 。此外煤层中平行于煤层层理的透气性同垂直于煤层的透气性系 数相关也很大，这是煤层中沿不同方向的孔隙通道不样的缘故。 煤体的透气性同地应力关系较大。作用在煤体上的压应力越大，煤层的透 气性越小，这是因为在压力的作用下。煤体受压变形，煤体内的大孔及裂隙逐 渐闭合，瓦斯运移的通道也相应减小。在软煤中，由于煤体骨架强度较低，在 压应力的作用下大孔及裂隙通道更容易闭合，煤体的透气性将急剧降低。地应 力对煤体透气性a 的影响可用下式来表示【2 4 i ： 五= 厶e “4 ( 2 - 2 ) 式中：丸一一束承压时煤样的透气性系数，肌2 m p a 2 d ； b 经验系数，出试验确定，m p a ； 盯煤样上施加的地应力，m p a ； e 自然对数的底，e = 2 7 1 8 。 在煤矿中，掘进工作面的前方地应力变化较大，因而其透气性系数变化也 比较大。在集中应力区，由于应力较大，透气性系数非常小，瓦斯渗流非常困 难，这为瓦斯的聚积创造了条件，此处瓦斯压力较高。两通过爆破一旦使该处 的煤体突然暴露，煤体在地应力的作用下破坏地应力f 降，透气性系数大大 爻徽刚ij l 学f l ! i ! l 学化论殳：蝶挂掘j 过程q | 烘，乩斯必t l ：帆川的例i 究 增加，瓦j 斩也将突然的人璧的阳 ：作i f i i 涌j i j 。 2 3 煤体的吸附特性 煤体是一种多孔介质。通过爪汞必验1 2 2o 可以测得：在煤体内，孔隙半径在 4 0 n t o 以下的微孔占总孔隙体私 的9 0 左打，所以煤体内部的表m i 积是很大的， 有的甚至高达2 0 0 m 2 g 以上。这样巨大的表面积为煤体吸附某些气体创造了条 件。在孔隙的内表面煤体分子所受的力是不对称的，故在煤体孔隙的内表面 上产生了剩余价力，这个剩余价力会使碰撞到孔隙表面的某些气体分子被吸附。 越容易液化的气体越容易被吸附2 3 1 。当煤体孔隙表面吸附了一层气体分子后， 这种力场就得到了饱和。由于气体分子只有碰撞到尚未吸附气体分子的空白表 面上才能够发生吸附作用，因此煤体孔隙表面上的吸附是单分子层的【2 5 】。根据 兰格缪尔的，社分子层理论ic j 学出实际煤体的瓦斯吸附量计笋式： 一：! ! 已e n ( 一) ! 1 0 0 - a - w ( 2 3 ) 4 l + 印 l + 0 3 1 w1 0 0 式中：x ，一一煤体的吸附瓦斯含量，m 3 t ； t 。实验室测定煤的吸附常数时的试验温度，： n 系数，n = 0 0 2 1 ( o 9 9 3 + 0 0 7 p ) ； p 煤层内瓦斯的压力，m p a ； a 煤体的吸附常数，表示单位质量煤体表面吸附瓦斯饱和时所吸附 的瓦斯体积，t ； b 煤体的吸附常数，脚口； a ，w 分别为煤中的狄分和水分。 在煤体的孔隙空问还存着一部分游离瓦斯，游离瓦斯的含量可按气体状态 方程来计算： z _ ! 尘 ( 2 - 4 ) 。 j i p 式中：v 单位重量煤体的孔隙容积，m 3 t ： 瓦，风分别为标准状况下的绝对温度( 2 7 3 k ) 和压力； 7 1 瓦斯的绝对温度( k ) ，t = 2 7 3 + t ，t 为摄氏温度( ) ： f 瓦斯的压缩系数； x 煤巾的游离瓦斯含量，脚( 标准状念下) 。 煤层内的瓦斯含量x 等于吸附瓦斯含量加上游离瓦斯含量： z ：生e n 0 , ，一，) ! 1 0 0 - a - w + g p t o( 2 5 ) l + 6 p l + 0 3 i wl o o 印。孝 在煤层中，游离瓦斯和吸附瓦斯之问是相互转化的，游离瓦斯分子通过热 奠徽理f 大学坝l 。学化恐止：煤拈抓姐过“巾煤j 轧所突机删的研究 运动碰f ：孔隙的内壁时，被煤分子俘获，就成为吸附轧斯，而吸附瓦斯分子通 过热运动可能挣脱煤分予的束缚进入孔隙审问就成为游离瓦斯。肖瓦斯压力和 温度恒定时，这种转化处于一种动态半衡状态。、与外界的瓦斯j i i 力增大时，游 离瓦斯转化为吸附瓦斯的量增多，因此上式一l ，煤层的瓦斯含最是随瓦斯压力增 火而增大的。反过来，当孔隙中游离瓦斯的压力降低时，大基的吸附瓦斯则转 化为游离瓦斯，山于气体分子运动的特点，这种转化过程几乎是即刻进行的1 6 i 。 由于煤体内的吸附孔隙很小，山孔隙中涌出的瓦斯通过各类裂隙渗流到煤体颗 粒外部是需要一定时问的。当掘进工作中爆破揭露了新的含瓦斯煤体，使煤体 破碎成许多煤块，煤块孔隙与外界相通的路径大大缩短，煤块周围压力下降。 因此总有大量的瓦斯持续涌出。 煤体吸附了瓦斯以后，在自由状态下会膨胀，体积变大，而且硬度要下降。 这是出于煤体i j j 乏附了瓦斯以后，一部分瓦斯分子进入煤分予的内部各支链的两 侧，形成吸收状态，这些吸收状态的瓦斯分子起着一种“楔形体”的作用，使 煤分子膨胀丌来。这一过程具有可逆性，当外界瓦斯压力降低时一些吸收状 态的瓦斯也要释放出来，“楔形”作用减弱，这时煤体体积会缩小硬度会增大。 2 4 突出煤体的力学性质 2 4 1 突出煤体的单轴压缩试验 突出煤体的单轴压缩试验可以采用煤矿现场取来的软煤做成试样进行试 验，这样测试出来的结果直接反映了现场软煤的力学特性。但是由于软煤强度 很低，易于破碎，制作试样是很困难的。同时。出于试样中可能存在着不均质 性，沿不同方向施加压力时，所得结果也不样。如果采用成型煤样进行试验， 则试样制作较简单，实验结果也比较致。因此，成型煤样的单轴试验主要用 于了解软煤的一般变形特征1 2 ”。 2 ，4 2 突出煤体在三轴载荷下的变形 5 6 4 0 2 4 8 ，= 1 2 m p a m p q 391 5s ， 图2 - i 二轴虑力f 成j 聪煤样的应力- 麻变曲线( 仃2 = o j ) 文教雕i ：人坝i 学f 寸论史：煤拈抑 j | = 过柑l 】姒，f l 崩突机朋的州究 突：i ：煤体在地卜i 通常都受到个方向的载荷作用，为了描述突小煤体在。i 轴载荷作用卜的力学特征，需要在二：轴试验机i ：测定突出煤体的全应力一应变特 征。图2 1 就是成型煤样在三轴应力条件下的全脏力。应变曲线。 由图2 一l 可以看出，在三轴应力状念下，煤体试样在：弹性阶段内的应变也 是随着应力的增加而增加的。但是在三轴应力的条件下，煤体试样的峰值强度 不是一个定值，是随着田压( 盯，= 仃，) 的增加而增加的。 2 5 煤岩的破裂类型及微观破裂机制” 当作用在煤或岩石上的作用力较小时，煤或岩石会发生变形。而当作用在 煤或岩石上的力较大时，煤与岩石就会发生破坏。出于不同的煤( 岩) 体内部 结构不同，性质也不一样，在外力的作用下，其破坏类型也不一样。在图2 2 巾( a ) 为巾轴压应力一的劈裂，这种劈裂在脆性煤( 岩) 中比较多见，如中硬 煤；( b ) 为在有围压作用时的剪切破坏，实际上，有些低强度的岩石或煤样在 单轴压力下也发生这种剪切破裂；( c ) 为塑性剪切破坏( 也称为多重剪切破坏) ， 这是软岩在围压下常见的破坏类型，对于有些性质上接近于粘土类的煤岩试样， 在单轴压应力下也发生这样的破坏；( d ) 为拉伸破坏，无论煤或岩石的强度高 或低，在拉应力的作用下，均发生这种拉断破坏；( e ) 为煤岩在集中压力的作 用下发生的破裂，山于在煤岩