（安全技术及工程专业论文）潘三矿煤巷掘进中煤与瓦斯突出过程的数值模拟.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s t i 己a c t t h em e c h 蛐i c a lc h 缸a c t c r i s t i c so fg 雒一f i l l e dc o a li sc x p e r i i 如t a l l ys t u d i e d ，t h e d o u b l ee f f c c t i v es t r e s s 髂( i e a r ys 缸s s 锄ds 咖c t i l m le f 艳c t i v es t r e s s ) d c t e r m i n i i l g t h ed e f 0 珊a t i o n 柚dd a m a g eo fg 猫硼e do o a li sp m p o s e d ，a n dt l l ec h 孤苗n gl a wo f e 行e c t i v ep o r o u sp r e 蟠u r ec o e l ! f i c i e md u r i n gt h cw h o l es t f c 鼯- s t r a 虹c o i l r s ei sr c v e a l e d 1 1 l ed e f o i m a t i o n 跚dd 锄a g co fg a s m l c dc o a lc h a 咫c c c i i s t i co f 口b 嬲e do n 也e e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ev o l u m es 打a i n 锄dp e 咖e a b i l i t yo fr o c ks a m p l e ，t h i sp 叩e r p r c s c n t saf o m u l a ，d e s c r i b i n gt l l ec h a m c t c i i s t i co fp e 珊e 曲n i t ya 丑- c c t e db y s t r e s sl e v e l a n dp o r o s i t y w h i c hc a nb eu d 粥瓶i l p o n 柚t u p l i n gc o r r c l a t i o nf b rm ec o u p l i n g p r o b l e mb e t w e e nf l o wa n ds o l i di nt h ep o r o u sr o c l 【1 1 l ee x p e r i ：m e n t ss u g g e s tt l l a tt l l e s t r c s sk v e li n 也ec o u n t r ym c kc o n s i d e m b l ya 矗i e c t st l l ev o l 岫es t m i ni nt l l er o c k a c c o r d i n gt ot h es e 印m e c h a n j c s 、r o c km e c h 髓i c s 锄de l a s t i c p l 鹞啦m e c h a l l i c s w ec a l le s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lc o u p l e db yg a sp o f o u sn a wf i e l d 神d d e f o m a t i o nf i e l d0 fr o c ka n dc o a l ，抽dg i v et h en u m c i i c a ls o l u t i d n ，a h es a m et i l e ， e s t a b l i s ht h en e wc r i t e f i 伽b yt l l eb r c a l ( i n gs 仃e 船，o nt h cb a s i so fa b 0 v c ，u s et l l e p m g m m 0 ff i n i t ee l e m c n t 孤ds i i n u l a t et h ep r o c e s so f a la l l dg 雒o u t b u r s tp r o c e s s 、 s t a na 1 1 dd e v e l o p m e n to nt l l ee x c a v a t i n gw o f k i n gf a c e t 1 l e nw ec 锄g e tq u a i l t i t ya n d i m e 船i o no fc o a l 蛆dg 驰o u t b u r s t np m v i d e ss o m et l l e o r yt om u c hb e t t e ra n a l y s i s 趾d f o 砌翟s tt h cc a u s eo fl h ec o a la n dg 鹤o u l b u 娼t t h i ss t u d ys h o w st h a t i t i ss t r c s s ，f i d do fs e 印a g e ，d e f o 姗a t i o no fc o a l ，g a s p r e s s c ra n dl a t e r a lp r e s s e r ，i n f l u c ec o u p l e db yg a sp o r o u s b o m e l da n dd e f b 珊a t i o n f i e l do ff o c ka n dc o a la n dl a t e m lp r e 鹳e rw h i c hi s t oo u t b u r s t ，t l l er e l a t i o n s h i po fg a s p r e s s e ra n ds t r e s s t oo u t b u r s t ，i n f l u e n c eo fg 罄t or e d u c es t r c n g t l lo f c o a lw h e n e x c a v a t i n gw o r k i n g f a c ei ss t a f t i n g k e yw o r d s ：e f f e c t i v es 雠s s e s jc o a la n dg 鹤o u i b u 璐t ，s o da l l d 同u i dc 0 u p l e ， n 啪矗c a l s j n l l 一a t i o n 1 1 独创性声明 本人声馥所至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 含为获得窒徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书两使用 过的材料。与我一阿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。 学位论文作者张薜率必一? 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼垄王太堂有保留、使用学位论文 麴规定，释：研究生在较攻读学位期闻论文工作豹知识产权单位属于 塞徽理王态堂。学校有权保留并向国冢有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阕和借阕。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、缩印或担描等复制手段保存、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：礴辜 最签字日期：弘e 年( 月l 日 糊始积# 拈揪停( 月日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 煤与瓦斯突出是煤矿井下生产中的一种自然灾害，它严重威胁着煤矿的安全 生产。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 5 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、匈牙利、比利时、加拿大、澳大利亚、捷克、保加利弧、美国、英 国、土耳其、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【1 】书】。据截止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 已达到三万余次，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，突出的煤量达1 4 2 0 0 盹，突出瓦斯为2 5 万立 方米【“。 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 务局富国矿的西二境【”。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，新矿井的不断增多，突出矿井也日益增多，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 h ”，全国共有2 0 5 个矿井发 生了煤与瓦斯的突出，其突出总数达9 8 4 5 次，约占当时全世界突出总次数的三分 之一，其中最大的次突出于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 吨，突出瓦斯达1 4 0 万立方米，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 】。 我国煤与瓦斯突出的特点有：突出矿井分布面广，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：南北都有分布，但南强北弱。 全国突出最为严重的是湖南省，到1 9 8 0 年底已发生突出3 4 2 1 次( 约占全国总突 出次数的三分之一) ，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 3 ，四川省到1 9 8 3 年底止己发生突出1 4 5 3 次，其中千吨以上特大型突出有 1 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，其中千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，其突出主要集中在阳泉矿区，到1 9 8 3 年7 月底止，全矿区共发生突出1 0 3 7 次，最大突出强度5 2 5 吨；此外，河南、江 安徽理工大学硕士论文 西、黑龙江、广东、贵州等省份的煤与瓦斯突出也是比较严重的【2 】【6 】【7 】9 】f 。 在突出煤层形成的地质时代上，南方主要发生在早石炭纪测水组，晚二迭纪 龙潭组和晚三迭纪安源组的含煤地层中，北方则主要发生在早二迭纪山西组、侏 罗纪北票组和晚侏罗纪城予河组的含煤地层中。在构造上，各种类型构造体系控 制下的煤田都有突出分布。其中以华夏系和新华夏系构造控制下的煤田突出最为 严重，而突出区并不位于构造活动( 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褶皱中的短轴向斜区域内。由于煤与瓦斯突出能在一瞬 间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风 系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯和煤粉，造成瓦蜥窒息以致煤流埋人， 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日益严峻，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 理论以及方法的研究( 特别是对预测预报的研究) 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凡吨、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，同时涌出大量的瓦斯充满整个巷道空间。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，作用介质为款煤和瓦斯。煤与瓦斯突出 的基本特征有【3 】： 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，需要镐刨才能运走。 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。有时候则看不到突出孔洞，抛出煤体的地方充满了松散的碎煤。 1 绪论 4 ) 突出过程中伴随有大量的瓦斯涌出。在突出过程中，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 我国的煤与瓦斯突出非常频繁，根据大量的突出统计资料，可以分析出我国 煤与瓦斯突出的特点及其主要影响因素。 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豹矿井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，从地区分布 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“i 【1 2 l 。 2 南方的矿井突出危险性最大 从全国的突出强度、突出频度以及百万吨突出次数来看，突出最严重的为湖 南、四川及江西，这些省份都不是我国的主要产煤省份，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，据不完全统计，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田， 上述问题亦很突出，全国最大的两次煤与瓦斯突出都发生在川东煤田，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则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 m 3 。川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亦为1 5 次左 右，高者则达3 0 次以上，均远远高于全国【1 l 】【”】1 1 3 】【1 4 】。 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 安徽理工大学硕士论文 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 【1 5 l 。 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，前者仅占突出总次数的o 3 ，后者所 占的比率则更低。 4 突出次数多，突出强度大 突出次数及突出强度是德量煤矿突出危险性的重要标志，与世界突出严重的 国家相比，我国煤矿发生突出不仅次数多，而且突出强度大，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，且大型及特大型突出所占的比率高， 均占突出总次数的卜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 l 0 0 0 吨以上的特大型突出发生7 0 多次，均列世界之首【1 2 】【”1 。 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 m 左右，突出深度最浅的自沙矿务局、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 i i l ，南桐矿务局鱼 田堡煤矿的始突深度为7 4 m ，湖南三五煤矿的始突深度亦为7 5 m 。突出深度亦表现 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 【”】。 6 煤与瓦斯突出之前大多出现前兆现象，且突出愈严重，其前兆现象愈明显 f 1 3 】。 7 突出分布于不同的煤层 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f ”】。 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1 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f 1 ”。 9 震动放炮引起的突出最多 1 绪论 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 手镐作用时亦发生突出，且占相当的比例【1 1 】1 1 2 】f l 。 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，亦非常复杂，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：即煤田或煤层的地质 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。在上述诸因素中， 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，煤与瓦斯突出是上述各种地质因素的综合效应，但这些因素 并不是一定起同等的作用，其作用或影响程度随具体的情况而异。应该强度指出 的是，上述影响煤与瓦斯突出的诸因素都与矿区或区域性的地质构造条件有关， 煤田的地质构造或构造变形程度，乃至煤体的结构等固然与地质构造条件有直接 的因果关系，且煤层中的瓦斯参数亦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，影响煤层中的瓦斯压力等。矿区 的地应力特别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 形态及其构造变形的程度则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 布往往是不均衡的，常成区成带分布，且有一定规律性，这种现象的产生并不是 偶然的，总制上受各种地质因素的制约与控制。 影响煤与瓦斯突出的非地质因素主要是矿山开采的工程因素，如果说地质因 素是产生煤与瓦斯突出的必然条件，矿山开采则是其充分条件。显而易见，如果 不进行矿山开采就不存在煤与瓦斯突出的问题。在矿山开采过程中，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斯突出是一个典型的例子，且煤矿采掘工作面的突 出亦多发生在爆破开挖之后不久。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 安徽理工大学硕士论文 与瓦斯突出工程防治方面考虑较多的方面，利用解放层开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， 琪效果明显。 1 4 国内外煤与瓦斯突出机理研究现状 十六世纪末，在煤矿的井工开采中，才遇到有害气体，到十八世纪初期英国 有的深井开始发生甲烷爆炸。随着工业的发展，煤炭开采日益加剧，矿井瓦斯事 故也日益加剧，引起了世界各采煤国家的密切关注，由于受到当时科学技术条件 的限制，对煤岩破坏过程也即破坏的机理不可能进行深入的研究，煤岩体任何破 坏的判据只能根据煤岩体破坏的强度理论而建立，再无其他选择，因而早期的关 于突出发生的理论大多数只是根据何种因素在煤和瓦斯突出中起主导作用而提出 的，只能大致回答是什么因素煤体突然破坏而发生煤和瓦斯突出这一灾害，对煤 和瓦斯突出进行定性的描述，而提出了瓦斯主导作用说，地压( 即应力) 主导作用 说，煤质主导作用说，以及综合作用说。这些煤和瓦斯突出机理的假说，实质上 就是早期的煤和瓦斯突出发生的理论。 1 9 6 9 年在联合国西欧经济委员会召开的第二次防止煤与瓦斯突出的国际讨 论会上，大多数国家的代表认为突出不是哪个因素起主导作用的结果，而是与煤 层的应力状态、煤体内瓦斯及煤的物理力学性质密切相关，是这些因素综合作用 的结果，目前这已成为愈来愈多学者的共识，这也是突出发生理论研究的发展趋 势。但是现在仍有学者对单项因素主导作用的学说继续进行研究，提出新的成果， 如在1 9 8 7 年在北京召开的第二十一届采核算安全讨论会上， 日本的氏平之增， 采用有限元方法进行数值模拟，通过煤壁受瓦斯孔隙压力差产生拉伸破裂，说明 瓦斯对突出的发生起主导作用，而澳大利亚的哈格里费斯通过物理模拟试验所得 到的结果说明突出的发生还是应力起主导作用。 我国对煤和瓦斯突出的研究是在本世纪5 0 年代开始起步的，多年来，我国许 多科技工作者对煤矿瓦斯做了大量的研究工作。周世宁教授( 1 9 6 5 ) 从渗流力学角 度，提出了煤层瓦斯的流动理论。作者假定煤层中瓦斯( 沼气) 的流动基本上符合 达西渗流定律，根据气体在多孔介质中的渗流理论，提出了煤层中瓦斯流动的方 程式为： a p 石= a ，v 2p ( 1 圳 1 绪论 式中：_ p p 2 ( 绝对压力) 称p 为平方瓦斯压力。a 一解为透气系数，k 为煤层渗透系数，p 为瓦斯绝对粘度，a 。a4 a _ p “2 ，口为瓦斯含量系数，这一 ，u 理论初步奠定了我国瓦斯研究的基础。煤炭科学研究院抚顺分院以王佑安教授为 代表进行了大量的研究工作。形成了我国煤矿瓦斯研究的另一个学派，其学术思 想为扩散理论，众所周知，瓦斯在煤体中以游离与吸附两种方式赋存，他们主要 研究吸附瓦斯转化为游离瓦斯或瓦斯解吸的过程。 1 9 8 6 年，杨其銮与王佑安提出了“煤屑瓦斯扩散理论”，以f i c k 定律为基 础，深入研究了煤屑中瓦斯扩散的规律。1 9 8 8 年，杨其安与王又提出了瓦斯球向 流动的数学模型以瓦斯扩散理论为基础，王等进行了许多研究工作。1 9 8 2 年， 王佑安与朴春杰提出用煤钓解吸指标作为煤层突出危险性的判据。1 9 8 1 年，王与 朴提出了用煤解吸瓦斯速度法确定煤层瓦斯含量的方法。1 9 8 4 年，王佑安发表了 “煤与瓦斯突出危险性观测方法”的总结性论文，文章归纳了突出危险煤层的三 要素，煤的破坏类型、煤层瓦斯压力和含量、地层应力状态。瓦斯突出的综合指 标k ，煤钻屑瓦斯解吸指标与突出危险性的关系。综上所述，由于王佑安教授提 出了对煤与瓦斯突出的预测要采用煤层应力、煤体内瓦斯状态以及煤的物理力学 性质的综合指标来作出预测，因此其显然是倾向于瓦斯突出的综合说。 实际上即使是突出发生的单项因素起主导作用的学说也并不否认突出是具有 一定物理力学性质的煤体受应力和瓦斯作用破坏而发生的动力破坏现象，只不过 强调单项因素为主而己。在综合作用说中虽然承认了三个因素均起作用，但对每 个因素在突出发生中所起的作用依然是观点不同。所以在综合作用说中，究竟是 应力还是瓦斯在突出发生中起主导作用的问题仍在争论中。 煤和瓦斯突出是煤体变形与瓦斯流动相互作用和相互影响下，局部煤体突然 破坏而发生的现象，实质上是一个很复杂的力学问题和力学现象。通过煤和瓦斯 突出的现场实例分析或模拟所得到的突出现象，按简单的力学强度原理，只能对 突出发生过程进行表面的定性叙述，将突出作为一个力学现象和力学过程，按照 控的力学理论和方法对煤和瓦斯突出进行研究我国学者主要在八十年代开始的。 重庆大学的鲜学福教授等从煤固体变形对突出的作用和影响对煤和瓦斯突出 进行了研究。1 9 8 8 年俞善炳教授将突出视为稳态情况下，已启动的耦合流体的恒 稳推进过程，在一维情况下推出了突出的恒稳推进的微分方程，指出了煤的破碎 启动与瓦斯流动的藕合是突出发生的内在因素，在已求得该微分方程解的情况下， 安徽理工大学硕士论文 推导得出了无量纲的突出发生判据的关系式。通过大量实例观测可以看出突出是 含瓦斯的煤体突然破坏才发生的动力现象，与冲击地压现象具有一系列的共同特 点，二者主要的预测和防治措旖几乎相同。冲击地压是在煤体局部高应力区破坏 而发生的，破坏过程具有雪崩一样的性质。因此近年来俄罗斯的佩图霍夫， 日本 的矶部俊朗和我国中国矿大的华安增教授等先后提出了突出就是有瓦斯作用的冲 击地压，这一观点已为愈来愈多的学者所接受。早在1 9 6 5 年c 0 0 k 就认识到冲击 地压是煤岩体的失稳问题，突出是有瓦斯作用的失稳问题，因此有关学者从失稳 的角度开始了突出发生理论的研究。 近几年来以原阜新矿院章梦涛教授为代表的以煤岩体变形与瓦斯渗流耦合作 用为学术思想的煤矿瓦斯研究方面的另一个学派。 1 9 8 8 年，原阜新矿业学院章梦涛教授和他的同事们，首先发表了“煤与瓦斯 突出失稳理论的初探”。文中根据近代已经搞清的煤岩变形破坏是其内部裂纹裂 缝发生发展起主导作用的过程的这一机理，论述了煤和瓦斯突出的发生机理。即 认为煤岩体的破坏过程有稳定破坏和失稳破坏两种过程，当煤岩体局部高应力区 的应力超过峰值强度，成为具有应变软化性质的非稳定介质时，如果它与周围低 应力区所组成的力学变形系统的平衡状态为非稳定，则遇外界扰动将发生失稳破 坏过程。该文中还研究了煤体变形裂纹裂缝发展对其中瓦斯赋存和流动状态的影 响，以及瓦斯的赋存状态和流动情况的变化对煤体变形的影响。提出了煤和瓦斯 夜大出就是煤体变形和流体流动相互作用和相互影响即固流耦合作用下煤体失稳 破坏所发生的现象。解释了突出瞬间大量涌出瓦斯的来源。又从煤的脆性蠕变解 释了突出发生时间滞后现象的原因。 1 9 9 1 年章梦涛与赵阳升等发表了“冲击地压、煤与瓦斯突出的统理论”一 文。文中采用著名的普遍适用的狄里希锐失稳准则作为冲击地压和突出发生的统 一准则，建立了统一失稳理论的框架，并对其在冲击地压的突出中的应用分别进 行了论述。1 9 9 2 年赵阳升在完成的博士论文“煤体与瓦斯的耦合理论”中，通过 大量试验研究和理论分析建立了煤体渗透性与孔隙压力对煤岩体变形的影响，并 设煤体中的瓦斯含量符合拉格缪尔方程，瓦斯为理想流体，建立了瓦斯的渗流方 程。考虑弹性系数随孔隙压力改变建立了应力和变形场方程。采用狄里希锐的能 量失稳判据形成了初步的煤体与瓦斯固流耦合作用的简化数学模型。文中提出了 失稳度的概念作为突出发生危险程度的量度，并研制了有限元计算软件。通过数 值计算初步研究了各因素在突出发生中的作用。 1 9 9 4 年，梁冰在其博士论文中，在已有的研究成果基础上，对煤体与瓦斯固 1 绪论 流耦合作用下煤岩体的失稳破坏过程即煤与瓦斯突出的机理给予了较深入的论 述。研究应力、瓦斯及煤的物理力学性质三个主要因素在突出发生中所起的作用 和相互影响，建立起基本上反映煤体与瓦斯固流耦合作用下煤体失稳破坏的数学 模型，给出了进行数值模拟的计算方法，对为煤和瓦斯突出进行了定量化的研究。 多年来，煤矿瓦斯一直引起国际采矿界的关注，世界主要采煤国家都从事了 大量的研究工作，取得了注目的成果，使煤矿瓦斯事件得以有效控制。从煤层瓦 斯理论方面分析，仍从两个学术角度研究，即渗流力学与扩散力学。 1 9 8 7 年a s a g h a f i ( 法国) 和r j w i l l ia l i i 发表了“煤层瓦斯流动的计算机 模拟及其在瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用”一文，文章从扩散力学角度，依据f i c k 定律，提出了煤层瓦斯扩散方程，同时也从渗流力学角度，依据达西定律，提出 了煤层瓦斯渗流方程。l n g e r m a n o v i c h 从扩散理论角度研究煤层中吸附瓦斯的 解吸过程。1 9 8 8 年美国矿业局发表了1 9 6 4 一一1 9 8 0 甲烷控制的研究成果汇总， 该研究成果综述了美国瓦斯研究理论的主要成果，基本观点与a s a g h a f 法) 相同， 即煤层中瓦斯流动是一个连续的两步过程。第一步，以扩散的形式，甲烷从没有 裂缝的煤体中流到周围的裂隙中去：第二步，甲烷从裂隙流到矿井的工作空间。这 里前者依据扩散方程，后者依据渗流方程。 1 5 固流耦合问题的研究评述、存在的问题及解决思路 煤与瓦斯突出是煤体与瓦斯固流藕合作用下煤岩体发生失稳破坏所造成的动 力现象，因而研究煤与瓦斯突出理论就必须研究固流耦合作用理论。 固流耦合问题的研究首先是由b r e k k e 将其应用于坝基的设计和计算中的。他 将坝基假设为两组正交的裂隙系统，计算了在自然状况、灌浆和排水等情况下考 虑水作用和不考虑水作用时的两种应力分布规律，并对计划处结果进行了比较发 现在排水情况下两种计算的浮力相等，只有渗流速度稍有差异，而在自然状况下 和灌浆时耦合分析的浮力比非耦合分析时高4 0 ，而渗流速度却低4 0 。显然在排 水情况下是否考虑水的耦合作用，结果应该是一致的。而在其他两种情况下，产 生如此较大的差异正是固流耦合作用的结果。采用耦合分析时，得到的结果与实 际情况比较接近。 在煤炭开采中，煤层中含有大量的瓦斯等气体。瓦斯是可压缩气体，而且煤 对瓦斯的吸附解吸作用十分强烈，短时间内吸附解吸量就有剧烈变化，因此瓦斯 对煤体的力学特性及力学响应的影响和作用下是单纯的力学作用，还有非力学作 用，因而研究煤体与瓦斯固流耦合比岩石和水的固流耦合问题复杂得多。 安徽理工大学硕士论文 原阜新矿业学院章梦涛等在“煤和瓦斯突如失稳理论初探”以及“冲击地压、 煤和瓦麓突出统一失稳璞论”中都对煤稻瓦矮固漉藕合作臻下煤岩体的交形帮应 力场数值分析进行了阐述。 赵辩舞在其囊孳圭论文中首次在楚化熬情援下进行了煤和嚣瘊耦会侔魇下煤岩 体的变形和应力分析，得到了一些结果，并通过失稳判据研究了煤与瓦斯突出。 梁冰、章梦涛在发表酶“矿山岩体巾固漉耨会问题的研究”论文中对固滚耦 合问题的分类，研究的烹要内容，研究的方法等进行了综合性的阐述。 王寒贵等在考虑地下承漉体撒膨胀岩体变形过程约作用的影响孵，曾弓l 入有 膨胀项的“应力一应变”本构关系斌作为有水作用的膨胀岩体的力学瓣应方程。 研究固流耦合作用问蘧表现在两个方稻：一是煤岩固体豹变形和破坏对流体 的力学参数的影噙和作掰，流体购渗透系数与有效应力之间的关系就是这种耦合 作用的个结果。目前这方面的研究较多，已经有初步结果可以应甩：二是固体与 流体耦合作用的本构关系。丈董试验研究结果表明，流体不仅对煤褰体的个潮物 理力学参数产生作用和影响，而睫还对其变形全过程中的力学响应产生影响，即 对越滚耦舍俸淆的本梅关系有影螭。嚣前这方嚣的研究还楚子初步研究阶段。 煤和瓦斯突出是固流耦合作甩下煤岩体变形失稳破坏闷题，即是由于煤岩体 局部区域豹应力超过峰值强度，物理力学往葳发生变化，竖瑗应交软纯牲震耨造 成的，故也将这种变形失稳破坏称为物理上的失稳破坏。矿井中的煤岩体局部区 域应力越过峰值强度，局部煤岩体进入斑变软化状态，但并不一定发生失稳破坏， 产生冲击地压和瓦斯突出。这主要原因是失稳破坏除与局部软化区范围有关外， 还和煤的物理力学性质，特别是峰值强度厢的力学响应特技密切相关，也就是和 煤岩体的本构关系密切相关，在突出发生过程中，燕要是与瓦斯作用下煤体的力 学本构关系有关。 1 9 9 4 年，粱冰在其博士论文中，对煤与瓦斯突出的固流耦台失稳理论及潮据 进行了比较系统、全面和深入的骈究及讨论，提出了能够基本反映决定煤与悦斯 突出发生备主要物理量之间的相氨作用、相互联系的数学模型并进行了数值模拟 试验。 研究固流藕合作焉问题是岩体水力学和岩石流体力学的核心海容。其藕合作 用问题表现在两个方面：一是煤岩固体的变形和破坏对流体的力学参数的影响和 作焉，流体的渗透系数与宥效应力之闻的关系就蹙这种藕合作用的一个结采。目 前这方面的研究较多，已经有初步结果可以应用：二是固体与流体耦合作用的本构 关系。迄今为止只是逶过实验得到了流体对煤岩国体的单个力学参数始弹性模壁、 1 绪论 峰值强度等影响的关系式。大量试验研究结果表明，流体不仅对煤岩体的个别物 理力学参数产生作用和影响，即对固流耦合作用的本构关系有影响。但是固流耦 合作用本构关系还是有待研究解决的问题，这也是研究固流耦合作用下煤岩体变 形破坏规律的基础。煤和瓦斯突出是固流耦合作用下煤体突然破坏引起的，同时 也是建立突出发生理论的基础，因此建立完善而又合理的煤与瓦斯固流耦合作用 的本构关系，是进一步研究煤与瓦斯突出发生机理及预防煤与瓦斯发生的基础。 实践及试验均已证明，多数煤与瓦斯突出及冲击地压现象都是在煤体并非连 续的条件下发生的，且许多情况下煤体也并非如假设的那样呈现各向同性。因此， 在建立固流耦合失稳理论及失稳判据中，其内部的参数并非如假设的那样相互独 立，而是以某种形式相互作用、相互影响的。 目前，就煤与瓦斯突出的发生机理虽然提出了各种各样的作用学说，但从模 拟煤与瓦斯突出的起动、发生过程的角度来研究煤与瓦斯的发生机理，目前还是 一个空白，因此有必要从这个角度对煤与瓦斯突出的发生机理进行探讨、研究这 必然为进一步认识煤与瓦斯突出的发生机理以及为预防煤与瓦斯突出的发生提供 一定的理论依据，并将带来一定的社会、经济价值。 1 6 研究内容及思路 本文就是针对前人工作的不足及空白进行补充和完善，在已有煤与瓦斯突出 固流耦合失稳理论的基础上，考虑各参量之间以一定形式相互作用、相互影响， 对固流耦合的数学模型进行补充及修正：同时建立一组考虑各参量间相互作用的 以拉应力破坏为基础的煤与瓦斯突出发生的新判据，通过计算机有限元程序方法 来模拟煤与瓦斯突出的孕育、启动及发生过程，最后用数值方法对实例进行分析、 计算，由此计算出巷道从开始掘进到突出全过程中应力，渗流场，煤岩变形的变 化情况，瓦斯压力及围岩压力，煤体变形三者的耦合关系及对突出的影响。为此， 本论文的研究内容及思路如下： 测定并研究潘三矿突出煤层煤岩的力学性能。 研究含瓦斯煤的有效应力及力学变形破坏特征。 研究煤层中瓦斯流动的力学特征，及煤的渗透性在应力应变全过程中的表征 及现场试验。 建立煤与瓦斯突出的固流耦合失稳理论及其数学模型。并采取有限元法对其 进行离散。 利用有限元软件r f p a 对煤与瓦斯突出过程进行数值模拟：建立掘进过程中煤 安徽理工大学硕士论文 与瓦斯突出的几何模型并进行网格化，然后加载边界条件，对突出的力场，煤岩 的变形，渗流场进行数值求解。分析模拟结果，对突出过程中力场，渗流场，煤 岩的变形的耦合关系进行讨论，得出对现场有指导意义的结论。 运用球壳理论检验物理，数学模型的正确性及模拟的可靠性。 2 煤的力学性能与破坏准则 2 煤的力学性能与破坏准则 2 1 突出煤体的单轴压缩试验 煤岩的单轴压缩试验可以采用煤矿现场取来的软煤或岩做成试样进行试验， 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，由于试样中可能存在着不均质性，沿不 同方向施加压力时，所得结果也不一样。如果采用成型煤样进行试验，则试样制 作较简单，实验结果也比较一致。因此，成型煤样和岩样的单轴试验主要用于了 解淮南潘三矿c ，煤样及顶底扳岩样单轴条件下全应力应变过程中的主应力一轴 向应变，典型的试验曲线【”阳l 。 s f 1 0 1 图1c 1 ，煤样单轴条件下全应力应变过程中的主应力一轴向应变 f i g lc 1 3s 锄p l eo fc o a l sp r i n c i p l es t r e s sa n da x e s s t r a i n s ( 1 0 s ) 图2 顶扳沙质泥岩单轴条件下全应力虑变过程中的主应力一轴向应变 f i 9 2s t a n d t o n e sp r i n c i p l es t r e s sa n da x e s s t r a i n 4 2 o 日 5 4 2 l l i 0 o o o 言d，oh墨o 安徽理工大学硕士论文 f i 9 3s t a n d t o n e sp r i n c i p l es t r e s sa r l da x e s s t r a i n 由图1 可以看出，煤在压应力作用下所产生的变形由两部分组成，一是煤内 部裂隙和孔隐在压应力作用下的逐渐闭合所引起的形变( 初始阶段) ；另一是煤实 体受压产生的形状和体积的变化，其与压应力成正比。在应力不超过某一极限的 情况下，外力卸除后煤的实体变形可立刻消失。但裂隙、孔隙受压闭合只能部分 恢复，因此保留一定的残余变形。 煤的变形破坏过程可分以下四个阶段： 1 ) 弹性及压密阶段：“应力一应变”瞌线呈上凹状变形模量随应力增加而增加。 在原有裂隙两端产生强烈的应力集中，致使局部煤材料破坏，裂隙沿长度方向发 展。与此同时，煤材料本身也产生一定的变形。当应力除去之后，煤材料的变形 立即完全侠复，但被但被压闭合的孔隙不能完全恢复原状，因而留下一部分残余 变形。应力水平越高，残余变形越大。 2 ) 线弹性阶段：应力一应变里直线关系，原有裂隙继续发展并产生新的裂隙。 煤的变形主要是煤材料实体的变形，卸载后有残余变形。 3 ) 脆性破坏阶段：当盯厶o 8 5 时，煤发生细微声响，表面出现肉眼可的纵 v c 向裂缝，小煤碴从试样上脱落。但应力一应变仍保持直线关系。在应力达到强度极 限时，煤样突然产生大量纵向裂缝，承载能力急剧下降。应力盯。称为破裂不稳定 发展的起始点或峰值应力。 4 ) 破裂发展阶段：过峰值应力盯。以后，随应变增大而应力下降，变形模量为 负值。在煤破碎过程中发生声发射、振动及煤块抛掷现象。在现场，此类现象称 为煤爆。 2 煤的力学性能与破坏准则 2 2 三轴条件下煤的力学性能 图4 为潘三矿c 。，煤的三轴压缩试验的轴向“应力一应变”全过程曲线。由图4 可以得出以下结键 重 口 雹 囊 # 蚺4 能臻； 轴向应变， 图4 潘三矿c 。煤的三轴压缩试验的轴向应力一应变全过程曲线【3 2 l 1 f i 9 4c 1 3c o a l sp r o c e s so fs t r e s sa n ds t r a i ni nt h r e ed i r e c t i o n 1 ) 伴随着围压的增加。煤岩的峰值强度增加； 2 ) 随着围压的增加对于煤来说，其弹性模量随围压的提高而有所增大； 3 ) 由于采用了塑性变形机制( 包括碎裂扩散流动和颗粒滑动效应) ，随围压的 增加，煤体存在着由典型脆性向延性过渡的阶段； 4 ) 随着围压的增加，峰值后的应力降( 降至残余强度) 减小，当围压很高时消 失： 5 ) 随着围压的增加，煤样的承载能力和应变值在增大。 2 3 煤岩的破裂类型 6 螂 舞 期 释 悖 撸 善 o 安徽理工大学硕士论文 争 r 圈s 煤岩的破坏情况 ( a ) 单轴压缩中的劈裂剪切破裂( c ) 多重剪切破裂( d 拉伸破裂( e ) 集中载荷产生的拉伸破裂 f i 9 5c o a l 卸dr o c k ss i t u a t i o no ff a i l u r e 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。由于不同的煤( 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5 中( a ) 为 单轴压应力下的劈裂，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， 由于在煤岩的中部作用了一个集中压力( 实际为线载荷) ，在煤岩体的内部则产 生拉应力，形成拉伸破坏。 2 。4 煤( 岩) 体的强度准则 煤与瓦斯突出的过程也是煤体破坏的过程。突出常常发生在有软煤的煤层内， 坚硬的煤体通常是不发生突出的。只有煤体先发生破坏，然后才有可能发生突出。 而要研究突出，必须了解煤体在什么样的条件下才可能破坏。在煤( 岩) 体的破 坏准则中应用较多的是m o h r 准则。”嘲。 对突出煤样进行加征，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，也是应力一应交曲线最高点的值。如果对煤样作三 l剀u iii。虹，0、，1 时i|=川t 2 煤的力学性能与破坏准则 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。煤样的破坏属于多重剪切破坏并非 压碎，它