煤與瓦斯突出過程中層裂煤體的結(jié)構(gòu)演化及破壞規(guī)律

吳愛軍，蔣承林，王法凱

（1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽621010；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇徐州221016；3.山東能源集團貴州礦業(yè)集團公司，貴州 貴陽734200）

煤與瓦斯突出是指煤與瓦斯在一個較短的時間內(nèi)突然連續(xù)地自煤壁拋向巷道空間所引起的劇烈的動力現(xiàn)象[1]。近年來，國內(nèi)外積累了成千上萬次的突出記錄，總結(jié)了許多寶貴的防治突出的經(jīng)驗和技術(shù)[2－4]；在理論和實驗研究方面也取得了豐碩的成果。如中科院力學所的鄭哲敏院士、俞善炳教授等在模擬煤與瓦斯突出的激波管實驗中發(fā)現(xiàn)，按瓦斯初壓大小存在兩種破壞模式：低壓開裂和高壓突出[5－6]。周世寧院士、何學秋教授等在研究了三維受力狀態(tài)下含瓦斯煤樣的流變特性的基礎(chǔ)上，提出了煤與瓦斯的流變機理，并運用這一假說較好解釋了煤與瓦斯延遲突出現(xiàn)象[7]。蔣承林等通過多次煤與瓦斯突出模擬實驗，提出球殼失穩(wěn)假說[1]。對實驗過程的觀察和分析得出：突出過程中煤體的破壞是以球蓋狀球殼的形式，快速地形成、擴展并失穩(wěn)拋出。尹光志、趙洪寶、許江等以自行研制了大型煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，對不同含水率煤體發(fā)生煤與瓦斯突出時突出強度變化規(guī)律進行模擬試驗研究[8]。蔡成功按相似理論設(shè)計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，模擬了不同煤型強度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過程[9]。歐建春、王恩元等研制了一套煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，通過高速攝像機對突出全過程進行實時觀測，實現(xiàn)了對突出過程煤體破裂的演化規(guī)律進行分析[10]。日本的栗原一雄在實驗室成功的模擬了煤與瓦斯突出[1]。

本文在總結(jié)前人理論和實驗基礎(chǔ)上，通過對多次煤與瓦斯突出物理模擬實驗的研究發(fā)現(xiàn)，突出孔洞內(nèi)殘留層裂狀煤體出現(xiàn)了幾種不同的結(jié)構(gòu)形狀演化現(xiàn)象。對于這一現(xiàn)象，本文運用理論方法研究了突出過程中層裂狀煤體的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其發(fā)生破壞的力學機制，通過對此問題的研究，將進一步揭示了突出過程中煤體的破壞機制和孔洞形成規(guī)律，這對提高煤與瓦斯突出的認識有著重要意義。

1 煤與瓦斯突出物理模擬實驗

為了進行煤與瓦斯突出的模擬實驗，我們設(shè)計了圖1的突出模擬裝置。

圖1 突出模擬裝置

將從現(xiàn)場采集到的具有突出危險性IV和V類的煤樣篩分后，放入到突出模擬裝置中壓制成型，成型壓力大于30MPa，圍巖靜壓保持60小時以上，利用真空泵對煤體進行12小時的抽真空，達到要求后，關(guān)閉真空泵，并對煤體充入一定壓力的瓦斯氣體48小時，使成型煤樣吸附瓦斯至平衡。在恒溫條件下，用千斤頂頂開橫檔上的拉桿，則橫檔突然松開，堵頭在瓦斯壓力作用下被推出，揭開煤層，煤與瓦斯從缸體中突出來。下面就是具有典型代表的試驗后缸體內(nèi)突出殘留煤樣的照片，見圖2、圖3、圖4。

圖2 弱突出殘留煤樣

圖3 強突出殘留煤樣1

圖4 強突出殘留煤樣2

單獨從實驗結(jié)果來看，以上三個實驗似乎并不相干，但通過對殘留的層裂狀煤體的結(jié)構(gòu)進行分析，它們之間好像又存在著必然的聯(lián)系：圖2為“）”形，形成一個向里面凹進去的一系列層裂體；圖3形成的殘留煤樣為“）”、“I”兩種形狀組合；據(jù)推斷，圖2和圖3出現(xiàn)的“）”、“I”結(jié)構(gòu)的層裂體應(yīng)該在圖4中出現(xiàn)，這樣就在圖4中形成了“）”、“I”和“（”層裂體三種的組合體。

顯然，這樣就在圖3中出現(xiàn)了兩種形狀結(jié)構(gòu)的層裂體演化，而圖4中，連續(xù)出現(xiàn)了三種形狀結(jié)構(gòu)的層裂煤體的連續(xù)演化。

2 突出過程中層裂狀煤體的演化規(guī)律研究

為了方便研究，根據(jù)圖4，我們將突出孔洞大致分為三個區(qū)：凹面區(qū)、平面區(qū)和凸面區(qū)，見圖5。

圖5 突出孔洞內(nèi)層裂煤體結(jié)構(gòu)示意

本文主要研究內(nèi)容：①突出過程中層裂煤體結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律；②三種不同結(jié)構(gòu)層裂煤體發(fā)生破壞的力學機制。下面是選出的與上面三幅圖對應(yīng)的三組實驗數(shù)據(jù)[1]，見表1。

表1 實驗具體參數(shù)及實驗結(jié)果

圖表中弱突出和強突出的定義是以突出煤量占總質(zhì)量的比值大小來劃分的，一般以40%為界限，低于這個值時為弱突出，高于此值時為強突出。

針對圖2所示弱突出的殘留煤體圖片，據(jù)此判斷突出煤體為“）”型凹面層裂體，為此我們通過對突出過程來詳細剖析“）”型凹面層裂體形成原因。模擬實驗時，打開堵頭，如同石門揭煤一樣，堵頭附近區(qū)域煤體由于側(cè)向約束解除，在煤體內(nèi)蓄積的彈性勢能便以拉應(yīng)力的形式使得這部分煤體向外發(fā)生膨脹位移，與此同時在煤體內(nèi)也產(chǎn)生了一個抵抗向外膨脹位移的 “）”型結(jié)構(gòu)，而豎向應(yīng)力（模擬地應(yīng)力）也在瞬間將煤體壓裂，煤體中的瓦斯迅速解吸釋放，形成較高瓦斯壓力梯度，這樣進一步撕裂煤體，而且同時又推動著層裂狀煤體一層層的向外拋出。當突出動力與抵抗位移的阻力平衡時突出停止。整個過程，所形成的層裂煤體主要是“）”型凹面體。

針對圖3所示的煤體結(jié)構(gòu)，這是硬煤的強突出模擬圖片，所形成煤體有“）”型凹面體和“I”型平面體。實驗中煤體的壓力和硬度都較高，突出層理清晰。對于整個突出過程來說，我們可以將其分為兩個區(qū)域，第一是凹面區(qū)，第二是平面區(qū)。在第一區(qū)域發(fā)生的突出情形類似于圖2的情況，在第二個區(qū)域發(fā)生的突出情形，層裂煤體的結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生了變化，隨著凹面體的曲率變大，凹面逐漸變?yōu)槠矫妗＞科湓颍怀霭l(fā)生后，隨著前方煤體的不斷被拋出，對后方預突出煤體阻礙變小，其中預突出陣面煤體的中間部分在拉應(yīng)力和瓦斯壓力共同推動下向外膨脹的位移最大，向兩邊依次變小，同時又由于前方煤體突出后殘留一些層裂體分布在兩邊側(cè)壁，阻礙了兩邊側(cè)壁煤體的向外膨脹形變，新產(chǎn)生的凹面體曲率開始變大，最終出現(xiàn)平面狀的層裂體。與此同時，在豎向地應(yīng)力作用下煤體邊膨脹邊被壓裂破壞，快速釋放的瓦斯形成較大的壓力進一步撕裂煤體，當突出動力超過平面體抵抗極限時，平面層裂煤體被破壞，突出繼續(xù)向煤體深部發(fā)展。同樣，當兩者達到力的平衡時，突出停止。

從圖4可以看出，缸體中殘留煤樣的層裂體為“）”、“I”和“（”三種形狀的組合體。根據(jù)上面兩個實驗中層裂狀煤體的形成原因?qū)Ρ确治觯紫龋后w的硬度較軟，雖然瓦斯壓力不大，在實驗中發(fā)生了強烈突出，并出現(xiàn)了“）”、“I”和“（”三種形狀逐漸演化現(xiàn)象。其次，從圖片可以看出，在第一、第二區(qū)域的煤體都被拋出，殘留物很少，這對后方預突出煤體的位移和變形提供了擴展的空間，由于煤體較軟，它的彈性模量也較低，側(cè)向約束解除后，其變形和位移的幅值較硬煤偏大，同樣在瓦斯壓力、地應(yīng)力和圍巖約束的共同作用下，由層裂體的形狀結(jié)構(gòu)迅速地由凹面、平面迅速地過渡到了凸面，即呈現(xiàn)出“）”型→“I”型→“（”型的變化，并且在這個突出試驗中，形成的“I”型平面體數(shù)量偏少。同樣如此，不管是什么結(jié)構(gòu)的層裂體，在豎向地應(yīng)力作用下煤體邊膨脹邊被壓裂破壞，快速解吸出來的瓦斯進一步撕裂煤體，當突出動力超過“（”型凸面體抵抗極限時，凸面層裂煤體被破壞，當兩者達到力的平衡時，突出停止。

在實際的現(xiàn)實突出災(zāi)害中，圖4這種突出形成的結(jié)構(gòu)方式較接近于現(xiàn)實情況。

綜上所述，煤體發(fā)生位移基本上是由三部分組成，第一部分是煤體彈性勢能的釋放產(chǎn)生的拉應(yīng)力和豎向應(yīng)力壓裂煤體的擴容等引起的位移；第二部分是由瓦斯壓力的推動；第三部分是約束和阻力阻礙位移的產(chǎn)生：一是缸體的圍巖和頂?shù)卒摪宓募s束，二是豎向地應(yīng)力在壓裂破壞時產(chǎn)生切向阻力（平行于頂?shù)装宸较颍峭怀鲞^程中前方突出殘留煤體的阻擋作用。可以看出層裂煤體產(chǎn)生的位移是由這三部分動力和阻力共同作用的結(jié)果。

此實驗中，豎向壓應(yīng)力為最大的主應(yīng)力，通過殘留煤樣的觀察，，煤體內(nèi)形成了類似于單軸壓縮時X形狀的破壞結(jié)構(gòu)，而水平方向上的主要破壞動力為瓦斯壓力，煤體便在兩種力的作用下形成了阻止突出破壞的層裂狀結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)形狀的又經(jīng)歷了一系列的演化。從上面分析的結(jié)論可以得到，突出一旦發(fā)動，其阻礙突出的阻力變得越來越弱；并且，在實際突出事故中，已經(jīng)發(fā)生過突出的地方，容易再次發(fā)生突出[11]，就是因為煤體中形成了有利于再次發(fā)生突出的結(jié)構(gòu)。為了進一步說明這些結(jié)構(gòu)與突出的關(guān)系，下面通過對這些層裂體進行力學計算進一步論證。

3 層裂煤體破壞力學機制研究

蔣承林[12]曾在提出煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)的理論中，闡述了發(fā)生突出的三個力學條件，其中第三個力學條件就是“凹形”球殼煤體在瓦斯壓力作用下發(fā)生破壞機制，本文在此基礎(chǔ)上分別研究三種類型的層裂煤體發(fā)生破壞的力學條件。

從圖5所示孔內(nèi)層裂煤體結(jié)構(gòu)示意圖，抽象出三種結(jié)構(gòu)力學模型，具體如圖6所示。為了研究的方便，假設(shè)：①把層裂煤體視為為各向同性、均質(zhì)且沒有裂隙的完整規(guī)則的曲面體，層裂體的厚度相對于截面曲切向尺寸較小，可以作為薄的板殼體來處理；②球殼內(nèi)的瓦斯不外泄，被封閉在球殼之間；③各個層裂煤體的邊沿部分均處于固定約束，前后兩截面僅受到腔內(nèi)外氣體壓力，沒有結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力。

圖6 突出層裂體力學模型

3.1 凹面層裂煤體破壞力學條件分析

基于以上假設(shè)和凹面層裂煤體力學模型，運用板殼理論中殼體失穩(wěn)理論進行了論證[13]。單層球殼失穩(wěn)臨界載荷Pcr見式（1），球殼失穩(wěn)時的臨界條件見式（2）。

式中：E為彈性模量，MPa；ti，Ri為某凹面層裂煤體的厚度和曲率半徑，m；μ為泊松比。

式中：p′為層裂體內(nèi)外氣體壓力差，MPa。

在揭開堵頭，突出的一瞬間，堵頭附近區(qū)域煤體自然形成拱形也就是凹面體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)用來抵抗內(nèi)部壓力的破壞，顯然這是巖石自然適應(yīng)性的一種體現(xiàn)。

3.2 平面層裂煤體破壞力學條件分析

當凸面層裂煤體逐漸被破壞拋出孔洞后，后方的被撕裂的層裂煤體曲率半徑越來越大，逐漸變?yōu)榱似矫妫藭r突出孔洞內(nèi)開始出現(xiàn)的平面類型薄板結(jié)構(gòu)。在這個模型中可以應(yīng)用彈性力學中的圓形薄板失穩(wěn)破壞理論來求解。

根據(jù)文獻[14－15]，得到圓形薄板失穩(wěn)的臨界荷載，見式（3）。

式中：p″為平面體內(nèi)外氣體壓力差，MPa。

3.3 凸面層裂煤體破壞力學條件分析

凸面層裂煤體此時受力情況與凹面結(jié)構(gòu)體正好相反，凹面結(jié)構(gòu)的中面受到的合力為外壓應(yīng)力，而凸面結(jié)構(gòu)則受到的為拉應(yīng)力，因為煤巖體的抗拉強度遠小于抗壓強度，為此這里使用的抗拉強度來作為破壞的力學條件。

根據(jù)對稱性球殼體的受力計算得到式（4）。

當σ≥[σt]時，煤體發(fā)生破壞，[σt]為煤體的抗拉強度，MPa。令凸面層裂煤體內(nèi)外壓力差為：p?＝p1－p0。

根據(jù)式（4），則當p?≥2[σt]ti／Ri時，煤體發(fā)生破壞，根據(jù)實驗測量，一般情況下層裂體的厚徑比，而煤巖的抗拉強度遠小于其抗壓強度[15]（一般為抗壓強度的0.009～0.06倍），也就是說層裂煤體內(nèi)外應(yīng)力差達到抗拉強度的0.0009～0.006作用時，故在受載不大時就有可能出現(xiàn)拉伸破壞。

綜上所述，為了更好的對以上三種結(jié)構(gòu)的層裂煤體破壞的臨界值進行比較，這里進行如下假設(shè)：①假設(shè)各個煤樣的彈性模量、抗拉強度、抗壓強度、泊松比等參數(shù)相等；②假設(shè)各個層裂狀煤體的厚徑比相等。

為此，我們引用文獻[16]中的下列數(shù)據(jù)來分析。

表2 煤體物理力學參數(shù)[16]

利用前面分析三種情況的公式得到，三種情況下臨界應(yīng)力排序見式（5）。

從式（5）可以看出，隨著煤與瓦斯突出向煤體深部進展，層裂煤體形狀不斷演化，利用自身的力學結(jié)構(gòu)來抵抗瓦斯動力的破壞已經(jīng)越來越弱。這個結(jié)論正好能夠說明上一節(jié)中“已經(jīng)發(fā)生過突出的地方，容易再次發(fā)生突出”這一問題。

4 結(jié)論

1）通過對煤與瓦斯突出物理模擬實驗殘留的煤樣研究發(fā)現(xiàn)，在突出過程中一般會依次產(chǎn)生三種形狀的層裂體：“）”型凹面體、“I”型平面體與“（”型凸面體。

2）通過分析，影響這種結(jié)構(gòu)形狀演化因素主要有地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體的物理力學性質(zhì)以及缸體圍巖的約束等。

3）煤體發(fā)生位移可以由三部分組成：第一部分是煤體彈性勢能的釋放膨脹形變和豎向應(yīng)力壓裂煤體的擴容等引起的位移；第二部分是由瓦斯壓力的推動；第三部分是約束和阻力阻礙位移的產(chǎn)生，一是缸體的圍巖和頂?shù)卒摪宓募s束，二是豎向地應(yīng)力在壓裂破壞時產(chǎn)生切向阻力，三是前方突出殘留煤體的阻擋。可以看出層裂煤體產(chǎn)生的位移是由這三部分動力和阻力共同作用的結(jié)果。

4）根據(jù)三種層裂體的形狀，分別建立了相應(yīng)的力學模型，經(jīng)計算得到如下結(jié)論：隨著突出進展，層裂狀煤體的結(jié)構(gòu)演化，其依靠自身結(jié)構(gòu)來抵抗破壞臨界值越來越低；據(jù)此結(jié)果進一步推論得出：隨著層裂煤體的演化，其所需破壞、突出的動力隨之減小，突出變得更加容易；隨著突出層裂體的陣面向深部擴展，層裂體的厚度逐漸變小，突出動力—瓦斯壓力逐漸變?nèi)酰滦纬傻膶恿洋w的抵抗力和瓦斯壓力平衡時，突出停止。

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