煤与瓦斯突出的动态过程研究一. 研究背景目前对煤与瓦斯突出机理的定性认识已经明确为地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质、重力等四方面因素综合作用的结果。

煤与瓦斯突出实质上是一种力学现象,在地应力作用下受压状态的含瓦斯煤层受开采的卸压扰动后有可能破坏,甚至流化而突出。

煤与瓦斯突出的预测、防治均是以这种定性的理论为基础的。

定量计算预测和判断煤与瓦斯突出发生与否的最大障碍在于对煤的力学性质及其灾变动力过程规律的研究还不够充分和完善。

比如,流变假说指出了煤与瓦斯突出过程与煤的流变性质密切相关,是煤与瓦斯突出机理研究的一个新方向。

但岩石力学目前对煤岩流变现象的研究还只建立在各种组合体模型的基础上,对流变本质还没有完全认识,从而限制了流变假说从定性上升为定量。

煤与瓦斯突出是一种复杂的力学现象,由于瓦斯参与作用,它比其它岩石力学现象更为复杂。

研究煤与瓦斯突出必须以煤岩的力学性质和其动力破坏过程为基础。

二.煤岩强度的讨论在岩石力学中,岩石强度被视为岩石的一个重要性质并成为岩石力学研究的主要内容之一。

岩石损伤力学与传统的岩石力学相比,最主要的区别在于将岩石强度为核心转为以损伤演化过程为中心,是思维方式的突破和发展。

根据煤岩无因次损伤演化方程及应力应变方程,对于力学性质相似的一类煤岩,应力峰值点的无因次应力L均相同,其强度大小取决于弹性模量和损伤耗能率。

表1为砂岩在不同围压下的损伤耗能率及强度。

强度与损伤耗能率关系曲线,由图1可知:强度随损伤耗能率的增大也呈增大趋势,但增大的幅度是先减小后增大,关系较为复杂,其原因是强度不仅仅是损伤耗能率的函数。

无因次分析表明:当本构方程中的几个指数相同时,力学性质是相似的,此时强度与损伤耗能率的j/(j+l)次方成正比j为指数,与弹性模型的1/（j+1)次方成正比。

试验结果则说明,不同围压下,指数j、l、m也发生变化,比如围压越大j越小,越接近于线性弹性;同时弹性模量也发生变化,所以使得强度与损伤耗能率为复杂的函数关系。

但无论怎样,随着围压的增大,损伤耗能率和强度同时随之增大的趋势是固定不变的。

图1强度与损伤耗能率关系曲线损伤消耗的机械能主要转换成岩石裂隙的表面能。

同一种材料,从无损状态变化到失去承载能力,其损伤从0增大到1,如果它在该过程中生成裂隙的总表面积越大,则其损伤耗能率必然越大。

在煤与瓦斯突出的研究中,煤的原始破坏程度是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素,这是由于原始破坏程度越高,煤体越破碎,如果突出过程中使煤的损伤由0演化到1,则显然相伤耗能率就越小,所以瓦斯突出所需地应力和瓦斯所做的功就越少,瓦斯就越容易突出。

上述分析表明,岩石强度与弹性模量的1/j次方成正比定量说明了强度与弹性模量的关系。

软岩与硬岩相比由于矿物颗粒间的粘结力小,其损伤耗能率就小。

软岩强度低的另外一个原因是其可变形性大,或者说当指数j相同时,弹性模量更小,其结果是当应力达到同样值时,外界对软岩做的功就更多,为损伤演化提供更多的能量。

可见软岩的弹性模量小不仅使其强度降低,而且使其更容易变形,变形越大,外界做功就越多,使软岩产生的损伤更大、变形更大。

在一定条件下,这种恶性循环无法终止使软岩巷道处于持续不断的变形之中。

综上所述,强度是岩石在损伤过程中对应于应力应变曲线的一个峰值点,是由损伤过程所决定的;损伤演化需要消耗机械能,需要应变的不断增大;同时损伤造成了弹性模量的减小,应变增大和弹性模量减小的综合结果使得应力随应变的增大趋势逐渐减小并在某一应变时出现极大值;三轴压缩过程中,围压增大将使损伤耗能率增大,从而使应力的峰值大、强度高。

对于拉伸及剪切破坏也可用损伤耗能率来解释。

当岩石拉伸破坏时,在一个主破裂面以外岩石产生的裂隙很少,损伤从0变化到1,生成裂隙的总表面积远远小于单轴压缩,因而造成了岩石拉伸破坏强度远远小于单轴压缩。

在一些剪切破坏试验中,在主破裂面附近的一定范围内形成小的破裂面,所以其损伤耗能率大于拉伸破坏,但在岩石的大部分区域只产生很少的裂隙,所以其损伤耗能率又小于单轴压缩或压缩,这就造成了剪切破坏强度大于拉伸破坏而小于压缩破坏。

三.煤与瓦斯突出模拟实验3.1真三轴煤与瓦斯突出模拟试验系统真三轴煤与瓦斯突出试验系统由三轴突出模拟试验装置、应力加载、数据采集、恒温、注气/真空等5个系统组成，如图2所示。

该试验系统可以模拟不同瓦斯压力、不同成型压力、不同温度和独立三轴应力荷载下的突出试验，通过数据采集系统实现对突出过程中应力、瓦斯压力变化的动态监测。

试验系统的核心是三轴突出模拟试验装置。

图2实验系统示意图3.2制样及传感器安装突出试验采用了与构造煤具有相似物理性质的型煤，煤样取自安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿10煤，取样后破碎筛选，选取粒径小于0．25mm的粉煤，煤样的基本参数见表2。

试验型煤在三轴突出模拟试验装置内加载成型，制作型煤水分添加比为6%，成型压力64MPa，保持时间不低于40min，根据模拟突出经验，试验可以得到类似于现场Ⅳ、Ⅴ类的突出煤，成型试件尺寸为250mm×250mm×240mm。

为精确监测煤体应力和瓦斯压力的动态变化，装样时在煤体中埋放前后2组应力和瓦斯压力传感器，2组传感器位置如图3所示。

其中，1号传感器距突出口50mm，2号传感器在1号传感器后方70mm，1、2号传感器在同一水平面上，距离试验腔右壁125mm，距煤体上表面100mm。

表2煤样的基本参数图3传感器位置示意图3.3试验方案为了对突出动态过程进行研究，在相同应力下，通过改变瓦斯压力进行了6组突出试验，编号1—6号。

依据现场监测煤柱荷载数据，典型的地下工作煤柱的轴压限制条件约为4MPa，常见的煤柱应力加载围压为0～10MPa。

因此，选定突出试验加载的构造应力、侧向应力和垂直应力分别为5．5、5.5、4.8MPa。

其中，构造应力是指平行于突出发展方向的水平应力，侧向应力是指垂直于突出发展方向的水平应力。

6组突出试验在恒温条件下进行，试验温度为25℃。

1—6号突出试验对应的瓦斯压力为0．25～0.50MPa，各组试验瓦斯压力梯度0．05MPa。

四.试验结果与分析4.1试验结果及突出强度特征依据试验方案开展突出试验，其中1—3号试验未发生明显的突出，4—6号试验均发生明显的突出。

根据突出的动力现象由强到弱，突出情况可分为抛出大量煤体的突出、剥离和无突出。

突出强度是指一次突出所抛出的煤(岩)量和喷出的瓦斯量，文中定义相对突出强度为突出煤量与试验总煤量的比值，煤与瓦斯突出模拟试验结果见表3。

表3煤与瓦斯突出模拟试验结果由表3可以发现，随着瓦斯压力的增大，突出的动力现象越来越强。

试验条件下，存在一个煤与瓦斯突出是否发生的瓦斯压力阈值，该阈值是0.35-0.40MPa。

瓦斯压力高于此阀值，突出发生，突出强度随瓦斯压力的增大而增大。

4.2抛出煤体的粒径分布特征利用套筛对4—6号试验抛出煤粉进行筛分，抛出煤体粒径分布见表4。

表4抛出煤体粒径分布分析表4发现，抛出煤体以小粒径的粉煤为主，粒径小于0．25mm的粉煤占60%以上。

随着瓦斯压力的增大抛出煤体的粉碎效果越明显，如当瓦斯压力由0．40MPa增到0．50MPa时，粒径小于0．25mm的煤体所占比例由63．89%增加到73．83%。

4.3抛出煤体的分布特征突出发生后，抛出煤体在水平地面上呈梭形条带分布，有明显被吹扫搬运痕迹，梭形的中部宽度大、两端小，条带与条带之间有明显的间隙。

将抛出煤体分布区域由近及远等分为近区、较近区、中区、较远区和远区等5个区域。

收集称重各分布区域的煤粉质量，获得抛出煤体的分布规律，见表5。

表5不同区域煤粉质量分布由表5可知，抛出煤体主要集中在远离突出口的区域，各组试验5个区域分布的抛出煤量大致呈现规律是:远区＞较远区＞中区＞较近区＞近区。

远区分布的抛出煤量最多，所占比例在30%以上;近区分布的煤量最少，所占比例在10%以下。

4.4突出孔洞及裂隙发育特征试验结束后，打开试验装置，清理表层煤体后，观察突出孔洞及裂隙发育特征，其中3号试验和4号试验突出孔洞及裂隙发育如图4所示。

由图4可知，未发生突出的试验，煤体几乎被完整保留下来。

一旦发生突出，煤体中会留下明显的突出孔洞，孔洞呈口小腔大的梨形，边缘呈弧形，内部仍残留有破碎煤块。

孔洞后方煤体分布着大量弧状裂隙，将煤体分割成具有一定厚度的煤片。

越靠近突出孔洞的煤体破碎程度越高，孔洞边缘附近煤体多为碎煤块。

图4突出孔洞及裂隙发育特征4.5应力、瓦斯压力动态变化特征通过预先布置在煤体内部的传感器监测突出过程中应力和瓦斯压力的动态变化，其中，5号试验应力和瓦斯压力的动态变化如图5所示。

从图5可以看出，煤与瓦斯突出是一个快速发展的动态过程。

图55号试验煤体应力、瓦斯压力动态变化特征过程中应力和瓦斯压力快速变化，表现为1号位置的应力短时间内由4．8MPa 下降到0，瓦斯压力从0．45MPa下降到0。

瓦斯压力的快速下降，在暴露面两侧形成了高瓦斯压力梯度。

1号位置数据变化要先于2号位置，说明突出是一个迅速向煤体内部发展的过程。

由于突出试验采用的加载系统为刚性压力机，当承压板承受压力快速下降时，压力机会自动停止加载，因此在试验的后期，应力对突出的发展不起作用，煤体的失稳破坏主要是瓦斯压力的作用结果。

五.煤与瓦斯突出过程的分析煤与瓦斯突出是有强烈时间效应的动态力学过程。

将煤与瓦斯突出的动态过程划分为孕育、激发、发展、终止以及抛出5个阶段进行研究，动态演化过程如图6所示。

图6煤与瓦斯突出的动态演化过程突出的孕育阶段，各种有利于突出发生的条件不断积累，煤岩体发生准静态的变形破坏，逐渐达到突出临界条件，从瓦斯角度，突出是否发生存在瓦斯压力阈值，高于该阈值，即可能诱发突出。

达到突出临界条件，突然卸载，煤岩体准静态条件发生改变，激发突出，形成初始暴露面。

根据突出孔洞及裂隙发育特征和煤体应力及瓦斯压力的动态变化特征，突出发展的动态过程可以描述如下:突出激发后，初始暴露面两侧存在着高瓦斯压力梯度。

在高瓦斯压力梯度的作用下，煤体发生拉伸破坏，产生裂隙。

吸附瓦斯的解吸补充了因为裂隙体积增大而导致的瓦斯压力降低，裂隙内的瓦斯压力基本保持恒定。

裂隙沿着最大瓦斯压力梯度方向扩展，形成弧状裂隙，将煤体分割成具有一定厚度的球壳状煤片。

吸附瓦斯进一步解吸，煤片发生破断成煤块，高压瓦斯由煤块间的裂隙向外涌出并形成强大的瓦斯流。

在瓦斯流的作用下，破碎煤块发生剥离并获得运动速度抛向外部空间。

前方煤体失稳抛出后，后方煤体接替进入失稳破坏的动态过程，突出逐渐向煤体内部发展。

随着瓦斯的逸散、瓦斯压力的降低，剩余的瓦斯不足以维持突出的继续进行，突出终止。

根据抛出煤体的分布特征以及对比抛出煤体和孔洞内残留煤块的粒径特征，煤块剥离后，在瓦斯流的搬运、携带下获得运动速度被抛向远方。