煤與瓦斯突出過程的壓力釋放效應機理研究

武 劍 ，楊雙鎖，路國運 ，孫 淼

（1.太原理工大學 礦業工程學院，2.太原理工大學 應用力學研究所，山西 太原 030024）

煤與瓦斯突出過程的壓力釋放效應機理研究

武 劍1，楊雙鎖1，路國運2，孫 淼1

（1.太原理工大學 礦業工程學院，2.太原理工大學 應用力學研究所，山西 太原 030024）

“瓦斯包”壓力的突然釋放是煤與瓦斯突出的重要原因。文章通過建立一個實體球模型來分析“瓦斯包”作用下的煤體破碎煤塊散射過程，從而得到一個能使模型破裂碎散的臨界瓦斯壓力值，希為控制煤與瓦斯的突出和消除碎煤塊的沖擊提供量化指標。

瓦斯包；煤與瓦斯突出；突然釋放；臨界值

煤與瓦斯突出[1～3]是煤礦生產中的極其復雜的動力沖擊現象,它能在極短的時間內由煤體向巷道或采場突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯,有時造成巨大的動力效應,是嚴重威脅煤礦安全生產的地質災害；也是影響煤礦安全生產、制約煤炭工業發展的世界性難題；隨著煤礦開采深度的不斷加大,這一災害日益嚴重。我國自1988年執行《防治煤與瓦斯突出細則》以來,經過技術攻關及“四位一體”綜合防突技術推廣，防治突出的整體水平得到較大提高，實踐和理論上有了相當大的進展，提出了地應力假說、瓦斯作用假說、化學本質假說、綜合作用假說等較典型的突出機理。其中，瓦斯作用假說[4]認為煤體內存儲的高瓦斯是突出中起主要作的因素，其中，“瓦斯包”說占有主要地位,它認為煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區域高得多的煤窩,即“瓦斯包“,其煤質松軟、孔隙與裂隙發育,且被透氣性差的煤或圍巖所包圍,因此具有較強的存儲瓦斯能力,隨著采掘工作面的不斷推進，煤體上方的支撐壓力開始重新分布，在外界工作環境的擾動下極易發生突出事故。為了降低這種事故的發生率，很多煤礦工作者經過探索采取了預抽瓦斯、鉆孔松動等措施，取得了一定的效果；但是迄今為止，對煤與瓦斯突出的控制理論還不完善，突出機理尚未完全掌握，仍未獲得一些定量指標來控制煤與瓦斯的突出。

本文為了形象地說明突出過程中壓力釋放導致煤巖體破碎的過程，采用一個球形實體在壓力突失后破裂碎散的理論模型，對煤巖體的壓力釋放效應進行研究，希望能夠得到一個能使模型破裂碎散的臨界瓦斯壓力值，從而為開采前瓦斯預抽力度的確定提供參考。為此針對煤的材料性質和突出過程中形成的孤立巨型煤塊所處的復雜應力狀態，建立了一個受力較為均勻的球形實體模型，來觀察突出過程中的的壓力釋放效應，并從力學的角度對高瓦斯礦井中含氣煤層的破裂機理進行了理論分析和數值模擬；這對進一步深入理解煤與瓦斯的突出機理、瓦斯抽放作用機制、并采取相應預防和控制措施、減少采煤業中類似礦難的發生等，都有重要的理論和實踐意義。

1 臨界壓力值的理論計算

對于突然卸載的載荷釋放效應,可用簡單的彈簧加卸載過程來說明，見圖1。彈簧度為kb，當作用在其上的力增大到N時,彈簧端部被壓至U1處,相應彈簧的壓縮應變能為E1=kb（-U1）2/2。此時如將作用力N突然移去，彈簧立即下彈，并發生振動。由于能量守恒，其下端瞬間最大位移可達平衡位置O點以下的U1處。也就是說，突然卸載的載荷效應，相當于將量值相同的荷載反向加到其上。與原加載不同的是，加載時彈簧承受的是壓應力，卸載時彈簧承受的是拉應力；而煤的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度，所以煤塊很容易產生拉伸破壞。

圖1 壓力突然釋放的卸載效應

煤礦生產過程中，隨著采掘工作面的不斷推進，當巷道揭穿“瓦斯包”時,原先處于較高圍壓下的煤體有一個面首先被揭露出來；此時，在地應力、解吸附[5]的瓦斯壓力工作環境的擾動下，該處煤體就很容易發生煤與瓦斯突出事故。突出過程中，隨著煤隙不斷張裂，煤體深處原先處于高應力區的部分也漸漸地被解除了束縛，一個較孤立的無約束巨型煤塊便隨之形成。根據能量守恒原理，伴隨著壓力的突然釋放，積聚在煤塊內的應變能突然釋放出來，巨型煤塊便在瞬間被瓦解開來，破碎后形成的小煤塊就會在慣性的作用下向工作面或巷道飛濺而去，從而形成煤與瓦斯突出事故。

為了更形象地描述突出過程中煤體開裂形成的孤立無約束巨型煤塊破碎散射的過程，根據煤塊破碎前所處的應力狀態建立了一個半徑為b的實體球模型，并在其外表施加均勻壓力p，使其在外力p作用下的球體應變能和未破碎前圍巖及瓦斯作用下的應變能相等。故有球體對稱問題的微分方程：

可得煤塊受的應力為

根據斷裂力學可知，固體煤塊在外力作用下，當其彈性應變能不斷增加，達到一定程度后，就在煤塊內形成裂紋或使裂紋不斷擴展，進而失穩破裂。其裂紋產生和擴展的能量全部來自于煤塊內儲存的彈性應變能。Y.Kanda等人[6]根據破碎力學研究超細磨礦時，將破碎能定義為：輸入到球形煤塊上達到瞬時破碎的彈性應變能；并推導得出了單位質量破碎能與強度的關系為

當煤塊受到均勻壓力p后，在其體內已聚集了式（4）所示的彈性應變能。如果將均勻壓力p突然釋放，則球體內將出現拉伸應力。因此，煤塊所受的應力只要達到材料的拉伸強度就會破壞。所以，式（6）中的強度S就可用材料的拉伸強度σt來代替，則式（6）變為

設積聚在煤塊內的彈性變形能在釋放時全部轉變為煤塊的破碎能，則有：U=U1

即有：

式（8）即為欲使煤塊在壓力突然釋放時得到破壞,需給予球形煤塊的均勻壓力p的表達式。

如果考慮強度隨體積的變化，即Griffith[8]給出的強度關系：

式中：σ0——單位體積試樣V0的拉伸強度；

m——材料的Weibull均勻性系數。

該式表明：使半徑為b的球形煤塊受壓釋放粉碎的壓力，只與煤塊材料的物理力學特性和幾何尺寸有關。

2 壓力釋放過程的數值模擬

為了驗證前述理論計算結果，為了更好模擬煤與瓦斯突出過程中壓力突然釋放導致煤塊破碎這一過程，我們仍用一個半徑為b的實體球模型為例根據理論計算時的已知尺寸和力學參數的煤塊受壓釋放破碎的臨界瓦斯壓力值p，并采用了氣體狀態方程來控制壓力在突然釋放過程中的變化，當釋放的彈性應變能達到煤塊的破壞極限時，煤塊便發生開裂破壞。計算還采用了光滑粒子單元以實現觀察煤塊散開的過程，從而更形象地描述突出過程中煤體開裂迸射的過程。煤塊模型見圖2。

圖2 實體球形煤塊模型

如前所述，煤體的突出是內應變能和內部瓦斯突出的帶動下才能產生的。這就要涉及到瓦斯解吸附過程，這一過程可用氣體狀態方程描述。我們用了一種類似瓦斯壓力突然釋放的加載方式——內部核心起爆（狀態方程與壓力釋放過程完全類似,起爆能量與壓力p作用下積聚的彈性應變能相等）來模擬內部瓦斯解吸附并突出的過程，獲得了很好的效果，能在后處理過程中展示一個較為形象的煤體破碎、煤塊飛濺的過程。計算的大概流程是先有一個起爆過程，以模擬壓力突然釋放這一效應，然后煤塊隨壓力有一個散開的過程。下述計算結果。

隨著壓力的突然釋放，模型外圍的單元，首先達到煤體的拉應力極限而發生局部失效，圖3為局部外圍單元體開始離散的過程。

圖3 初始局部失效模型

隨著模型的不斷剝離，模型中的單元體開始受力不均，應力也開始重新分布，因此，外圍單元的剝離需要一個時間過程，圖4為大部分的外圍單元開始失效的過程。

圖4 大范圍的失效模型

外圍單元在失效的同時，對內部單元的束縛也隨之消失；此時，內部單元在拉力的作用下也開始失效，而外圍單元由于慣性作用就會散射開來，散射瞬間見圖5。

隨著時間的推移，模型中的單元由外到內、一層一層地失效并剝離開來，最終完全開裂突涌迸射出來，見圖6。

所述模型較為成功地模擬了壓力突然釋放和瓦斯解吸附致使煤塊開裂粉碎的過程，展示了一個較為形象的煤體失效、煤塊飛濺的現象；既驗證了前面的理論計算結果，也為研究壓力突然釋放導致突出及突出過程中壓力釋放導致的煤體破裂煤塊迸射的原理，提供了有利的依據。

圖5 單元全部失敗狀況

圖6 煤塊碎裂迸射狀況

3結 論

掘進、開采過程中，由于煤體的開挖，“瓦斯包”外圍壓力的突然釋放是誘發煤與瓦斯突出的重要原因。突出過程中，“瓦斯包”內部壓力的釋放，致使煤體進一步開裂破碎迸射到巷道和工作面上。計算表明，使半徑為b的受壓球形煤塊壓力突釋粉碎破裂的壓力，只與煤塊的物理力學特性和幾何尺寸有關。根據含“瓦斯包”煤體的力學參數和幾何尺寸，可以算出能使該煤體發生破裂的臨界瓦斯壓力值p，進而采取預抽瓦斯或鉆孔松動等措施，適當地把瓦斯壓力控制到p以下，從而消除突出危害。卸載同加載一樣，同樣可使材料發生破壞，我們利用壓力釋放效應達到破煤目的，從而減小對開采設備的損害。合理運用所述效應可以適當控制煤塊的尺寸，減少開采過程中的煤塵產生，降低井下煤塵爆炸的事故率。

[1]朱連山.煤與瓦斯突出機理淺析[J].礦業安全與環保,2002,29（2）:1.

[2]張瑞超.煤與瓦斯突出的機理研究[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION,2008,21.

[3]王永祥,杜衛新.煤與瓦斯突出機理研究進展[J].煤炭技術,2008,27(8):1.

[4]成新龍,何新礦,白國基.能量守恒分析在防治煤與瓦斯突出中的研究[J].煤炭科學技術,2002,30（10）:52-55.

[5]Y.Kanda,Y.Abe,T.Hosoya,T.Honma.A consideration of ultrafine grinding based on experimental results of single particlecrushing[J].Powder technology,1989,58:137～143.

[6]A.A.Griffith，Phil.Trazls.RoySoe（Lond），A221（1920），163.

Study on The Pressure Release Effect Mechanism of Coal and Gas Outburst Process

WU Jian1，YANG Shuang-suo1，LU Guo-yun2，SUN Miao1
（1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China；2.Institute of Applied Mechanics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China）

Pressure of the“gaspocket”abruptly release is an important explanation for the mechanism of the coal and gas outburst,The current research will analyze the process of the coal breaking and cracking under“gas pocket”by building a physical sphere model,then get a critical value of gas pressure that makesthe model crack and scatter.Thiswill provide a quantitative indicator which controls the outburst and eliminatesthe shock failure of coal sheet.

gaspocket;coal and gasoutburst;abruptly release;critical value

TD713+.1

A

1672-5050（2010）02-0067-04

2009-11-20

武 劍（1985—），男，山西陽泉人，在讀碩士，主要從事礦山壓力與巖石力學研究。

劉新光