煤与瓦斯突出过程的压力释放效应机理研究

武 剑 ，杨双锁，路国运 ，孙 淼

（1.太原理工大学 矿业工程学院，2.太原理工大学 应用力学研究所，山西 太原 030024）

煤与瓦斯突出过程的压力释放效应机理研究

武 剑1，杨双锁1，路国运2，孙 淼1

（1.太原理工大学 矿业工程学院，2.太原理工大学 应用力学研究所，山西 太原 030024）

“瓦斯包”压力的突然释放是煤与瓦斯突出的重要原因。文章通过建立一个实体球模型来分析“瓦斯包”作用下的煤体破碎煤块散射过程，从而得到一个能使模型破裂碎散的临界瓦斯压力值，希为控制煤与瓦斯的突出和消除碎煤块的冲击提供量化指标。

瓦斯包；煤与瓦斯突出；突然释放；临界值

煤与瓦斯突出[1～3]是煤矿生产中的极其复杂的动力冲击现象,它能在极短的时间内由煤体向巷道或采场突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯,有时造成巨大的动力效应,是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害；也是影响煤矿安全生产、制约煤炭工业发展的世界性难题；随着煤矿开采深度的不断加大,这一灾害日益严重。我国自1988年执行《防治煤与瓦斯突出细则》以来,经过技术攻关及“四位一体”综合防突技术推广，防治突出的整体水平得到较大提高，实践和理论上有了相当大的进展，提出了地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说、综合作用假说等较典型的突出机理。其中，瓦斯作用假说[4]认为煤体内存储的高瓦斯是突出中起主要作的因素，其中，“瓦斯包”说占有主要地位,它认为煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝,即“瓦斯包“,其煤质松软、孔隙与裂隙发育,且被透气性差的煤或围岩所包围,因此具有较强的存储瓦斯能力,随着采掘工作面的不断推进，煤体上方的支撑压力开始重新分布，在外界工作环境的扰动下极易发生突出事故。为了降低这种事故的发生率，很多煤矿工作者经过探索采取了预抽瓦斯、钻孔松动等措施，取得了一定的效果；但是迄今为止，对煤与瓦斯突出的控制理论还不完善，突出机理尚未完全掌握，仍未获得一些定量指标来控制煤与瓦斯的突出。

本文为了形象地说明突出过程中压力释放导致煤岩体破碎的过程，采用一个球形实体在压力突失后破裂碎散的理论模型，对煤岩体的压力释放效应进行研究，希望能够得到一个能使模型破裂碎散的临界瓦斯压力值，从而为开采前瓦斯预抽力度的确定提供参考。为此针对煤的材料性质和突出过程中形成的孤立巨型煤块所处的复杂应力状态，建立了一个受力较为均匀的球形实体模型，来观察突出过程中的的压力释放效应，并从力学的角度对高瓦斯矿井中含气煤层的破裂机理进行了理论分析和数值模拟；这对进一步深入理解煤与瓦斯的突出机理、瓦斯抽放作用机制、并采取相应预防和控制措施、减少采煤业中类似矿难的发生等，都有重要的理论和实践意义。

1 临界压力值的理论计算

对于突然卸载的载荷释放效应,可用简单的弹簧加卸载过程来说明，见图1。弹簧度为kb，当作用在其上的力增大到N时,弹簧端部被压至U1处,相应弹簧的压缩应变能为E1=kb（-U1）2/2。此时如将作用力N突然移去，弹簧立即下弹，并发生振动。由于能量守恒，其下端瞬间最大位移可达平衡位置O点以下的U1处。也就是说，突然卸载的载荷效应，相当于将量值相同的荷载反向加到其上。与原加载不同的是，加载时弹簧承受的是压应力，卸载时弹簧承受的是拉应力；而煤的抗拉强度远远低于其抗压强度，所以煤块很容易产生拉伸破坏。

图1 压力突然释放的卸载效应

煤矿生产过程中，随着采掘工作面的不断推进，当巷道揭穿“瓦斯包”时,原先处于较高围压下的煤体有一个面首先被揭露出来；此时，在地应力、解吸附[5]的瓦斯压力工作环境的扰动下，该处煤体就很容易发生煤与瓦斯突出事故。突出过程中，随着煤隙不断张裂，煤体深处原先处于高应力区的部分也渐渐地被解除了束缚，一个较孤立的无约束巨型煤块便随之形成。根据能量守恒原理，伴随着压力的突然释放，积聚在煤块内的应变能突然释放出来，巨型煤块便在瞬间被瓦解开来，破碎后形成的小煤块就会在惯性的作用下向工作面或巷道飞溅而去，从而形成煤与瓦斯突出事故。

为了更形象地描述突出过程中煤体开裂形成的孤立无约束巨型煤块破碎散射的过程，根据煤块破碎前所处的应力状态建立了一个半径为b的实体球模型，并在其外表施加均匀压力p，使其在外力p作用下的球体应变能和未破碎前围岩及瓦斯作用下的应变能相等。故有球体对称问题的微分方程：

可得煤块受的应力为

根据断裂力学可知，固体煤块在外力作用下，当其弹性应变能不断增加，达到一定程度后，就在煤块内形成裂纹或使裂纹不断扩展，进而失稳破裂。其裂纹产生和扩展的能量全部来自于煤块内储存的弹性应变能。Y.Kanda等人[6]根据破碎力学研究超细磨矿时，将破碎能定义为：输入到球形煤块上达到瞬时破碎的弹性应变能；并推导得出了单位质量破碎能与强度的关系为

当煤块受到均匀压力p后，在其体内已聚集了式（4）所示的弹性应变能。如果将均匀压力p突然释放，则球体内将出现拉伸应力。因此，煤块所受的应力只要达到材料的拉伸强度就会破坏。所以，式（6）中的强度S就可用材料的拉伸强度σt来代替，则式（6）变为

设积聚在煤块内的弹性变形能在释放时全部转变为煤块的破碎能，则有：U=U1

即有：

式（8）即为欲使煤块在压力突然释放时得到破坏,需给予球形煤块的均匀压力p的表达式。

如果考虑强度随体积的变化，即Griffith[8]给出的强度关系：

式中：σ0——单位体积试样V0的拉伸强度；

m——材料的Weibull均匀性系数。

该式表明：使半径为b的球形煤块受压释放粉碎的压力，只与煤块材料的物理力学特性和几何尺寸有关。

2 压力释放过程的数值模拟

为了验证前述理论计算结果，为了更好模拟煤与瓦斯突出过程中压力突然释放导致煤块破碎这一过程，我们仍用一个半径为b的实体球模型为例根据理论计算时的已知尺寸和力学参数的煤块受压释放破碎的临界瓦斯压力值p，并采用了气体状态方程来控制压力在突然释放过程中的变化，当释放的弹性应变能达到煤块的破坏极限时，煤块便发生开裂破坏。计算还采用了光滑粒子单元以实现观察煤块散开的过程，从而更形象地描述突出过程中煤体开裂迸射的过程。煤块模型见图2。

图2 实体球形煤块模型

如前所述，煤体的突出是内应变能和内部瓦斯突出的带动下才能产生的。这就要涉及到瓦斯解吸附过程，这一过程可用气体状态方程描述。我们用了一种类似瓦斯压力突然释放的加载方式——内部核心起爆（状态方程与压力释放过程完全类似,起爆能量与压力p作用下积聚的弹性应变能相等）来模拟内部瓦斯解吸附并突出的过程，获得了很好的效果，能在后处理过程中展示一个较为形象的煤体破碎、煤块飞溅的过程。计算的大概流程是先有一个起爆过程，以模拟压力突然释放这一效应，然后煤块随压力有一个散开的过程。下述计算结果。

随着压力的突然释放，模型外围的单元，首先达到煤体的拉应力极限而发生局部失效，图3为局部外围单元体开始离散的过程。

图3 初始局部失效模型

随着模型的不断剥离，模型中的单元体开始受力不均，应力也开始重新分布，因此，外围单元的剥离需要一个时间过程，图4为大部分的外围单元开始失效的过程。

图4 大范围的失效模型

外围单元在失效的同时，对内部单元的束缚也随之消失；此时，内部单元在拉力的作用下也开始失效，而外围单元由于惯性作用就会散射开来，散射瞬间见图5。

随着时间的推移，模型中的单元由外到内、一层一层地失效并剥离开来，最终完全开裂突涌迸射出来，见图6。

所述模型较为成功地模拟了压力突然释放和瓦斯解吸附致使煤块开裂粉碎的过程，展示了一个较为形象的煤体失效、煤块飞溅的现象；既验证了前面的理论计算结果，也为研究压力突然释放导致突出及突出过程中压力释放导致的煤体破裂煤块迸射的原理，提供了有利的依据。

图5 单元全部失败状况

图6 煤块碎裂迸射状况

3结 论

掘进、开采过程中，由于煤体的开挖，“瓦斯包”外围压力的突然释放是诱发煤与瓦斯突出的重要原因。突出过程中，“瓦斯包”内部压力的释放，致使煤体进一步开裂破碎迸射到巷道和工作面上。计算表明，使半径为b的受压球形煤块压力突释粉碎破裂的压力，只与煤块的物理力学特性和几何尺寸有关。根据含“瓦斯包”煤体的力学参数和几何尺寸，可以算出能使该煤体发生破裂的临界瓦斯压力值p，进而采取预抽瓦斯或钻孔松动等措施，适当地把瓦斯压力控制到p以下，从而消除突出危害。卸载同加载一样，同样可使材料发生破坏，我们利用压力释放效应达到破煤目的，从而减小对开采设备的损害。合理运用所述效应可以适当控制煤块的尺寸，减少开采过程中的煤尘产生，降低井下煤尘爆炸的事故率。

[1]朱连山.煤与瓦斯突出机理浅析[J].矿业安全与环保,2002,29（2）:1.

[2]张瑞超.煤与瓦斯突出的机理研究[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION,2008,21.

[3]王永祥,杜卫新.煤与瓦斯突出机理研究进展[J].煤炭技术,2008,27(8):1.

[4]成新龙,何新矿,白国基.能量守恒分析在防治煤与瓦斯突出中的研究[J].煤炭科学技术,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 剑（1985—），男，山西阳泉人，在读硕士，主要从事矿山压力与岩石力学研究。

刘新光