煤与瓦斯突出多因素影响规律与能量判据实验研究

王 伟, 王汉鹏, 张 冰, 徐 飞

(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心, 山东 济南 250061; 2. 山东大学 齐鲁交通学院, 山东 济南 250061; 3. 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所, 河北 石家庄 050043)

随着煤炭开采不断走向深部,煤层瓦斯的含量及压力均显著增大,导致煤与瓦斯突出发生的频率及强度不断增加,煤与瓦斯突出已成为影响煤矿安全生产的重大灾害[1-4].

煤与瓦斯突出过程涉及多场多相赋存、瓦斯吸附解吸、煤岩动力破坏及多物理场时空演化等过程,作用机理非常复杂[5-6].文献[7]提到了26个可能影响煤与瓦斯突出的因素,如煤岩物理力学性质、煤层厚度、煤层埋藏深度、瓦斯含量、瓦斯压力、地应力、构造应力、地下水和地质构造等.目前广大学者普遍认可综合作用假说及CSIRO模型,并针对综合作用假说中涉及的瓦斯压力、地应力及煤体强度等突出关键因素开展了深入研究[8-9].在瓦斯压力方面:文献[10]认为吸附瓦斯量越多,突出持续时间越长;文献[11]认为突出发生前瓦斯解吸量呈指数增长,瓦斯膨胀能迅速积聚,当达到相应能量阈值时发生突出;文献[12]认为突出过程中瓦斯膨胀能快速释放形成的反向卸载应力波和高瓦斯压力梯度,将对煤体产生张拉效应,加剧煤体破坏.在地应力方面:文献[13]认为主应力越大,突出强度及突出煤体的分离度越大;文献[14]认为巷道走向平行于最大主应力方向,可降低突出风险;文献[15]认为随着地应力的增加,煤体瓦斯释放量增加1～2.4倍,并呈周期性变化.在煤体强度方面:文献[16]认为煤体强度越低,瓦斯吸附能力越强,瓦斯解吸速度越快,突出风险越高;文献[17]认为煤体强度越高,突出阻碍作用越明显,突出强度越低;文献[18]认为煤层强度越低,发生突出的临界瓦斯压力越小.

从能量角度分析,煤与瓦斯突出的本质是由于“煤-瓦斯-围岩”系统的能量平衡状态被打破,为寻求新的能量平衡而发生的剧烈能量转换.因此,基于上述煤与瓦斯突出多因素影响规律,建立多因素突出能量模型,试图从能量角度分析煤与瓦斯突出多因素演化过程.文献[19]认为突出影响范围内的煤体弹性能W1与瓦斯膨胀能W2为突出主要能量来源,煤体破碎功A1与抛出功A2为主要能量耗散方式.文献[20]根据试验结果建立了煤体弹性势能和瓦斯膨胀能的计算方法,文献[21]提出了突出煤体破碎功和瓦斯膨胀能计算公式,并建立了突出强度能量评价模型,文献[22]通过分析多种因素对初始释放瓦斯膨胀能的影响,提出了初始释放瓦斯膨胀能计算方法,文献[23]从能量角度对软硬组合煤体的突出失稳进行了定量描述.

综上所述,针对煤与瓦斯突出过程单一因素影响规律的研究及突出能量模型的建立取得了较大进展,但仍缺乏对突出过程多因素耦合影响规律及综合性突出判据的系统性定量研究.为此,本文利用煤与瓦斯突出模拟系统开展了多组含瓦斯煤快速揭露致突模拟试验,获得了12组不同轴向应力、煤体强度及其突出临界瓦斯压力条件下的突出现象及数据,从能量角度分析了轴向应力、煤体强度及瓦斯压力的耦合影响规律,并基于煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体强度、煤体密度等因素,建立了反映煤与瓦斯突出临界条件的综合性突出能量判据.

1 突出模拟试验方案

1.1 试验系统

自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统主要包括密封加载腔体、快速揭露机构、面式充填加载板、万向节、油缸、液压站、气体充填单元及信息采集单元[24],如图1所示.

图1 煤与瓦斯突出物理模拟试验系统

密封加载腔体为试验系统的主体部分,用于形成煤体气固耦合赋存环境:其前部安装用于快速揭露煤体诱导致突的快速揭露机构;其后部安装用于瓦斯均匀充填的面式充填加载板,并通过万向节与油缸连接.气体充填单元与密封加载腔体连通,用于抽真空及高压瓦斯充填.液压站与油缸连接,为其提供用于轴向应力加载的高压油.信息采集单元包括高速摄像机及3个采集频率为1 000 Hz的气压传感器,用于实现突出瞬态过程高速摄像及瓦斯压力高频采集.试验系统技术指标如表1所示.

表1 突出模拟试验系统主要技术指标

1.2 含瓦斯煤相似材料

利用课题组自主研发的含瓦斯煤相似材料开展突出模拟试验,该材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,通过15 MPa轴向力压制成型.试验表明该材料的密度、孔隙率及吸附解吸特性均与原煤相似,抗压强度0.5～2.8 MPa可调[25].按此方法制作3组强度分别为0.5,1.0,1.5 MPa的试件,编号备用.对应制作相应强度的标准试件开展相关基础试验,试件的物理力学参数如表2所示.

表2 试件的物理力学参数实测平均值

1.3 试验过程

模拟试验轴向应力分别为5,10,15,20 MPa,煤体强度分别为0.5,1.0,1.5 MPa,二者对应组合开展试验,获取不同煤体强度及轴向应力条件下的突出临界瓦斯压力.

首先开展20 MPa轴向应力、0.5 MPa煤体强度及0.05 MPa瓦斯压力条件下的模拟试验,如果发生突出,将0.05 MPa视为该轴向应力及煤体强度条件下的突出临界瓦斯压力.如果不发生突出,依次更换相同强度煤体试件,加载相同轴向应力,并递增0.05 MPa瓦斯压力开展试验,直至发生突出现象,获取该条件下的突出临界瓦斯压力及其相关试验结果.保持轴向应力为20 MPa,依次调整煤体强度为1.0,1.5 MPa,按照上述流程依次开展试验,并将上一组试验获取的突出临界瓦斯压力作为下一组试验的首次充填瓦斯压力,获取不同条件下的突出临界瓦斯压力及其相关试验结果.按照上述流程依次开展15,10,5 MPa轴向应力及其对应不同煤体强度条件下的突出模拟试验,并将较大轴向应力及相同煤体强度条件下的突出临界瓦斯压力作为首次充填瓦斯压力,获取突出临界瓦斯压力及其相关试验结果.如果首次充填瓦斯压力条件下便发生突出,则递减0.05 MPa瓦斯压力开展试验,从而获取准确的突出临界瓦斯压力.

具体试验流程如图2所示.试验过程中获取瓦斯压力、突出煤粉质量、突出煤粉瞬时速度和突出煤粉平均粒径等参数用于后期分析.其中突出煤粉质量取煤体总质量与剩余煤体质量的差值;利用高速录像获取突出煤粉到达指定距离L所用时间t,突出煤粉平均速度为v=L/t;突出煤粉平均粒径利用斯克拉姆塔耶夫平均粒径公式求得:

Da=

(1)

式中:Da为平均粒径,mm;G1,G2,G3,G4,G5分别为0.15,0.30,0.60,1.20,2.50 mm各级筛的剩余质量;G为突出煤粉总质量.

图2 煤与瓦斯突出模拟试验流程

2 突出模拟试验结果

根据上述方案开展模拟试验,轴向应力、煤体强度及获取的突出临界瓦斯压力如表3所示,其中Ⅰ-1及Ⅲ-1组模拟试验的突出强度明显低于其余10组.为方便对比分析,将这两组试验视为小型突出,其余10组试验视为剧烈突出.

表3 不同模拟条件下突出临界瓦斯压力

2.1 模拟试验突出现象

模拟试验突出现象如图3所示.发生剧烈突出的模拟试验出现剧烈动力现象,突出持续时间约为0.7 s,大颗粒煤粉明显处于突出气流下部,在气流推力和重力作用下形成分选现象,剧烈突出瞬间的整体试验现象及突出口处试验现象如图3a,图3b所示.发生小型突出的模拟试验出现微弱动力现象,突出煤量及突出距离明显小于剧烈突出,并发出微弱的气体泄露声响,小型突出瞬间的突出口处试验现象如图3c所示.

2.2 煤体破坏特征

煤体破坏特征如图4所示.未发生突出的煤体破裂成大块,且揭露端产生微弱拉裂纹,如图4a所示.发生小型突出的煤体形成口大腔小的突出孔洞,如图4b所示.发生剧烈突出的煤体形成口大腔小、口小腔大、沿轴线、偏离轴线等多类孔洞形状,如图4c所示.当突出过程能量积聚相对较小时,煤体破碎及抛出能量不足,在突出孔洞边缘残留部分煤体,阻碍煤体进一步破裂抛出,形成口大腔小的突出孔洞.当突出过程能量积聚相对较大时,裂纹扩展范围及煤体抛出范围逐渐增大,突出孔洞逐渐变宽,从而形成口小腔大的突出孔洞[26].当突出孕育阶段煤体发生不均匀破坏时,突出发展阶段的破坏阵面主要沿轴线方向发展,但又偏向于选择强度最低的区域,使突出扩展方向偏离轴线.

图3 煤与瓦斯突出模拟试验现象

图4 煤体破坏特征

2.3 气压变化规律

突出过程瓦斯压力变化规律如图5所示.选取12组突出模拟试验中1号气压传感器的瓦斯压力数据进行分析,不同瓦斯压力曲线的初始降低点之间设置时间差,如图5a所示.发生剧烈突出的试验,瓦斯压力均在突出发生约0.6 s后下降至0.12～0.16 MPa,此类突出过程中煤体剧烈破坏,渗透率急剧增大,瓦斯迅速涌出,瓦斯压力快速下降.突出发生后残余煤体的吸附瓦斯持续解吸放散,使突出后的残余瓦斯压力仍略高于大气压力.当煤粉突出速度达到突出孔洞的临界运动状态时,瓦斯压力突然增高.发生小型突出的两组试验,瓦斯压力在突出发生7～8 s后下降至约0.25～0.35 MPa,此类突出过程中煤体的破坏程度相对较低,渗透率相对较小,瓦斯压力下降相对缓慢.

图5 突出过程瓦斯压力变化规律

在Ⅱ-1组模拟试验中,3个气压传感器获取的瓦斯压力曲线如图5b所示.突出发生前,瓦斯压力保持稳定;突出发生后,1～3号传感器处的瓦斯压力依次下降,且瓦斯压力曲线斜率依次减小,表明破坏阵面由煤体前部逐渐向后部非稳定推进,突出强度逐渐衰减.突出孔洞尺寸实测形状如图5c所示,破坏阵面未发展至3号传感器位置,该处煤体相对完整,渗透率相对较低,该处瓦斯压力缓慢下降,变化趋势明显不同于另外2处.在突出发生、发展、高潮及终止过程中,1号及2号传感器处的瓦斯压力可分为高压瓦斯快速涌出阶段及残余瓦斯缓慢释放阶段,瓦斯压力先剧烈降至残余瓦斯压力,然后缓慢降至大气压力.

3 煤与瓦斯突出能量分析

3.1 多因素耦合影响规律

突出临界瓦斯压力变化规律如图6所示,突出临界瓦斯压力随煤体强度的增加而增大,随轴向应力的减小而增大.以临界瓦斯压力为指标,分析可知,突出危险性随煤体强度的增加而减小,随轴向应力的增加而增大.在Ⅰ-1,Ⅰ-2,Ⅱ-1试验中, 突出临界瓦斯压力分别为0.65, 0.70,0.70 MPa,表明在较低的煤体强度及较高的轴向应力组合条件下,瓦斯压力低于0.74 MPa,存在发生煤与瓦斯突出的危险.

图6 突出临界瓦斯压力变化规律

为进一步研究突出临界瓦斯压力的变化机制,针对模拟试验发生突出的能量条件进行分析.能量条件是突出激发与发展的必要条件,可反映弹性模量、泊松比、孔隙率等多种因素的耦合作用结果,对研究突出机理具有重要意义[27-28].

从能量角度分析,煤与瓦斯突出是由于采掘工作面前方煤岩体内能量积聚到一定程度后,原有能量平衡状态被打破而造成能量迅速释放,可将煤岩体内积聚的能量称为突出潜能,突出过程迅速释放的能量称为突出耗能.前人建立的突出能量模型通常将煤体弹性能、瓦斯膨胀能视为突出潜能,将煤体破碎功和抛出功视为突出耗能.为方便研究,提出以下假设:含瓦斯煤体为连续介质,物理力学性质具有均匀各向同性;含瓦斯煤体应力状态符合极限应力平衡条件,且破坏符合库仑准则;煤体中的瓦斯压力分布符合均质煤层径向稳定流条件;瓦斯解吸为瞬态过程,解吸过程不做功,且瓦斯膨胀为绝热过程.综合考虑上述假设与前人[19，21，29-32]提出的突出能量计算方法,将突出能量模型表示为:

(2)

上述能量模型没有将煤矿现场地震、断层滑移、顶板破断、施工爆破等能量巨大、发生突然的扰动能量作为突出潜能,因此上述能量模型不适用于扰动能量诱发的煤与瓦斯突出.

突出潜能与突出耗能之比如图7所示.按照式(2)所述的突出能量模型求得的突出潜能均略大于突出耗能,这是由于本文采用的突出能量模型忽略了煤体摩擦、振动、发热、声发射等各种能量耗散方式.在剧烈突出试验中,突出潜能与突出耗能之比为1.08～1.18;在小型突出模拟试验中,突出潜能与突出耗能之比明显小于剧烈突出试验,Ⅰ-1及Ⅲ-1组试验中突出潜能与突出耗能之比分别为1.03和1.01,由此验证了能量条件对发生剧烈煤与瓦斯突出的必要性.按照上述突出能量模型,只有突出潜能与突出耗能之比达到一定值时,才可能发生剧烈突出.当地应力保持不变,即煤体弹性能不变,煤体强度越高,突出过程中煤体破碎所需能量越大,突出发生所需瓦斯膨胀能亦相应增大,从能量角度分析得出突出临界瓦斯压力随煤体强度的增加而增大.

图7 突出潜能与突出耗能之比

各部分突出潜能所占比例如图8所示.突出潜能中煤体弹性能所占比例为2.7%～55.4%,煤体弹性能所占比例随着轴向应力的减小而降低.当煤体强度保持不变时,即突出所需耗能不变,轴向应力越小,煤体内积聚的弹性能越小,此时突出激发所需的瓦斯膨胀能相应增大,从能量角度分析可知突出临界瓦斯压力随轴向应力的减小而增大.

图8 各部分突出潜能所占比例

3.2 突出能量判据

图9 无量纲参数统计分析

10组剧烈突出的坐标点均位于一条直线附近,而2组小型突出的坐标点明显位于该直线下方.12组模拟试验均是在不同地应力、煤体强度及其突出临界瓦斯压力组合条件开展的,由此可将10组剧烈突出坐标点的拟合直线视为发生剧烈煤与瓦斯突出的临界判据.将拟合直线转化为式(3)形式,公式左侧为突出能量判据指标.当判据指标大于1时,将发生剧烈突出;当判据指标小于1时,将发生小型突出或者不发生突出.

(3)

上述无量纲形式的突出能量判据由模拟试验得出,现场使用时需针对实际工况进行修正,从而对煤层突出危险性进行评价,为煤与瓦斯突出预测预警提供借鉴.

3.3 突出判据指标变化规律

选取Ⅰ-1组模拟试验相关参数为初始值,按一定比例依次改变煤体强度、地应力及瓦斯压力,将改变后的试验参数代入式(3),计算该条件下的突出能量判据指标.突出关键因素对突出判据指标的影响如图10所示.

由图10可知,初始参数下Ⅰ-1组模拟试验突出能量判据指标小于1,所以只发生了小型突出,动力现象不明显.当轴向应力增大21.6%、瓦斯压力增大5.5%或煤体强度降低6.7%时,能量判据指标将达到1,发生剧烈突出.由此可得,瓦斯压力及轴向应力越大,煤体强度越小,突出危险性越高;以突出能量判据指标的变化量为衡量指标,三大突出关键因素对突出危险性的影响重要程度排序为:瓦斯压力>煤体强度>轴向应力.

图10 突出关键因素对突出判据指标的影响

4 结 论

1) 利用煤与瓦斯突出模拟试验系统开展了多组受载吸附瓦斯煤体快速揭露致突模拟试验,获得了12组不同的轴向应力、煤体强度及其突出临界瓦斯压力条件下的突出现象及数据.基于试验数据及突出能量模型,从能量角度分析了突出临界瓦斯压力与煤体强度呈正相关、与轴向应力呈负相关,并验证了能量条件对突出激发的必要性.

2) 基于12组突出模拟试验,选取煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体强度及密度等参量建立了两个综合考虑多种影响因素的无量纲参数,拟合得出了发生剧烈突出的临界能量判据公式.当判据指标小于1时,将不发生突出或发生小型突出;当判据指标大于1时,将发生剧烈突出.利用临界能量判据定量分析得出:瓦斯压力及轴向应力越大,煤体强度越小,突出危险性越高,各因素对煤与瓦斯突出危险性的影响程度由高到低依次为瓦斯压力、煤体强度、轴向应力.