石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究.pdf

中南大学 博士学位论文 石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究 姓名谢雄刚 申请学位级别博士 专业安全技术及工程 指导教师冯涛 20100301 摘要 煤与瓦斯突出是指在压力作用下，煤矿井下采掘过程中破碎的煤 和瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出的一种动力现象。它是煤矿 生产中所面临的一种主要的瓦斯灾害。 石门揭煤过程煤与瓦斯突出危险程度高、强度大。随着煤矿往深 部开采，我国现有石门揭煤防突措施较难通过超前抽排放瓦斯达到减 少煤层瓦斯含量和降低煤层瓦斯压力而有效防突。本论文针对我国现 有防突技术的优缺点，根据石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理、煤层注 水工艺过程和人工土冻结技术应用实践，提出了石门揭煤注液冻结防 突方法，在理论分析、实验研究和数值模拟的基础上，对该方法的理 论基础和技术的可行性进行了深入研究，其主要研究内容和成果如 下 1 石门揭煤过程煤与瓦斯突出的动力能量主要由弹性应变能和 瓦斯膨胀能组成。瓦斯突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能。根据煤 与瓦斯突出能量平衡式，石门揭煤过程瓦斯突出发生与否主要取决于 瓦斯突出动力源与突出消耗能在动态酝酿过程中能否保持平衡。瓦斯 突出能量量变或者突变到某临界能量值，其大于瓦斯流突破裂隙角联 通道所需的消耗能量，瓦斯突出就能瞬时或者延时发生； 2 石门揭煤工作面待揭的突出煤层注水冻结后，将从增加突出 煤层瓦斯吸附量V 、降低突出煤层瓦斯压力P 、降低突出煤层瓦斯放 散初速度A p 、提高突出煤层力学性能、降低卸压区瓦斯突出危险性 等方面有效防突； 3 用改造后的W Y - 9 8 A 吸附常数测定仪，首次获取了低温条件 下 T F U 对于石门揭煤W Q F U 式中w 一煤的变形潜能； 蝴板岩石的动能； Q 一煤内游离瓦斯所含的内能； F _ 煤向巷道的移动功； U 一煤的破碎功。 ②激发突出的第二条件是V p V x 式中V r 煤的破碎速度； V x 一煤裂隙中瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。 ③激发突出的第三条件，它要求在煤破碎完成之前瓦斯压力应大于比已破 煤的抛出阻力。 测试与计算表明，在瓦斯矿井激发突出的第二与第三条件实际上总是可以 满足的，因此，能否满足第一条件便成为发生突出的主要而必需的条件。霍多 特认为，只有当煤中的应力状态突然改变时，煤层可能产生高速破碎，下述原 6 博士学位论文第一章绪论 因可以引起煤中应力状态突然改变 a 、煤中坚硬区段或坚硬包裹体的承载能力以脆性破碎的形式消失了； b 、围岩作用于煤层的动载荷； C 、放炮落煤时，巷道迅速进人煤层； d 、放炮揭开煤层。 进入2 0 世纪8 0 年代，突出机理的研究有了新的发展。1 9 8 9 年余楚新建立 了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。19 9 0 年周世宁和何学秋提出了流变假说 [ 2 0 - 2 2 ] ，认为煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后地应力与孔隙瓦斯气体耦合 的一种流变过程。1 9 9 0 年周世宁研究了瓦斯在煤层中流动的机理，认为瓦斯在 孔隙结构中的流动主要是扩散，符合菲克定律，在煤层裂隙系统的流动属于渗 流，符合达西定律f 2 3 1 。1 9 9 5 年梁冰和章梦涛提出固流耦合理论。1 9 9 5 年蒋承林 和俞启香提出地壳失稳假说，认为煤和瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体， 煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并形成的煤壳失稳破坏。 上述表明煤与瓦斯突出机理的研究主要有三个方面 a 、对突出过程及突出特征的解释； b 、对突出的力学实验研究； C 、用数学力学方法对突出模型的研究。 煤与瓦斯突出机理的研究加深了对突出这一复杂现象的认识，也为煤矿现 场采取适当的防治措施提供了依据。但至今为止，人们普遍接受了突出是地应 力、瓦斯压力和媒体强度综合作用的结果，对于突出过程是如何发生与发展的 还没有得出统一的认识，上述的各种假说都只能解释某些现场的突出现象。 1 ．3 ．2 煤与瓦斯突出防治技术 1 ．3 ．2 ．1 国外现状 世界上有2 0 个主要产煤国家都有煤与瓦斯突出问题。前苏联煤矿突出危险 性是世界上最严重的，曾发生过多次重大突出事故。波兰煤矿突出危险性仅次 于前苏联，特别是西里西亚煤田突出频繁。日本北海道煤田及空知煤田有煤与 瓦斯突出，每年发生1 0 多次。德国煤与瓦斯突出主要发生在萨尔煤矿和伊苯比 伦煤矿，平均每年1 0 多次。其他国家如澳大利亚、加拿大、比利时、英国和保 加利亚等国都发生过突出事故。这些国家采用下列安全开采方法或卸压方法【2 l ， 使高应力区的应力重新分布或释放而有效防突。 1 安全开采方法。开采解放层方法2 0 世纪8 0 年代在前苏联、英国和德 国得到广泛应用，形成了一套完整的防突措施。 2 卸压钻孔。在不可能应用开采解放层进行大面积卸压时，选用钻大直 径钻孔进行局部卸压。原联邦德国煤矿成功地打直径9 5 ～1 4 0 m m 卸压钻孔，使 7 博士学位论文 第一章绪论 工作面前方5 ～l O m 范围内经常处于卸压状态。法国普罗旺斯煤矿采用结果改进 的卸压技术以2 - 3 m 的间距向煤层打直径9 5 m m 、长2 0 ～2 5 m 的钻孔。 3 松动爆破。在一些国家，松动爆破被认为是有效的防突方法。它能诱 发煤和岩体中积蓄的弹性变形能而诱发突出。 1 ．3 ．2 ．2 国内现状 我国2 0 世纪5 0 年代初首次成功采用密闭巷道和钻孔预抽了开采层瓦斯。 2 0 世纪5 0 年代后期，成功实现邻近层瓦斯抽采技术，进行了开采保护层的区域 性防突措施以及石门揭煤、煤巷掘进工作面局部性防突措施的研究。2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代末，在全国广泛推广了开采保护层结合瓦斯抽放，使保护层 开采技术更加完善。近4 0 年来全国普遍推广了开采保护层技术以及抽瓦斯、打 超前钻孔、注水、松动爆破、金属骨架和水力压裂等技术措施，近1 0 年来大力 推广了突出煤层大面积抽瓦斯和控制卸压爆破等防突措施。在总结了国内外防 突经验的基础上，提出了突出预测、防治突出措施、效果检验与安全防护措施 的四位一体防突综合措施。 总之，自2 0 世纪6 0 年代以来，石门揭煤防突措施先后采用了水力冲孔、 金属骨架、钻孔抽排放、煤层注水和煤体固化等防突措施。 1 水力冲孔 水力冲孔是在进行采掘之前，以岩柱或煤柱作为安全屏障，利用钻机打孔， 通过钻头的切割和高压水射流冲击煤体，激发煤层发生可控制的喷煤和喷瓦斯。 当部分煤体和瓦斯从形成的孔洞中排出后，孔洞周围的煤体内发生变形，地应 力降低，透气性增高，大量的瓦斯从中掺流出来，一定范围内的煤层中瓦斯压 力及瓦斯含量降低，强度提高，相应的初始释放瓦斯膨胀能降低，从而使煤体 失去突出能力。 2 金属骨架 金属骨架是用于石门揭穿煤层防止突出的一种超前支架。当石门距煤层一定 距离时，暂停掘进，在其顶部及两帮上侧打眼，钻孔穿过煤层全厚，进入岩层 0 ．5 m 时终孔，孔间距一般为O ．2 m 左右。布置钻孔的方式可依据本煤层的突出危 险性而定。一般在项部和两侧周边外0 ．5 1 ．O m 的范围内布置单排或双排钻孔， 两帮也布置部分钻孔，孔径一般为7 5 10 8 m m 。 由于地应力一般要比支架的支撑力大得多，依靠金属骨架不能抵挡，金属骨 架只有顺着煤体发生向巷道的变形。当暴露面的煤体位移到一定位置后，煤体 作用在金属骨架上的力与金属骨架的支撑力平衡，位移停止。这样金属骨架支 撑着部分煤体的作用力，可以防止暴露面附近的煤体与内部煤体分离。 3 预抽煤层瓦斯f 2 4 。2 7 】 8 博士学位论文第一章绪论 预抽煤层瓦斯防止突出技术是在掘进或开采煤层之前向突出煤层打许多钻 孔，再将钻孔与抽放管路相接，利用抽放泵提供的负压将煤层内的高压瓦斯抽 出。煤层进行几个月至几十个月的预抽后，煤层内的瓦斯压力下降，瓦斯含量 降低，能使突出煤层产生收缩变形，其上的地应力降低，煤层透气性增大，煤 层的坚固性系数提高，这些变化都会使得煤层在开采或掘进过程中释放出来的 初始释放瓦斯膨胀能降低，因而失去突出危险性。 4 煤层注水【2 8 J 煤层注水作为防治煤与瓦斯突出的技术措施，是通过钻孔向工作面前方煤 体实施注水，以改变煤的力学性质、渗透性质及煤层原始应力状态，也相应改 变了激发煤与瓦斯突出的条件，从而达到消除或减小突出的目的。 5 煤体固化[ 2 9 - 3 3 】 注浆加固是通过向煤层中压入性能适宜的固化剂，使其渗入到煤层中的裂 隙和孔隙，人为地改善煤岩体的物理力学性质，有效增加煤体强度，减少煤体 与岩体的力学性质的差异，增强煤岩交界面附近围岩的整体性，当石门揭开煤 层时可避免煤岩交界面产生变形突变和围岩应力不连续。石门揭开有突出危险 煤层现场施工工程中，采用波雷因材料、风动注浆泵及相应注浆新工艺可充填 封闭煤层内的裂隙和孔隙，减少瓦斯解吸速度和解吸量、降低煤体的吸附能力， 使外部煤体阻滞内部煤体突出的作用得以加强。 总之，国内外许多学者对石门揭煤过程突出机理及防治技术【3 4 d 7 】进行了大 量研究。但是，由于突出机理【3 8 也】的复杂性及防治技术的局限性，尚未能找到 有效防止石门揭煤过程突出的方法和措施。 通过调研分析发现，一些防治技术措施【4 3 巧o 】存在不足，如固化防突措施实 施难度较大，固化液很难渗入煤体；金属骨架一般使用在薄煤层中，且很难起 到“屏蔽“ 作用；煤体固化防突措施对煤体稳定性造成破坏，注浆压力势必引 起煤体内的应力挠动。课题组针对现状，结合各防突技术的优缺点，从理论上 提出了石门揭煤注液冻结防突技术。 1 ．4 主要研究内容和方法 本论文结合国家自然科学基金项目“石门揭煤过程中煤与瓦斯突出的动力 源基础及抑制技术研究“ 5 0 6 7 4 0 4 7 的研究工作，主要进行了注液冻结防治石 门揭煤过程中煤与瓦斯突出的机理和实验研究。 1 ．4 ．1 主要研究内容 ’ 1 石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理研究 9 博士学位论文第一章绪论 探索石门揭煤过程瓦斯突出特点及影响因素，分析石门揭煤过程瓦斯突出 条件及作用，研究石门揭煤过程突出过程及突出能量特征。 2 石门揭煤条件下煤与瓦斯突出动力源形成机制 分析石门揭煤过程煤与瓦斯突出动力源形成的能量聚集过程和能量动态变 化过程。石门揭煤过程突出能量组成和作用，研究煤与瓦斯突出通道和能量消 耗规律。 3 石门揭煤巷道注液冻结后突出煤层物理力学性能变化 根据石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理、煤层注水工艺过程和人工土冻结技 术应用实践，研究石门揭煤工作面注液冻结后，突出煤层瓦斯吸附量V 、煤层瓦 斯压力P 、突出煤层瓦斯放散初速度A p 、突出煤层力学性能、卸压区突出危险 系数和保护岩柱与突出煤层的弹性能差别等方面的变化。 4 注液冻结防治石门揭煤过程突出或延时突出的可行性研究 实验研究突出煤样低温条件下瓦斯吸附规律和冻结温度下突出煤样力学性 能，探索实验条件下水泥槽模型煤体冻结过程和温度场变化规律。从突出煤层 注液冻结后瓦斯吸附性能、力学性能和冻结温度场等方面，论证注液冻结防治 石门揭煤过程突出的可行性。 5 注液冻结后石门揭煤过程数值模拟研究 利用东北大学气固耦合岩石破裂过程R F P A 2 D 分析软件，建立石门揭煤过程 气固耦合作用的数学模型，设定不同冻结温度和含水量对应的煤层物理力学性 能参数，设定边界条件和控制条件，数值模拟研究不同冻结温度下龙家山煤矿 一4 0 0 水平2 号石门揭露6 冻结煤层过程，确定合理的煤层冻结温度和注液量， 从而合理有效防治石门揭煤过程中的煤与瓦斯突出。 6 石门揭煤冻结区温度场数值模拟 采用有限单元法进行数值计算，建立冻结区温度场分布的数学模型，研究 煤层温度与冻结时间的动态变化关系，求解石门揭煤冻结区温度场和强度场。 利用A N S Y S 数值模拟龙家山煤矿- 4 0 0 水平2 号石门揭煤工作面冻结区温度场。 1 ．4 ．2 研究方法 本文针对石门揭煤过程中的煤与瓦斯突出发生机理及防治技术[ 4 6 - 5 0 l 进行研 究。分析瓦斯、煤层力学性能和地应力在突出过程中的作用，研究石门揭煤过 程中煤体应力分布特征、瓦斯压力分布规律及瓦斯解吸扩散渗流规律。建立石 门揭煤过程中瓦斯渗流模型，揭示石门揭煤过程中煤层瓦斯运移规律。实验研 究和数值模拟注液冻结抑制石门揭煤突出的可行性。其详细技术路线为 1 理论分析。阐明地应力及瓦斯压力在煤与瓦斯突出过程中的作用，提 出突出发生所需满足的力学条件，探索突出过程中的能量耗散规律。理论研究 l O 博士学位论文 第一章绪论 石门揭煤工作面注液冻结后，突出煤层瓦斯吸附量V 、煤层瓦斯压力P 、突出煤 层瓦斯放散初速度A p 、突出煤层力学性能、卸压区突出危险系数和保护岩柱与 突出煤层的弹性能差别等方面的变化。 2 实验与现场测试。通过突出煤样瓦斯吸附实验、冻结温度下突出煤样 力学性能实验和水泥槽模型煤体冻结实验，分析突出煤层注液冻结后瓦斯吸附 性能、力学性能和冻结温度场等方面的变化，实验论证注液冻结防治石门揭煤 过程突出的可行性。 3 数值模拟。应用岩石破裂过程R F P A 2 D 分析软件，建立石门揭煤突出过 程气固耦合作用的数学模型，设定不同冻结温度和含水量对应的煤层物理力学 性能参数，数值模拟不同冻结温度下石门揭露冻结煤层过程。利用A N S Y S 有限 元程序，设定石门揭煤工作面施工参数，建立冻结区温度场数值模拟计算模型， 分析了不同时问冻结区温度扩展云图。 博士学位论文第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 煤矿井下穿层掘进由岩石巷道进入煤巷的过程叫揭露煤层 简称揭煤 。石 门掘进工作面从距突出煤层底 顶 板的最小法向距离5 m 开始直到穿过煤层进 入顶 底 板2 m 最小法向距离 的过程均属于揭煤作业。 石门揭煤工作面的突出危险性预测必须在距突出煤层最小法向距离5 m 地 质构造复杂、岩石破碎的区域，应适当加大法向距离 以前进行。当预测为突 出危险工作面时，必须采取工作面防突措施，直到经措施效果检验有效后方可 掘进至远距离爆破前的工作面位置。然后，在该位置采用与措施效果检验相同 的方法进行最后验证。若经验证仍为无突出危险工作面时，则在采取安全防护 措施的条件下用远距离爆破揭穿煤层；否则，应采取补充措施。 石门揭煤工作面的防突措施包括预抽瓦斯、排放钻孔、水力冲孔、金属骨 架、煤体固化或其他经试验证明有效的措施。 2 ．1 石门揭煤过程煤与瓦斯突出特点 2 ．1 ．1 石门揭煤过程煤与瓦斯突出形式 由于揭煤前受顶、底板岩石的封闭，煤层中的瓦斯很难预先释放，保存了 较高的煤层瓦斯压力，巷道远处富集的瓦斯也极容易向巷道周围补充，致使巷 道周围的煤体经常处在较高的瓦斯压力梯度之下，石门揭煤工作面很容易突出。 根据石门突出情况不同，煤矿石门突出分为爆破揭开石门时的突出、延期突出、 过煤门时的突出和自行冲破岩柱的突出等形式【3 1 。其中以爆破揭开石门时的突出 所占比重最大。 1 爆破揭开石门时的突出 在有突出危险的地点，围岩的透气性都要比煤层本身小得多。在石门巷道 揭开煤层之前，煤层内的瓦斯未经排放，保持着较高的原始瓦斯压力。当放炮 揭开煤层的瞬间，具有突出危险的软煤上应力状态突然改变，迅速破坏，而这 时新暴露的煤体表面上可以看作是大气压力，在煤体表面不远处为原始瓦斯压 力，瓦斯压力的梯度很大，受地应力破坏的软煤在这个瓦斯压力差的作用下抛 向巷道，又使内部的煤体暴露，暴露的煤体又在地应力的作用下破坏，破坏后 又被瓦斯压力抛向巷道，这种连锁破碎及抛出煤体的过程使突出向煤体深部发 展，形成连续的突出。 2 延期突出 1 2 博士学位论文第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 在石门揭煤过程中，部分的突出都是在放炮后即刻发生的。但也有一些突 出却是在放炮后一段时间才发生，这种突出，称为延期突出。此外，在有些急 倾斜煤层中，揭开煤层后未能及时进行支护，引起项部冒落，导致有突出危险 的煤体突然暴露，也会引起突出，这种突出也被认为是延期突出。由于这时工 作面有人员施工，因而对安全生产的威胁很大。 3 自行冲破岩柱的突出 自行冲破岩柱的突出是指掘进爆破时并未将煤层揭露，还留有一段岩柱， 但突出煤体自行将这段岩柱破坏导致的突出。这种突出实际上是在揭煤前所留 的岩校已经比较薄，尽管并未进行爆破褐煤，但在地应力的作用下，岩柱破坏， 具有突出危险的软煤突然暴露而突出。 2 ．1 ．2 石门揭煤过程煤与瓦斯突出影响因素 煤与瓦斯突出机理是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发展过程【2 3 1 。 但是，突出机理迄今还没有获得统一认识，所得到理论都是建立在现场统计资 料及实验室研究提出的各种假说基础上的。 影响突出的因素主要有 1 地应力 地应力【5 l - 5 3 1 是指煤层煤体在外力 地心吸引力、潮汐力和地球自转引起的 离心力等 作用下，其内部产生的与外力相适应的力，是地质构造运动的动力， 也是煤与瓦斯突出的主要动力来源。 2 瓦斯压力 瓦斯压力是瓦斯的主要参数之一，瓦斯压力参与煤与瓦斯突出的过程是显 而易见的，为其提供了一定的动力来源，且在瓦斯压力突然降低，解放膨胀潜 能的过程中，促使及加速煤体的破碎过程。瓦斯压力随着开采深度的增加一般 是呈现增加的趋势，但因受各种地质因素的影响而可能呈现复杂的情况。 3 煤体物理力学性质 煤的物理力学性质主要包括煤体抵抗破碎的力学性能和煤体对瓦斯运动的 阻力【5 6 】。煤体的力学性能决定它在地应力和瓦斯压力作用能否被破坏；另外煤 体对瓦斯吸附性能则是反映了煤体含有瓦斯的能力和在暴露煤面附近保存高压 瓦斯的能力。 2 ．2 煤与瓦斯突出煤体物理力学性质 2 ．2 ．1 突出煤体渗透性 突出煤体的一个重要特征是其本身具有渗透性【5 7 枷。煤体本身是一种多孔介 1 3 博士学位论文 第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 质，内部含有从微孔到大孔及裂隙等各种类型的孔隙通道，直径小于l O n m 的孔 隙构成瓦斯的吸附容积，而大于l O n m 的孔隙是瓦斯渗流的主要通道，这些孔隙 通道是相互贯通的。当在煤样的两端施加一定的瓦斯压力时，瓦斯就可以在煤 体内流动。在煤层内，瓦斯沿裂隙的流动基本上是层流运动，服从达西定律【驯， 通过煤样的瓦斯流量与压力梯度及透气性系数成正比 g 一兄等 Q - 1 式中q 一单位时间内在l m 2 的煤面上流过的瓦斯流量，m 3 ／m 2 ．d P 一煤层内瓦斯压力的平方，M P a 2 ； 入一煤层的透气性系数，m 2 ／M P a 2 ．d 。 煤体的透气性同地应力关系较大。作用在煤体上的压应力越大，煤层的透 气性越小。地应力对煤体透气性的影响可用下式f 6 1 】来表示 五 矗矿蚵 2 ．2 式中厶一未承压时煤样的透气性系数，m 2 ／M P a 2 ．d ； b 一经验系数，山试验确定，M P a ～； G 一煤样上施加的地应力，M P a ； e 一自然对数的底，e 2 ．7 18 0 2 ．2 ．2 突出煤体吸附特性 煤体是一种多孔介质。通过压汞实验可以测得在煤体内，孔隙半径在4 0 n m 以下的微孔占总孔隙体积的9 0 ％左右，所以煤体内部的表面积是很大的，有的 甚至高达2 0 0 m 2 ／g 以上。这样巨大的表面积为煤体吸附某些气体创造了条件。在 孔隙的内表面，煤体分子所受的力是不对称的，故在煤体孔隙的内表面上产生 了剩余价力，这个剩余价力会使碰撞到孔隙表面的某些气体分子被吸附。越容 易液化的气体越容易被吸附。当煤体孔隙表面吸附了一层气体分子后，这种力 场就得到了饱和。由于气体分子只有碰撞到尚未吸附气体分子的空白表面上才 能够发生吸附作用，因此煤体孔隙表面上的吸附是单分子层，根据兰格缪尔的 单分子层理沦可导出实际煤体的瓦斯吸附量计算式【6 2 彤】。 在煤层中，游离瓦斯和吸附瓦斯之间是相互转化的，游离瓦斯分子通过热 运动碰上孔隙的内壁时，被煤分子俘获，就成为吸附瓦斯，而吸附瓦斯分子通 过热运动可能挣脱煤分子的束缚进入孔隙空间就成为游离瓦斯。当瓦斯压力和 温度恒定时，这种转化处于一种动态平衡状态。当外界的瓦斯压力增大时，游 离瓦斯转化为吸附瓦斯的量增多，因此上式中煤层的瓦斯含量是随瓦斯压力增 大而增大的。反过来，当孔隙中游离瓦斯的压力降低时，大量的吸附瓦斯则转 化为游离瓦斯，由于气体分子运动的特点，这种转化过程几乎是即刻进行的。 1 4 博士学位论文第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 由于煤体内的吸附孔隙很小，由孔隙中涌出的瓦斯通过各类裂隙渗流到煤体颗 粒外部是需要一定时间的。当掘进工作中爆破揭露了新的含瓦斯煤体，使煤体 破碎成许多煤块，煤块孔隙与外界相通的路径大大缩短，煤块周围压力下降， 因此总有大量的瓦斯持续涌出。 2 ．2 ．3 煤体强度准则 煤与瓦斯突出的过程也是煤体破坏的过程。突出常常发生在有软煤的煤层 内，坚硬的煤体通常是不发生突出的。只有煤体先发生破坏，然后才有可能发 生突出。而要研究突出，必须了解煤体在什么样的条件下才可能破坏。在煤 岩 体的破坏准则中应用较多的是M o h r 准, N 1 5 1 - 5 3 J 。 图2 - 1N o h r 准则破坏破坏线应力圆 煤样的强度分为两部分一部分是煤样的内聚力，即一部分是内摩擦力， 即煤样颗粒间的摩擦阻力，与正应力成正比，内摩擦系数与煤样内颗粒的形状 及表面光滑程度有关。煤体的粘聚力和内摩擦角可通过作图获得。首先分别以 其单轴抗压强度值和单轴抗拉强度值为直径作莫尔圆 图2 ．2 所示 ；然后作出 两莫尔圆的公切线A B ，交T 轴于D ，延长A B 交。轴于C ，交T 轴于D ，延长 A B 交。轴于C 。 这样，≯ Z A C O 为煤体的内摩擦角，粘聚力C O D M P a 。由于图2 - 2 中 的包络线近似为一直线，并且是对称的，在工程中，只需要抗剪强度的绝对值， 而不在乎剪力的方向，为简便计算，我们用图2 - 2 中的直线来代表煤样的强度 曲线。这样煤样的抗剪强度可用下式 2 ．3 来表示 1 5 博士学位论文 第二章石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理及能量特征 J 1 参／、、 D 瓦E、。～妊 喈 掣／一 图2 - 2 煤岩体粘聚力和内摩擦角 r o t a n q C 2 ．3 式中卜内摩擦角，也是强度曲线与二轴的夹角； C _ 内聚力，M P a ； 删裂面上的正应力，M P a ； 州样的抗剪强度，M P a 。 2 ．3 石门揭煤过程煤与瓦斯突出条件 石门揭煤过程中，煤与瓦斯突出是地应力、煤体中的瓦斯压力和煤的物理 力学性质三者综合作用的动力现象。其中，地应力、瓦斯压力是发动和发展煤 与瓦斯突出的动力，煤的结构和力学性质则是阻碍突出发生的因素。它们存在 于共同体中，有其内在联系，但不同的因素对突出有不同的作用。 1 突出的地应力条件 地应力对突出主要有三个方面的作用①地应力控制瓦斯压力场，促使瓦 ③围岩中应力增加决定了煤层的低透气性，造成瓦斯压力梯度增高，煤体一旦 斯破坏煤体；②围岩或煤层的弹性变形潜能做功，使煤体产生突然破坏和位移； 破坏则对突出有利。可见煤层和围岩具有较高的地应力，并在近工作面煤层的 应力状态发生突然变化，使潜能有可能突然释放，是发生煤与瓦斯突出的第一 个必要和充分条件。 2 突出的瓦斯条件 存在于煤体裂缝和煤体孔隙中的瓦斯对煤体