机械波造成煤与瓦斯突出的机理.pdf

机械波造成煤与瓦斯突出的机理 机械波造成煤与瓦斯突出的机理 阳泉煤业集团和顺新大地有限责任公司 王庆军 摘 要 机械波是造成煤与瓦斯突出的主要原因，为此我研究了机械 波对煤体、围岩结构的影响和瓦斯赋存状态的变化，探讨了机械波造成煤 与瓦斯突出的机理。结果表明，在机械波、上覆岩层的作用下，煤体破碎 支撑力降低，空隙减小，煤的体积相对缩小，造成顶板下沉，同时造成煤 体解析瓦斯的能力提高，解析瓦斯增多，由于顶板的下沉使游离瓦斯的压 力增高，较高的瓦斯压力与破碎的煤形成具有大量解析瓦斯、高压、流动 性很强的煤体，当工作面揭露这些区域或储存的能量达到破坏煤层稳定的 条件后即发生煤与瓦斯突出。 关键词 机械波 振动 煤与瓦斯突出 裂隙 煤体流动性 煤与瓦斯突出给煤矿安全生产，特别是井下人员的生命财产安全造成 了极其严重的威胁。为了防止这类灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生 产，世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出的 机理。但是至今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识 仍没有确定，对于突出过程中哪些因数起主要作用以及与其他因素间的作 用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解析，还不能形成一个 完整的理论体系。为了能够改变煤与瓦斯突出防治被动局面，本文研究了 机械波对煤体、围岩结构的影响。并对煤体、围岩结构的变化对瓦斯形态 的产生的影响进行了分析，探讨了机械波造成煤与瓦斯突出的机理，以便 为突出危险性预测和防突措施的制定与设施提供科学依据。 一、机械波的概念 一、机械波的概念 机械波是机械振动在媒质中的传播。机械波是震动状态或说是相位的 传播， “上游” 的质元依次带动下游的质元振动。 机械波传播实质上是能量、 动能等的传播。 1、机械波产生的条件 1、机械波产生的条件 （1） 、要有作机械振动的物体作为振源； （2） 、传播机械振动的弹性介 质。 2、机械波的分类 2、机械波的分类 按介质质点振动方向分为横波和纵波，质点的振动方向与波的传播方 向垂直叫横波，质点的振动方向与波的传播方向一致叫纵波。 3、机械波的特点 3、机械波的特点 波传播表面上是波形的移动，实际上是能量的传递，质点只在平衡位 置作简谐振动，各质点的起振方向与振源的起振方向相同。 二、机械波在工作面施工中能够产生的效应 1、机械波对煤体结构的影响 二、机械波在工作面施工中能够产生的效应 1、机械波对煤体结构的影响 工作面的煤壁、顶板、底板都是弹性介质，具有良好的传播波的能力。 工作面割煤或巷道维护时，都会产生振动，由于条件具备，产生了机械波。 机械波可以分为两大类一种为煤体剥落时的强机械波，一种为巷道维护 等工作产生的弱机械波。以固体作为介质的机械波有两种传播形式，既横 波、纵波，它们分别对煤体能够造成不同的影响 （（1 1）横波对煤体的影响）横波对煤体的影响 横波在介质中传播时，介质的形变为切变，固体传播横波，横波能够 引起介质切变放大。工作面生产过程中产生的振动通过顶板或煤体将能量 直接或间接地传到工作面内部的煤体，由于横波引起的是介质切变放大， 使煤体、顶、底板得到上下振动的能量，机械波作用与围岩为波峰时，机 械波的能量抵消一部分顶板岩层的自重，作用与煤体的压力降低，处于波 谷时，作用与煤体的压力为振动波的能量和顶板岩层的自重之和，机械波 上下运动的能量和上覆岩层重力作用相耦合，作用在煤体上的压力瞬间增 大或减小，使顶板或底板对煤体将形成夯捣的作用，能够使煤体的压力成 几何倍的增加。煤体上部的岩层重量越大作用力越大，更容易使煤体发生 破碎现象。煤体破碎支撑力降低，煤体内的空隙将缩小，使煤体的体积相 对缩小。由于煤体发生破碎现象，煤体的流动性增强。 （（2 2）纵波对煤体的影响）纵波对煤体的影响 纵波在介质中的传播时，介质的形变为体应变，当振动以纵波的形式 传播到煤体上时，可以使煤体直接发生破碎现象，煤体的流动性增强。煤 层内部各颗粒之间的摩擦力和粘着力急剧减小，煤体在上覆岩层重力的作 用下和横波的作用下，煤体内的空隙将进一步减少，造成煤体的体积更进 一步缩小。 2、振动波对瓦斯贮存状态的影响 2、振动波对瓦斯贮存状态的影响 由于机械波的作用，具有突出条件的煤层被破碎，大量吸附状态的瓦 斯转化为解析状态；煤体遭到破碎，瓦斯的解析能力得到大幅度的提高； 贮存煤层和瓦斯的容积在机械波、上覆岩层重力的作用下，容积变小，造 成现在煤层解析瓦斯的压力升高，可能达到原来的几倍或者是几十倍。 三、煤与瓦斯突出前工作面的概况 1、煤的物理性质 三、煤与瓦斯突出前工作面的概况 1、煤的物理性质 通过实验可以论证煤是多孔裂隙物质，其中存在着大小不等的空隙， 空隙之间有若干大小不等的裂隙沟通 。 在构造的附近，煤层中的裂隙更 加发达。 2、煤层的赋存状态 2、煤层的赋存状态 突出煤层的煤质较软，或者突出煤层中的软煤层的厚度大于 30 厘米， 突出的煤层赋存深度在 50-600 米；煤层的瓦斯含量较高，瓦斯压力较大； 煤层层理紊乱，暗淡、无光泽，煤层干燥和煤尘增大，煤层受挤压褶曲变 粉碎，厚度变大、倾角变陡。 3 3、煤与瓦斯突出发生在矿井开采过程中，即矿井在施工巷道或工作、煤与瓦斯突出发生在矿井开采过程中，即矿井在施工巷道或工作 面回采过程中发生突出。面回采过程中发生突出。 4 4、产生机械波发生能量的传播、产生机械波发生能量的传播 工作面的施工采用机械或放炮落煤，施工时，能够产生较强的振动， 岩层虽然为脆性材料，但仍具有一定的弹性是良好的机械波介质，振动通 过围岩或煤体产生机械波，机械波将能量传到至距工作面煤壁的深部。因 此，矿井在生产过程中都会产生机械波，发生能量的传播。 5 5 煤与瓦斯突出前的征兆煤与瓦斯突出前的征兆 （（1 1）有声预兆）有声预兆 煤炮（指的是深部岩层或煤层的劈裂声）响声。支架变形，如支柱、 顶梁折断或位移的声音。地压显现方面表现为压力增大，使支架变形，煤 壁外鼓、片帮、掉渣，顶底板出现凸起台阶、断层、波状鼓起，手扶煤壁 感到震动和冲击，炮眼变形装不进药，打眼时垮孔、顶夹钻等煤层发出劈 裂声、闷雷声、机枪声、响煤炮以及气体穿过含水裂缝时的吱吱声等。声 音由远到近，由小到大，有短暂的，有连续的，时间间隔长短也不一致； 煤壁还会发生震动和冲击，顶板来压，支架发出折裂声。 （（2 2）无声预兆）无声预兆 工作面顶板压力增大，煤壁被挤压，片帮掉渣，顶板下沿或底板鼓起； 煤层层理紊乱、煤暗淡无光泽、煤质变软；瓦斯忽大忽小，煤壁发凉，打 钻时有顶钻、卡钻、喷瓦斯等现象。 四、机械波作用使煤与瓦斯突出的过程描述四、机械波作用使煤与瓦斯突出的过程描述 根据大量的实际发生的煤与瓦斯突出的案例，结合突出前的预兆、突 出的现象以及许多学者的研究成果综合分析，煤与瓦斯突出共发生四个阶 段。 1、突出的准备阶段，这一阶段是突出发生条件的准备阶段，它包括采 掘作业振动的产生，机械波（能量）的传递、加载，煤岩受力状态变化， 煤岩物理力学参数的变化，煤岩体内瓦斯压力的变化及瓦斯吸附解析状态 的变化等，当这一系列参数和状态的变化造成能量积累到一定的程度，即 能够使煤岩体达到破坏失稳和抛出的临界状态，准备阶段结束。工作面煤 与瓦斯突出的准备阶段过程如下 工作面采用炮采或机械方法落煤、顶板维护、打钻等进行施工时，由 于放炮、机械落煤、巷道支护等施工工艺会产生强烈的振动，使工作面内 具备了振源，同时煤岩体又是良好的传播机械振动的弹性介质，因此在煤 岩体上产生了机械波。。机械波通过煤岩体将振动的能量由振源向四周传播， 振动的能量越大覆盖的范围越大，能量在传播过程中随着离振源距离的逐 步加大能量逐步减小直至消失。。由于机械波的形成使顶、底板对煤体形成 夯捣作用，造成煤体承受的压力将发生几何级的变化，使煤体发生破碎。 纵波作用与煤体后，由于纵波介质的形变为体应变，使煤层直接发生破碎 现象，同时煤层内部各颗粒之间内摩擦力和粘着力急剧减小与上覆岩层重 力和横波的综合作用加剧了煤体的破碎。当工作面施工产生的机械波覆盖 半径达到煤层内含有大量空隙、煤质较软、瓦斯含量高、瓦斯压力大的区 域时，在机械波的作用下这些煤体很容易破碎，煤体的瓦斯解析能力迅速 提高，大量的吸附瓦斯解析成游离状态，增加了该区域游离状态瓦斯量， 同时由于煤体的破碎支撑力降低，煤体重新排列煤体内的空隙缩小顶板下 沉，使煤体的体积相对缩小，由于体积的缩小，升高了煤体解析瓦斯的压 力。随着工作面逐渐接近这些区域，不断的施工造成强烈的机械波，使围 岩得到能量，造成煤体破碎加剧，使煤体具有了流动性，煤体的瓦斯解析 能力不断提高，造成解析瓦斯不断增多，煤体的体积不断缩少，顶板的不 断下沉，煤层内解析瓦斯的压力逐步升高，形成含有大量高压解析瓦斯、 具有流动性的煤体。 2、2、突出的发动阶段是指从准备阶段静止的媒体到煤与瓦斯突出发生 这一突变点，发动的标志是一定体积的煤岩体破坏失稳并抛出，突出的发 动阶段如下 工作面的不断施工，造成煤体内的空隙在强大冲击力作用下不断变 小，煤体占用的空间随之变小，支撑高度变低，当达到一定的程度后，上 覆岩层的塑性变化达到极限后就会断裂（厥炮现象） ，断裂后岩层作用与煤 体的压力强度很大，使破碎的煤体增多，煤体破碎后大量的吸附瓦斯转化 为游离状态，同时体积的进一步缩小，瓦斯压力台阶式上升，瓦斯压力足 以突破该区域到工作面煤体的强度时就会发生突出。如果煤层的顶板较好， 不会发生顶板的突然断裂，由于煤体的破碎使瓦斯解析能力增强，游离瓦 斯增加形成含大量高压游离瓦斯、具有流动性的煤体。围岩的致密性使积 存的能量不能得到释放，当工作面揭露这些地方后，含有巨大能量具有流 动性的煤体拥有释放的途径同样会发生煤与瓦斯突出。 3、突出的发展阶段是指煤与围岩失稳在层裂破坏过程中，突出孔洞周 围的煤岩体将继续发生流变变形，瓦斯继续涌出。突出的发展过程如下 被压碎的煤体流动性增强，当具有强大压力的煤流体涌入工作面后， 顶板失去支撑作用，顶板的压力前移，继续破坏煤体使瓦斯得到解析，破 碎的煤体与煤体内大量的高压游离瓦斯继续形成具有高压、流动性的煤体， 拥有强大动能的煤体继续涌入工作面。 4、突出的结束阶段指变形趋于减弱，直至终止，即发展过程出现衰减 并最终达到新的力的平衡，使煤岩体持续破坏失稳和抛出的条件不能满足， 进入突出的终止阶段。 五、机械波造成煤与瓦斯突出的机理五、机械波造成煤与瓦斯突出的机理 当煤层的煤质较软具有一定的厚度且必须具有一定的空隙、煤层的围 岩有一定的致密性、煤层赋存在一定的深度，瓦斯含量较高时，矿井开采 中工作面施工接近这些区域时，利用放炮、机械直接破坏煤岩体时，会产 生强烈的机械波，机械波通过煤体和围岩将能量传导给这些区域，岩体受 到机械波影响后，对煤体的压力发生周期性变化，形成夯捣作用，造成岩 层作用与煤体的压力为原先岩层压力的几倍或者十几倍。煤体受到纵波的 作用后，煤层内部各颗粒之间内摩擦力和粘着力急剧减小，在上覆岩层重 力和横波的综合作用，煤体破碎，煤体重新排列，煤体内的空隙缩小，支 撑力降低，煤层的顶板下沉使煤体的体积相对缩小，同时由于煤体遭到破 碎，其流动性增高。大量的吸附瓦斯解析成游离状态，顶板的下沉造成体 积的缩小，进一步提高了解析瓦斯的压力。工作面不断的施工造成强烈的 机械波，使煤体不断破碎，煤体解析瓦斯的能力不断提高。随着顶板的不 断下沉，解析瓦斯的压力越大，甚至超过原先解析瓦斯压力的几倍到几十 倍，形成含有很高能量具有流动性的煤体，当储存的能量达到破坏煤层稳 定的条件后即发生煤与瓦斯突出。 六、煤与瓦斯突出需要具备的条件 根据煤与瓦斯突出的过程分析，煤与瓦斯突出必须具备以下条件 六、煤与瓦斯突出需要具备的条件 根据煤与瓦斯突出的过程分析，煤与瓦斯突出必须具备以下条件 1、煤层具备能量贮存的条件 1煤层的煤质较软具有一定的厚度且必须具有一定的裂隙，能够使煤 体在受到外在因素影响的情况下，使煤层容易破碎，煤层内的瓦斯容易解 析，裂隙减小引起煤层体积的减小。 （2）煤层的围岩要有一定的致密性，煤层赋存在一定的深度。使煤层 解析后的瓦斯不能及时的逸散。 （3） 、煤层的瓦斯含量要达到一定的量，同时具有一定的瓦斯压力。 2、有提供足够能量的方式如机械波，机械波能够通过煤体的直接传播 和围岩的传导作用，将施工时产生的振动能量传播到易于积聚能量的地带， 为煤与瓦斯突出提供足够的能量。 3、具备能量贮存的的煤层及煤层的围岩要具备传播振动能量的能力。 当三个条件同时具备后，煤体内储存的能量达到破坏煤层稳定的条件后 即发生煤与瓦斯突出。 七、结论 七、结论 机械波造成煤与瓦斯突出是综合作用的结果，机械波起着主要作用。 该突出机理能够解析清所有的突出现象，分析清楚各因素在突出中所起的 作用，完全解析清突出的原因、过程。形成了一套完整的理论体系。通过 对该机理的分析，明确煤与瓦斯突出区域本身并不具有突出性，造成突出 条件的瓦斯压力、岩石的弹性潜能、围岩的动能、煤体的流动性增加等是 由于采动的影响产生机械波，机械波的能量传递引起能量的积聚形成的。 改变了原有的煤与瓦斯突出机理假说所认为的煤与瓦斯突出是因为突出区 域本身就具有突出性，只要破坏其突出条件，突出就不会发生。有效防止 在防突措施实施后，各项指标都符合要求，不采取其他措施即进行正常施 工后引发能量的积聚，使突出的条件重新形成造成突出事故。 能够为防突提供正确的方向，制定出全新有效的防突措施，改变现在 使用的耳状钻场施工卸压孔的危险防突方法。为我国的煤与瓦斯突出的防 治提高一个新的台阶，做出贡献。