深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析.pdf

第 34 卷第 1 期 2015 年1 月 煤炭技术 Coal Technology Vol．34No．1  Jan．2015 * 国家自然科学基金科学仪器基础研究专款资助项目 51327007 檶檶檶檶檶檶檶 檶 檶檶檶檶檶檶檶 檶 殞 殞 殞 殞 安全技术与工程 doi 10. 13301/j. cnki. ct. 2015. 01. 045 深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析 * 安朝峰， 李树刚， 丁洋 西安科技大学 能源学院， 西安 710054 摘要 为研究深部开采冲击地压诱导瓦斯异常涌出致灾机理， 分析了深部开采煤体高地应力 和高瓦斯含量的物性特征， 揭示出冲击地压诱发瓦斯涌出的动力条件和物质条件， 结合 Kozeny- Carmen 方程建立煤体渗透率与开采影响下损伤裂隙煤体体积应变的关系式。研究结果表明 冲击 失稳过程中煤体渗透率增加显著， 冲击地压产生的振动效应加速煤体变形破坏， 促使瓦斯快速大量 涌出; 冲击地压孕育过程中的煤体渗透率变化效应、 煤体形成剪切滑移面效应、 冲击地压诱发的煤 岩体振动效应以及煤体温度升高效应的联合作用， 导致了冲击地压后瓦斯的异常涌出。 关键词 深部开采; 冲击地压; 瓦斯; 渗透率; 振动 中图分类号 TD712文献标志码 A 文章编号 1008 －8725 2015 01 －0127 －03 Study on Mechanism of Gas Outburst Caused by Ｒock Burst in Deep Mining AN Zhao- feng， LI Shu- gang， DING Yang College of Energy Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China Abstract In order to study the mechanism of gas outburst caused by rock burst in deep mining， consider- ing physical property characteristics of high ground stress and gas content in deep mining， reveals the dy- namic conditions and material conditions by which rock burst causes gas emission induced and establishes the relationship between coal permeability and the damage fracture volume strain of coal combined with the Kozeny-Carmen equation． The results show that the impact buckling process in which coal permeabili- ty becomes bigger， vibration accelerates the deation and destruction which accelerates gas emission， the combined effect that ground pressure of coal permeability changes， specific surface area of coal is in- creasing， impact pressure induced vibration effect of coal or rock， coal temperature rises resulted in the abnormal pressure gas after the impact in gestated process of rock burst． Key words deep mining;rock burst;methane;permeability;vibration 0前言 煤炭进入深部开采后， 采场地应力增高， 在一定 程度上增大了发生冲击矿压的可能性。大量现场监 测结果表明， 冲击地压发生后会发生瓦斯的异常涌 出， 导致冲击矿压和瓦斯双重灾害， 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 使井下防治工作 由图 4 可以看出， 试件的弹性模量越高， 抗压强 度越大， 当弹性模量较低时， 随着弹性模量的增大， 试件的轴心抗压强度增长较快， 弹性模量继续增大， 轴心抗压强度也随着增大， 但增长变慢。 3结语 1 在水泥基复合材料中加入钢纤维能够增加 轴心抗压强度， 随着钢纤维掺量的增加， 轴心抗压强 度出现先增大后减小的趋势， 其中， 当钢纤维掺量为 2. 0时轴心抗压强度最大; 2 在水泥基复合材料中加入钢纤维能够增加 材料的弹性模量， 随着钢纤维掺量的增加， 弹性模量 出现先增大后减小的趋势， 其中， 当钢纤维掺量为 2. 0时弹性模量最大; 当钢纤维掺量 ＞2． 5 时， 材 料逐渐转变为韧性材料， 弹性模量甚至低于素水泥 基复合材料; 3 对于钢纤维水泥基复合材料， 其弹性模量 越大， 轴心抗压强度越高。 参考文献 ［ 1］孙伟， 严云． 钢纤维高强水泥基复合材料的界面效应及其疲劳特 性的研究［J］． 硅酸盐学报， 1994， 22 2 107 －115． ［ 2］贾哲， 姜波， 程光旭， 等． 纤维增强水泥基复合材料研究进展［J］． 混凝土， 2007 8 65 －68． ［ 3］董健苗， 马铭彬． 纳米 SiO2与聚丙烯纤维对水泥基材料性能的 增强作用研究［J］． 混凝土与水泥制品， 2012 4 44 －46． ［ 4］刘建忠， 孙伟， 张倩倩， 等． 低水胶比水泥基复合材料的流变特性 ［J］． 混凝土与水泥制品， 2014 1 1 －4． ［ 5］蒲心诚， 王志军， 王冲， 等． 超高强高性能混凝土的力学性能研究 ［J］． 建筑结构学报， 2002， 12 6 49 －55． ［ 6］冯玲． 微细钢纤维高强混凝土［D］． 郑州 郑州大学， 2011． ［ 7］程庆国， 徐蕴贤， 卢祖文． 钢纤维混凝土本构理论的研究、 工程应 用及发展［J］． 中国铁道科学， 1999， 6 2 1 －9． 作者简介 邵连军 1989 － ， 河南夏邑人， 安徽理工大学在读 硕士研究生， 研究方向 结构工程， 电子信箱 sljxcxy163． com． 责任编辑 王凤英收稿日期 2014 －08 －23 721 Vol. 34No. 1深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析 安朝峰， 等第 34 卷第 1 期 更加严峻。 本文在前人研究的基础上分析了深部开采条件 下冲击地压诱发瓦斯异常涌出的致灾原因， 以期为 深部开采煤层冲击矿压后瓦斯的异常涌出现象进行 一定的理论指导。 1深部开采煤体高地应力和高瓦斯含量物性特征 煤矿进入深部开采后， 深部煤层结构、 物理特征 以及煤体自身所处的温度和压力等环境条件与浅埋 煤层存在较大差异。煤体的地应力和瓦斯含量随深 度增加不断加大， 煤层的构造变形尤其是韧性变形 对煤体大中孔和纳米孔的发育和分布产生重要影 响， 以至原有的孔裂隙被改造， 煤层的渗流困难， 透 气性不断降低， 加之钻孔难度的不断增加， 导致煤层 瓦斯的抽放效果不佳， 煤层机器顶底板内部蕴藏赋 存较好的瓦斯气体， 冲击地压扰动破坏了煤体原来 的平衡状态， 改变了煤层内的应力场分布和瓦斯压 力梯度。伴随着瓦斯的吸附、 解吸、 渗流并逐渐过渡 到新的平衡状态这一过程， 为瓦斯涌出提供了物质 条件， 同时煤层顶底板蕴藏大量的弹性能及深部煤 体瓦斯压力大的物理特性为瓦斯的渗流运移提供了 动力条件。 2冲击地压过程煤体的变化效应 2. 1冲击地压孕育过程煤体渗透率变化效应 冲击地压孕育发展过程中， 含瓦斯煤的渗透率 不断发生变化， 根据 Kozeny- Carmen 方程， 得到渗透 率 K n3 u 1 － n 2S2 1 式中u 系数; n 孔隙率， n n0 ε v 1 εv n0 煤体的初始孔隙率; εv 开采影响下损伤煤体的体积应变。 S 单位体积煤体的表面积。 煤体的初始渗透率 K0 n0 3 u 1 － n 0 2S2 3 联立式 1 -式 3 可得到渗透率与开采影响下 损伤煤体的体积应变的变化关系 K K0 n0 ε v 3 n031 ε v 4 求导可得 dK dε v 3K0 n0 ε v 2 1 ε v － K0 n0 ε v 3 n031 ε v 2 5 因初始孔隙率 n0＜ 1， 知 3 2εv－ n0＞ 0 ， 则 dK dε v K0 n0 ε v 2 n0 3 1 ε v 2 3 2εv－ n 0 ＞ 0 分析可得到渗透率 K 为煤体的体积应变 εv的 单调递增函数， 煤体渗透率随着损伤煤体体积应变 的增大而增大。冲击地压是煤体冲击失稳过程， 这 一过程中伴随损伤煤体体积应变不断发生变化， 煤 体变形破坏过程经历初始微孔阶段、 微裂纹产生阶 段、 裂纹快速发育阶段、 煤体破坏失稳阶段， 各个阶 段煤体的渗透率有显著区别， 渗透性变化过程伴随 瓦斯的吸附、 解吸、 运移。 损伤煤体的体积应变 εv随主应力差的增大逐 渐增大 ， 则煤体渗透率 K 随之增大，体积应变 εv为 0 时， 煤体处于原始平衡状态， 煤体没有受到破坏， 煤体内部具有初始微孔洞， 为初始渗透率 K0; 随着 εv的增大， 微裂纹逐渐伸长并开始分叉， 产生新的 微裂纹， 裂纹数量增多， 煤体渗透率随之增加， 煤体 中部分高压吸附状态的瓦斯开始解吸。εv继续增 大， 瓦斯继续解吸， 煤体孔隙压力升高， 在高地应力 和瓦斯压力的耦合作用下， 裂纹进一步扩展、 贯通形 成裂隙， 并进入加速扩展阶段， 裂隙通道快速发育变 宽， 煤体的孔隙度显著增大， 煤体渗透率快速增加。 主应力进一步增大， 煤体达到极限强度产生变形失 稳破坏， εv达到最大值， 渗透率相应达到极大值， 煤 体渗透率增大， 煤层内赋存的瓦斯解吸速率增大， 在 短时间内解吸大量瓦斯， 因此， 煤体在冲击地压过程 中渗透率急剧增大是诱发瓦斯异常涌出的原因 之一。 2. 2冲击地压诱发煤体形成剪切滑移面变化效应 冲击地压发生后， 由于强大的冲击压力会使直 接顶、 顶煤体及工作面前方形成剪切破断， 煤岩体发 生屈服， 形成剪切滑移面。其结果使卸压瓦斯涌出 的活跃区域范围增大， 同时煤壁前方的高支承压力 向深部转移， 在支承压力变化和瓦斯压力梯度的联 合作用下， 对煤岩体进行剥离、 破碎， 使一部分吸附 瓦斯失去范德华力而解吸， 进而渗透于煤岩孔隙中 呈游离瓦斯。总之， 冲击地压发生后会使工作面煤 壁前方、 顶煤体内瓦斯、 支架上方断裂煤体、 架后采 空区及临近层瓦斯都可能会涌出。 2. 3冲击地压产生的振动效应 冲击地压孕育发生的过程中， 煤岩体释放巨大 的弹性能， 部分弹性能参与诱发矿体的振动， 转化为 矿体的振动能量。瓦斯停留在煤基质表面的时间减 少， 从煤体表面及裂隙中的脱附速度加大， 同时矿体 821 第 34 卷第 1 期深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析 安朝峰， 等Vol. 34No. 1 振动产生的挤压效应使煤分子间的孔隙变小， 煤体 对瓦斯的吸附能力降低， 吸附量减小， 解吸量增大， 导致更多的游离瓦斯通过裂隙向采动空间涌出; 另 一方面， 冲击地压发生前， 煤岩体内的微裂纹产生在 局部有限的范围内， 而冲击地压产生的矿体振动可 以使微裂纹波及的范围更广， 破坏了更远场的瓦斯 平衡状态， 促使原场的瓦斯解吸并向冲击地点渗透、 涌出; 大量的实验研究结果表明， 当煤岩孔隙中的吸 附瓦斯气体时， 煤体发生膨胀变形， 产生膨胀应力， 解吸瓦斯时煤体产生收缩效应， 振动产生的挤压效 应导致煤体内部孔隙压力增大。一方面随孔隙压力 的增加， 吸附膨胀应力和煤体膨胀变形增大， 煤体变 形破坏越严重， 瓦斯的解吸量就越大; 另一方面， 孔 隙压力增大在一定程度上促进了煤体孔裂隙的扩 展， 加速了瓦斯气体的解吸、 运移， 游离瓦斯通过孔 隙压力以体积力的形式作用于煤体的变形破坏， 吸 附瓦斯则以瓦斯吸附解吸作用使煤体的力学性质和 力学响应发生改变的， 而不仅是改变煤体的某项力 学参数， 而对煤体的本构关系会产生影响， 在游离瓦 斯和吸附瓦斯的共同作用下， 煤体的失稳破坏速度 加快， 导致煤体短时间内涌出大量瓦斯。 2. 4冲击地压过程的煤体温度升高效应 煤体采动过程中， 煤体卸压区、 应力集中区、 原始 应力区的煤体温度存在差异， 采煤工作面应力集中带 煤体的温度明显高于带外煤体的温度， 采煤工作面周 期来压前后煤体温度差最大可达 10 ℃， 冲击地压孕 育发展阶段， 煤体内部的能量处于逐渐累加过程， 煤 体温度迅速增加。同时煤体在冲击地压产生的振动 作用下， 瓦斯气体分子和煤分子的运动轨迹发生改 变， 在运动过程中相互反复摩擦， 摩擦过程产生并积 聚一定的热量， 提高了煤体内部的温度， 煤体温度升 高导致煤体内部瓦斯气体分子动能增大， 分子热运动 加剧。由于煤体吸附甲烷存在时间效应， 甲烷分子停 留在孔隙表面的时间减少， 煤体表面吸附甲烷分子的 覆盖率降低， 吸附量减小， 解吸量增大; 另一方面， 温 度升高， 煤体孔隙表面吸附瓦斯的自由活化能逐渐降 低， 瓦斯不能存在于孔隙表面， 而是游离到孔隙中， 使 煤体的解吸量增大， 煤体的瓦斯解吸量 Q abp 1 bp － 0. 1ab 1 0. 1 b 1 － exp － 2πKTηt 3r1 αEr 槡 2 0 6 式中a 极限解吸量， cm3/g; b 吸附常数， MPa －1; p 气体压力， Pa; K 波尔兹曼常数， 取 K 1. 380 650 5 10 －23J/K; η 校正系数， 一般取 η 0. 96; r0 煤样粒度， m; T 煤体温度， K; t 解吸时间， min; r1 瓦斯气体分子的半径， m; α 黏膜系数; E 煤体的弹性模量， Pa。 3防治措施 1 坚持 “瓦斯防治， 地质先行” 的方针， 针对深 部开采煤体瓦斯含量大等特点， 一方面要增加煤层 预抽钻孔的抽放时间， 尽量减小回采时煤层的瓦斯 含量; 另一方面， 在采掘工作面前方施工前探钻孔， 探测前方煤层赋存情况， 以便采取有针对性的瓦斯 防治措施。 2 采用均压通风， 尽量保持通风系统稳定， 减 少漏风， 抑制采空区瓦斯涌出， 降低上隅角瓦斯超限 几率， 确保安全生产。 3 加强矿井机电设备管理， 杜绝失爆现象发 生， 提高矿井检测监控水平， 掌握矿井及采掘工作面 瓦斯涌出量实时变化情况， 以便采取有针对性的瓦 斯防治措施。 4结语 1 深部开采煤体内由于抽放效果不佳的影响 而存在赋存良好的瓦斯源， 为瓦斯快速涌出提供了 物质条件; 煤层顶底版蕴藏大量的弹性能及深部开 采煤体瓦斯压力大等物性特征， 为瓦斯快速涌出提 供了动力条件。 2 理论推导建立了深部开采煤体渗透率与损伤 裂隙煤体体积应变的关系式， 表明煤体冲击失稳过程 经历初始微孔阶段、 微裂纹产生阶段、 裂纹快速发育阶 段、 煤体破坏失稳阶段， 4 个动态变化阶段伴随着煤体 渗透率的不断增加， 诱发大量积聚的游离瓦斯快速涌 出， 此为冲击地压诱发瓦斯异常涌出的主要原因。 3 冲击地压诱发的煤体形成剪切滑移面效应、 煤岩体振动效应、 煤体温度升高效应在一定程度上加 速煤岩体孔裂隙吸附瓦斯在短时间内大量涌出。 参考文献 ［ 1］王涛， 王曌华， 刘华博， 等． 冲击地压后瓦斯异常涌出条件及致灾 原因分析［J］． 煤炭学报， 2014， 39 2 371 －376． ［ 2］谢和平， 高峰， 周宏伟， 等． 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模 型研究［J］． 煤炭学报， 2013， 38 7 1 101 －1 108． ［ 3］李祥春， 聂百胜， 何学秋， 等． 瓦斯吸附对煤体的影响分析［J］． 煤 炭学报， 2011， 36 12 2 035 －2 038． ［ 4］陈向军， 贾东旭， 王林． 煤解吸瓦斯的影响因素研究［J］． 煤炭科 学技术， 2013， 41 6 50 －53， 79． 作者简介 安朝峰 1990 － ， 河南许昌人， 在读硕士研究生， 主要从事煤层瓦斯防治及岩层控制等方面的相关研究， 电子信 箱 38127268 qq． com． 责任编辑 张欣收稿日期 2014 －08 －31 921