王 偉, 王漢鵬, 張 冰, 徐 飛

(1. 山東大學 巖土與結構工程研究中心, 山東 濟南 250061; 2. 山東大學 齊魯交通學院, 山東 濟南 250061; 3. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所, 河北 石家莊 050043)

隨著煤炭開采不斷走向深部,煤層瓦斯的含量及壓力均顯著增大,導致煤與瓦斯突出發(fā)生的頻率及強度不斷增加,煤與瓦斯突出已成為影響煤礦安全生產的重大災害[1-4].

煤與瓦斯突出過程涉及多場多相賦存、瓦斯吸附解吸、煤巖動力破壞及多物理場時空演化等過程,作用機理非常復雜[5-6].文獻[7]提到了26個可能影響煤與瓦斯突出的因素,如煤巖物理力學性質、煤層厚度、煤層埋藏深度、瓦斯含量、瓦斯壓力、地應力、構造應力、地下水和地質構造等.目前廣大學者普遍認可綜合作用假說及CSIRO模型,并針對綜合作用假說中涉及的瓦斯壓力、地應力及煤體強度等突出關鍵因素開展了深入研究[8-9].在瓦斯壓力方面:文獻[10]認為吸附瓦斯量越多,突出持續(xù)時間越長;文獻[11]認為突出發(fā)生前瓦斯解吸量呈指數增長,瓦斯膨脹能迅速積聚,當達到相應能量閾值時發(fā)生突出;文獻[12]認為突出過程中瓦斯膨脹能快速釋放形成的反向卸載應力波和高瓦斯壓力梯度,將對煤體產生張拉效應,加劇煤體破壞.在地應力方面:文獻[13]認為主應力越大,突出強度及突出煤體的分離度越大;文獻[14]認為巷道走向平行于最大主應力方向,可降低突出風險;文獻[15]認為隨著地應力的增加,煤體瓦斯釋放量增加1～2.4倍,并呈周期性變化.在煤體強度方面:文獻[16]認為煤體強度越低,瓦斯吸附能力越強,瓦斯解吸速度越快,突出風險越高;文獻[17]認為煤體強度越高,突出阻礙作用越明顯,突出強度越低;文獻[18]認為煤層強度越低,發(fā)生突出的臨界瓦斯壓力越小.

從能量角度分析,煤與瓦斯突出的本質是由于“煤-瓦斯-圍巖”系統的能量平衡狀態(tài)被打破,為尋求新的能量平衡而發(fā)生的劇烈能量轉換.因此,基于上述煤與瓦斯突出多因素影響規(guī)律,建立多因素突出能量模型,試圖從能量角度分析煤與瓦斯突出多因素演化過程.文獻[19]認為突出影響范圍內的煤體彈性能W1與瓦斯膨脹能W2為突出主要能量來源,煤體破碎功A1與拋出功A2為主要能量耗散方式.文獻[20]根據試驗結果建立了煤體彈性勢能和瓦斯膨脹能的計算方法,文獻[21]提出了突出煤體破碎功和瓦斯膨脹能計算公式,并建立了突出強度能量評價模型,文獻[22]通過分析多種因素對初始釋放瓦斯膨脹能的影響,提出了初始釋放瓦斯膨脹能計算方法,文獻[23]從能量角度對軟硬組合煤體的突出失穩(wěn)進行了定量描述.

綜上所述,針對煤與瓦斯突出過程單一因素影響規(guī)律的研究及突出能量模型的建立取得了較大進展,但仍缺乏對突出過程多因素耦合影響規(guī)律及綜合性突出判據的系統性定量研究.為此,本文利用煤與瓦斯突出模擬系統開展了多組含瓦斯煤快速揭露致突模擬試驗,獲得了12組不同軸向應力、煤體強度及其突出臨界瓦斯壓力條件下的突出現象及數據,從能量角度分析了軸向應力、煤體強度及瓦斯壓力的耦合影響規(guī)律,并基于煤體彈性能、瓦斯膨脹能、煤體強度、煤體密度等因素,建立了反映煤與瓦斯突出臨界條件的綜合性突出能量判據.

1 突出模擬試驗方案

1.1 試驗系統

自主研發(fā)的煤與瓦斯突出模擬試驗系統主要包括密封加載腔體、快速揭露機構、面式充填加載板、萬向節(jié)、油缸、液壓站、氣體充填單元及信息采集單元[24],如圖1所示.

圖1 煤與瓦斯突出物理模擬試驗系統

密封加載腔體為試驗系統的主體部分,用于形成煤體氣固耦合賦存環(huán)境:其前部安裝用于快速揭露煤體誘導致突的快速揭露機構;其后部安裝用于瓦斯均勻充填的面式充填加載板,并通過萬向節(jié)與油缸連接.氣體充填單元與密封加載腔體連通,用于抽真空及高壓瓦斯充填.液壓站與油缸連接,為其提供用于軸向應力加載的高壓油.信息采集單元包括高速攝像機及3個采集頻率為1 000 Hz的氣壓傳感器,用于實現突出瞬態(tài)過程高速攝像及瓦斯壓力高頻采集.試驗系統技術指標如表1所示.

表1 突出模擬試驗系統主要技術指標

1.2 含瓦斯煤相似材料

利用課題組自主研發(fā)的含瓦斯煤相似材料開展突出模擬試驗,該材料以一定粒徑分布的煤粉為骨料,以腐植酸鈉水溶液為膠結劑,通過15 MPa軸向力壓制成型.試驗表明該材料的密度、孔隙率及吸附解吸特性均與原煤相似,抗壓強度0.5～2.8 MPa可調[25].按此方法制作3組強度分別為0.5,1.0,1.5 MPa的試件,編號備用.對應制作相應強度的標準試件開展相關基礎試驗,試件的物理力學參數如表2所示.

表2 試件的物理力學參數實測平均值

1.3 試驗過程

模擬試驗軸向應力分別為5,10,15,20 MPa,煤體強度分別為0.5,1.0,1.5 MPa,二者對應組合開展試驗,獲取不同煤體強度及軸向應力條件下的突出臨界瓦斯壓力.

首先開展20 MPa軸向應力、0.5 MPa煤體強度及0.05 MPa瓦斯壓力條件下的模擬試驗,如果發(fā)生突出,將0.05 MPa視為該軸向應力及煤體強度條件下的突出臨界瓦斯壓力.如果不發(fā)生突出,依次更換相同強度煤體試件,加載相同軸向應力,并遞增0.05 MPa瓦斯壓力開展試驗,直至發(fā)生突出現象,獲取該條件下的突出臨界瓦斯壓力及其相關試驗結果.保持軸向應力為20 MPa,依次調整煤體強度為1.0,1.5 MPa,按照上述流程依次開展試驗,并將上一組試驗獲取的突出臨界瓦斯壓力作為下一組試驗的首次充填瓦斯壓力,獲取不同條件下的突出臨界瓦斯壓力及其相關試驗結果.按照上述流程依次開展15,10,5 MPa軸向應力及其對應不同煤體強度條件下的突出模擬試驗,并將較大軸向應力及相同煤體強度條件下的突出臨界瓦斯壓力作為首次充填瓦斯壓力,獲取突出臨界瓦斯壓力及其相關試驗結果.如果首次充填瓦斯壓力條件下便發(fā)生突出,則遞減0.05 MPa瓦斯壓力開展試驗,從而獲取準確的突出臨界瓦斯壓力.

具體試驗流程如圖2所示.試驗過程中獲取瓦斯壓力、突出煤粉質量、突出煤粉瞬時速度和突出煤粉平均粒徑等參數用于后期分析.其中突出煤粉質量取煤體總質量與剩余煤體質量的差值;利用高速錄像獲取突出煤粉到達指定距離L所用時間t,突出煤粉平均速度為v=L/t;突出煤粉平均粒徑利用斯克拉姆塔耶夫平均粒徑公式求得:

Da=

(1)

式中:Da為平均粒徑,mm;G1,G2,G3,G4,G5分別為0.15,0.30,0.60,1.20,2.50 mm各級篩的剩余質量;G為突出煤粉總質量.

圖2 煤與瓦斯突出模擬試驗流程

2 突出模擬試驗結果

根據上述方案開展模擬試驗,軸向應力、煤體強度及獲取的突出臨界瓦斯壓力如表3所示,其中Ⅰ-1及Ⅲ-1組模擬試驗的突出強度明顯低于其余10組.為方便對比分析,將這兩組試驗視為小型突出,其余10組試驗視為劇烈突出.

表3 不同模擬條件下突出臨界瓦斯壓力

2.1 模擬試驗突出現象

模擬試驗突出現象如圖3所示.發(fā)生劇烈突出的模擬試驗出現劇烈動力現象,突出持續(xù)時間約為0.7 s,大顆粒煤粉明顯處于突出氣流下部,在氣流推力和重力作用下形成分選現象,劇烈突出瞬間的整體試驗現象及突出口處試驗現象如圖3a,圖3b所示.發(fā)生小型突出的模擬試驗出現微弱動力現象,突出煤量及突出距離明顯小于劇烈突出,并發(fā)出微弱的氣體泄露聲響,小型突出瞬間的突出口處試驗現象如圖3c所示.

2.2 煤體破壞特征

煤體破壞特征如圖4所示.未發(fā)生突出的煤體破裂成大塊,且揭露端產生微弱拉裂紋,如圖4a所示.發(fā)生小型突出的煤體形成口大腔小的突出孔洞,如圖4b所示.發(fā)生劇烈突出的煤體形成口大腔小、口小腔大、沿軸線、偏離軸線等多類孔洞形狀,如圖4c所示.當突出過程能量積聚相對較小時,煤體破碎及拋出能量不足,在突出孔洞邊緣殘留部分煤體,阻礙煤體進一步破裂拋出,形成口大腔小的突出孔洞.當突出過程能量積聚相對較大時,裂紋擴展范圍及煤體拋出范圍逐漸增大,突出孔洞逐漸變寬,從而形成口小腔大的突出孔洞[26].當突出孕育階段煤體發(fā)生不均勻破壞時,突出發(fā)展階段的破壞陣面主要沿軸線方向發(fā)展,但又偏向于選擇強度最低的區(qū)域,使突出擴展方向偏離軸線.

圖3 煤與瓦斯突出模擬試驗現象

圖4 煤體破壞特征

2.3 氣壓變化規(guī)律

突出過程瓦斯壓力變化規(guī)律如圖5所示.選取12組突出模擬試驗中1號氣壓傳感器的瓦斯壓力數據進行分析,不同瓦斯壓力曲線的初始降低點之間設置時間差,如圖5a所示.發(fā)生劇烈突出的試驗,瓦斯壓力均在突出發(fā)生約0.6 s后下降至0.12～0.16 MPa,此類突出過程中煤體劇烈破壞,滲透率急劇增大,瓦斯迅速涌出,瓦斯壓力快速下降.突出發(fā)生后殘余煤體的吸附瓦斯持續(xù)解吸放散,使突出后的殘余瓦斯壓力仍略高于大氣壓力.當煤粉突出速度達到突出孔洞的臨界運動狀態(tài)時,瓦斯壓力突然增高.發(fā)生小型突出的兩組試驗,瓦斯壓力在突出發(fā)生7～8 s后下降至約0.25～0.35 MPa,此類突出過程中煤體的破壞程度相對較低,滲透率相對較小,瓦斯壓力下降相對緩慢.

圖5 突出過程瓦斯壓力變化規(guī)律

在Ⅱ-1組模擬試驗中,3個氣壓傳感器獲取的瓦斯壓力曲線如圖5b所示.突出發(fā)生前,瓦斯壓力保持穩(wěn)定;突出發(fā)生后,1～3號傳感器處的瓦斯壓力依次下降,且瓦斯壓力曲線斜率依次減小,表明破壞陣面由煤體前部逐漸向后部非穩(wěn)定推進,突出強度逐漸衰減.突出孔洞尺寸實測形狀如圖5c所示,破壞陣面未發(fā)展至3號傳感器位置,該處煤體相對完整,滲透率相對較低,該處瓦斯壓力緩慢下降,變化趨勢明顯不同于另外2處.在突出發(fā)生、發(fā)展、高潮及終止過程中,1號及2號傳感器處的瓦斯壓力可分為高壓瓦斯快速涌出階段及殘余瓦斯緩慢釋放階段,瓦斯壓力先劇烈降至殘余瓦斯壓力,然后緩慢降至大氣壓力.

3 煤與瓦斯突出能量分析

3.1 多因素耦合影響規(guī)律

突出臨界瓦斯壓力變化規(guī)律如圖6所示,突出臨界瓦斯壓力隨煤體強度的增加而增大,隨軸向應力的減小而增大.以臨界瓦斯壓力為指標,分析可知,突出危險性隨煤體強度的增加而減小,隨軸向應力的增加而增大.在Ⅰ-1,Ⅰ-2,Ⅱ-1試驗中, 突出臨界瓦斯壓力分別為0.65, 0.70,0.70 MPa,表明在較低的煤體強度及較高的軸向應力組合條件下,瓦斯壓力低于0.74 MPa,存在發(fā)生煤與瓦斯突出的危險.

圖6 突出臨界瓦斯壓力變化規(guī)律

為進一步研究突出臨界瓦斯壓力的變化機制,針對模擬試驗發(fā)生突出的能量條件進行分析.能量條件是突出激發(fā)與發(fā)展的必要條件,可反映彈性模量、泊松比、孔隙率等多種因素的耦合作用結果,對研究突出機理具有重要意義[27-28].

從能量角度分析,煤與瓦斯突出是由于采掘工作面前方煤巖體內能量積聚到一定程度后,原有能量平衡狀態(tài)被打破而造成能量迅速釋放,可將煤巖體內積聚的能量稱為突出潛能,突出過程迅速釋放的能量稱為突出耗能.前人建立的突出能量模型通常將煤體彈性能、瓦斯膨脹能視為突出潛能,將煤體破碎功和拋出功視為突出耗能.為方便研究,提出以下假設:含瓦斯煤體為連續(xù)介質,物理力學性質具有均勻各向同性;含瓦斯煤體應力狀態(tài)符合極限應力平衡條件,且破壞符合庫侖準則;煤體中的瓦斯壓力分布符合均質煤層徑向穩(wěn)定流條件;瓦斯解吸為瞬態(tài)過程,解吸過程不做功,且瓦斯膨脹為絕熱過程.綜合考慮上述假設與前人[19，21，29-32]提出的突出能量計算方法,將突出能量模型表示為:

(2)

上述能量模型沒有將煤礦現場地震、斷層滑移、頂板破斷、施工爆破等能量巨大、發(fā)生突然的擾動能量作為突出潛能,因此上述能量模型不適用于擾動能量誘發(fā)的煤與瓦斯突出.

突出潛能與突出耗能之比如圖7所示.按照式(2)所述的突出能量模型求得的突出潛能均略大于突出耗能,這是由于本文采用的突出能量模型忽略了煤體摩擦、振動、發(fā)熱、聲發(fā)射等各種能量耗散方式.在劇烈突出試驗中,突出潛能與突出耗能之比為1.08～1.18;在小型突出模擬試驗中,突出潛能與突出耗能之比明顯小于劇烈突出試驗,Ⅰ-1及Ⅲ-1組試驗中突出潛能與突出耗能之比分別為1.03和1.01,由此驗證了能量條件對發(fā)生劇烈煤與瓦斯突出的必要性.按照上述突出能量模型,只有突出潛能與突出耗能之比達到一定值時,才可能發(fā)生劇烈突出.當地應力保持不變,即煤體彈性能不變,煤體強度越高,突出過程中煤體破碎所需能量越大,突出發(fā)生所需瓦斯膨脹能亦相應增大,從能量角度分析得出突出臨界瓦斯壓力隨煤體強度的增加而增大.

圖7 突出潛能與突出耗能之比

各部分突出潛能所占比例如圖8所示.突出潛能中煤體彈性能所占比例為2.7%～55.4%,煤體彈性能所占比例隨著軸向應力的減小而降低.當煤體強度保持不變時,即突出所需耗能不變,軸向應力越小,煤體內積聚的彈性能越小,此時突出激發(fā)所需的瓦斯膨脹能相應增大,從能量角度分析可知突出臨界瓦斯壓力隨軸向應力的減小而增大.

圖8 各部分突出潛能所占比例

3.2 突出能量判據

圖9 無量綱參數統計分析

10組劇烈突出的坐標點均位于一條直線附近,而2組小型突出的坐標點明顯位于該直線下方.12組模擬試驗均是在不同地應力、煤體強度及其突出臨界瓦斯壓力組合條件開展的,由此可將10組劇烈突出坐標點的擬合直線視為發(fā)生劇烈煤與瓦斯突出的臨界判據.將擬合直線轉化為式(3)形式,公式左側為突出能量判據指標.當判據指標大于1時,將發(fā)生劇烈突出;當判據指標小于1時,將發(fā)生小型突出或者不發(fā)生突出.

(3)

上述無量綱形式的突出能量判據由模擬試驗得出,現場使用時需針對實際工況進行修正,從而對煤層突出危險性進行評價,為煤與瓦斯突出預測預警提供借鑒.

3.3 突出判據指標變化規(guī)律

選?、?1組模擬試驗相關參數為初始值,按一定比例依次改變煤體強度、地應力及瓦斯壓力,將改變后的試驗參數代入式(3),計算該條件下的突出能量判據指標.突出關鍵因素對突出判據指標的影響如圖10所示.

由圖10可知,初始參數下Ⅰ-1組模擬試驗突出能量判據指標小于1,所以只發(fā)生了小型突出,動力現象不明顯.當軸向應力增大21.6%、瓦斯壓力增大5.5%或煤體強度降低6.7%時,能量判據指標將達到1,發(fā)生劇烈突出.由此可得,瓦斯壓力及軸向應力越大,煤體強度越小,突出危險性越高;以突出能量判據指標的變化量為衡量指標,三大突出關鍵因素對突出危險性的影響重要程度排序為:瓦斯壓力>煤體強度>軸向應力.

圖10 突出關鍵因素對突出判據指標的影響

4 結 論

1) 利用煤與瓦斯突出模擬試驗系統開展了多組受載吸附瓦斯煤體快速揭露致突模擬試驗,獲得了12組不同的軸向應力、煤體強度及其突出臨界瓦斯壓力條件下的突出現象及數據.基于試驗數據及突出能量模型,從能量角度分析了突出臨界瓦斯壓力與煤體強度呈正相關、與軸向應力呈負相關,并驗證了能量條件對突出激發(fā)的必要性.

2) 基于12組突出模擬試驗,選取煤體彈性能、瓦斯膨脹能、煤體強度及密度等參量建立了兩個綜合考慮多種影響因素的無量綱參數,擬合得出了發(fā)生劇烈突出的臨界能量判據公式.當判據指標小于1時,將不發(fā)生突出或發(fā)生小型突出;當判據指標大于1時,將發(fā)生劇烈突出.利用臨界能量判據定量分析得出:瓦斯壓力及軸向應力越大,煤體強度越小,突出危險性越高,各因素對煤與瓦斯突出危險性的影響程度由高到低依次為瓦斯壓力、煤體強度、軸向應力.