煤与瓦斯突出过程中层裂煤体的结构演化及破坏规律

吴爱军，蒋承林，王法凯

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳621010；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221016；3.山东能源集团贵州矿业集团公司，贵州 贵阳734200）

煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯在一个较短的时间内突然连续地自煤壁抛向巷道空间所引起的剧烈的动力现象[1]。近年来，国内外积累了成千上万次的突出记录，总结了许多宝贵的防治突出的经验和技术[2－4]；在理论和实验研究方面也取得了丰硕的成果。如中科院力学所的郑哲敏院士、俞善炳教授等在模拟煤与瓦斯突出的激波管实验中发现，按瓦斯初压大小存在两种破坏模式：低压开裂和高压突出[5－6]。周世宁院士、何学秋教授等在研究了三维受力状态下含瓦斯煤样的流变特性的基础上，提出了煤与瓦斯的流变机理，并运用这一假说较好解释了煤与瓦斯延迟突出现象[7]。蒋承林等通过多次煤与瓦斯突出模拟实验，提出球壳失稳假说[1]。对实验过程的观察和分析得出：突出过程中煤体的破坏是以球盖状球壳的形式，快速地形成、扩展并失稳抛出。尹光志、赵洪宝、许江等以自行研制了大型煤与瓦斯突出模拟试验系统，对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究[8]。蔡成功按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程[9]。欧建春、王恩元等研制了一套煤与瓦斯突出模拟实验装置，通过高速摄像机对突出全过程进行实时观测，实现了对突出过程煤体破裂的演化规律进行分析[10]。日本的栗原一雄在实验室成功的模拟了煤与瓦斯突出[1]。

本文在总结前人理论和实验基础上，通过对多次煤与瓦斯突出物理模拟实验的研究发现，突出孔洞内残留层裂状煤体出现了几种不同的结构形状演化现象。对于这一现象，本文运用理论方法研究了突出过程中层裂状煤体的结构演化规律及其发生破坏的力学机制，通过对此问题的研究，将进一步揭示了突出过程中煤体的破坏机制和孔洞形成规律，这对提高煤与瓦斯突出的认识有着重要意义。

1 煤与瓦斯突出物理模拟实验

为了进行煤与瓦斯突出的模拟实验，我们设计了图1的突出模拟装置。

图1 突出模拟装置

将从现场采集到的具有突出危险性IV和V类的煤样筛分后，放入到突出模拟装置中压制成型，成型压力大于30MPa，围岩静压保持60小时以上，利用真空泵对煤体进行12小时的抽真空，达到要求后，关闭真空泵，并对煤体充入一定压力的瓦斯气体48小时，使成型煤样吸附瓦斯至平衡。在恒温条件下，用千斤顶顶开横档上的拉杆，则横档突然松开，堵头在瓦斯压力作用下被推出，揭开煤层，煤与瓦斯从缸体中突出来。下面就是具有典型代表的试验后缸体内突出残留煤样的照片，见图2、图3、图4。

图2 弱突出残留煤样

图3 强突出残留煤样1

图4 强突出残留煤样2

单独从实验结果来看，以上三个实验似乎并不相干，但通过对残留的层裂状煤体的结构进行分析，它们之间好像又存在着必然的联系：图2为“）”形，形成一个向里面凹进去的一系列层裂体；图3形成的残留煤样为“）”、“I”两种形状组合；据推断，图2和图3出现的“）”、“I”结构的层裂体应该在图4中出现，这样就在图4中形成了“）”、“I”和“（”层裂体三种的组合体。

显然，这样就在图3中出现了两种形状结构的层裂体演化，而图4中，连续出现了三种形状结构的层裂煤体的连续演化。

2 突出过程中层裂状煤体的演化规律研究

为了方便研究，根据图4，我们将突出孔洞大致分为三个区：凹面区、平面区和凸面区，见图5。

图5 突出孔洞内层裂煤体结构示意

本文主要研究内容：①突出过程中层裂煤体结构的演化规律；②三种不同结构层裂煤体发生破坏的力学机制。下面是选出的与上面三幅图对应的三组实验数据[1]，见表1。

表1 实验具体参数及实验结果

图表中弱突出和强突出的定义是以突出煤量占总质量的比值大小来划分的，一般以40%为界限，低于这个值时为弱突出，高于此值时为强突出。

针对图2所示弱突出的残留煤体图片，据此判断突出煤体为“）”型凹面层裂体，为此我们通过对突出过程来详细剖析“）”型凹面层裂体形成原因。模拟实验时，打开堵头，如同石门揭煤一样，堵头附近区域煤体由于侧向约束解除，在煤体内蓄积的弹性势能便以拉应力的形式使得这部分煤体向外发生膨胀位移，与此同时在煤体内也产生了一个抵抗向外膨胀位移的 “）”型结构，而竖向应力（模拟地应力）也在瞬间将煤体压裂，煤体中的瓦斯迅速解吸释放，形成较高瓦斯压力梯度，这样进一步撕裂煤体，而且同时又推动着层裂状煤体一层层的向外抛出。当突出动力与抵抗位移的阻力平衡时突出停止。整个过程，所形成的层裂煤体主要是“）”型凹面体。

针对图3所示的煤体结构，这是硬煤的强突出模拟图片，所形成煤体有“）”型凹面体和“I”型平面体。实验中煤体的压力和硬度都较高，突出层理清晰。对于整个突出过程来说，我们可以将其分为两个区域，第一是凹面区，第二是平面区。在第一区域发生的突出情形类似于图2的情况，在第二个区域发生的突出情形，层裂煤体的结构形状发生了变化，随着凹面体的曲率变大，凹面逐渐变为平面。究其原因，突出发生后，随着前方煤体的不断被抛出，对后方预突出煤体阻碍变小，其中预突出阵面煤体的中间部分在拉应力和瓦斯压力共同推动下向外膨胀的位移最大，向两边依次变小，同时又由于前方煤体突出后残留一些层裂体分布在两边侧壁，阻碍了两边侧壁煤体的向外膨胀形变，新产生的凹面体曲率开始变大，最终出现平面状的层裂体。与此同时，在竖向地应力作用下煤体边膨胀边被压裂破坏，快速释放的瓦斯形成较大的压力进一步撕裂煤体，当突出动力超过平面体抵抗极限时，平面层裂煤体被破坏，突出继续向煤体深部发展。同样，当两者达到力的平衡时，突出停止。

从图4可以看出，缸体中残留煤样的层裂体为“）”、“I”和“（”三种形状的组合体。根据上面两个实验中层裂状煤体的形成原因对比分析，首先，煤体的硬度较软，虽然瓦斯压力不大，在实验中发生了强烈突出，并出现了“）”、“I”和“（”三种形状逐渐演化现象。其次，从图片可以看出，在第一、第二区域的煤体都被抛出，残留物很少，这对后方预突出煤体的位移和变形提供了扩展的空间，由于煤体较软，它的弹性模量也较低，侧向约束解除后，其变形和位移的幅值较硬煤偏大，同样在瓦斯压力、地应力和围岩约束的共同作用下，由层裂体的形状结构迅速地由凹面、平面迅速地过渡到了凸面，即呈现出“）”型→“I”型→“（”型的变化，并且在这个突出试验中，形成的“I”型平面体数量偏少。同样如此，不管是什么结构的层裂体，在竖向地应力作用下煤体边膨胀边被压裂破坏，快速解吸出来的瓦斯进一步撕裂煤体，当突出动力超过“（”型凸面体抵抗极限时，凸面层裂煤体被破坏，当两者达到力的平衡时，突出停止。

在实际的现实突出灾害中，图4这种突出形成的结构方式较接近于现实情况。

综上所述，煤体发生位移基本上是由三部分组成，第一部分是煤体弹性势能的释放产生的拉应力和竖向应力压裂煤体的扩容等引起的位移；第二部分是由瓦斯压力的推动；第三部分是约束和阻力阻碍位移的产生：一是缸体的围岩和顶底钢板的约束，二是竖向地应力在压裂破坏时产生切向阻力（平行于顶底板方向），三是突出过程中前方突出残留煤体的阻挡作用。可以看出层裂煤体产生的位移是由这三部分动力和阻力共同作用的结果。

此实验中，竖向压应力为最大的主应力，通过残留煤样的观察，，煤体内形成了类似于单轴压缩时X形状的破坏结构，而水平方向上的主要破坏动力为瓦斯压力，煤体便在两种力的作用下形成了阻止突出破坏的层裂状结构，而这些结构形状的又经历了一系列的演化。从上面分析的结论可以得到，突出一旦发动，其阻碍突出的阻力变得越来越弱；并且，在实际突出事故中，已经发生过突出的地方，容易再次发生突出[11]，就是因为煤体中形成了有利于再次发生突出的结构。为了进一步说明这些结构与突出的关系，下面通过对这些层裂体进行力学计算进一步论证。

3 层裂煤体破坏力学机制研究

蒋承林[12]曾在提出煤与瓦斯突出球壳失稳的理论中，阐述了发生突出的三个力学条件，其中第三个力学条件就是“凹形”球壳煤体在瓦斯压力作用下发生破坏机制，本文在此基础上分别研究三种类型的层裂煤体发生破坏的力学条件。

从图5所示孔内层裂煤体结构示意图，抽象出三种结构力学模型，具体如图6所示。为了研究的方便，假设：①把层裂煤体视为为各向同性、均质且没有裂隙的完整规则的曲面体，层裂体的厚度相对于截面曲切向尺寸较小，可以作为薄的板壳体来处理；②球壳内的瓦斯不外泄，被封闭在球壳之间；③各个层裂煤体的边沿部分均处于固定约束，前后两截面仅受到腔内外气体压力，没有结构残余应力。

图6 突出层裂体力学模型

3.1 凹面层裂煤体破坏力学条件分析

基于以上假设和凹面层裂煤体力学模型，运用板壳理论中壳体失稳理论进行了论证[13]。单层球壳失稳临界载荷Pcr见式（1），球壳失稳时的临界条件见式（2）。

式中：E为弹性模量，MPa；ti，Ri为某凹面层裂煤体的厚度和曲率半径，m；μ为泊松比。

式中：p′为层裂体内外气体压力差，MPa。

在揭开堵头，突出的一瞬间，堵头附近区域煤体自然形成拱形也就是凹面体结构，这种结构用来抵抗内部压力的破坏，显然这是岩石自然适应性的一种体现。

3.2 平面层裂煤体破坏力学条件分析

当凸面层裂煤体逐渐被破坏抛出孔洞后，后方的被撕裂的层裂煤体曲率半径越来越大，逐渐变为了平面，此时突出孔洞内开始出现的平面类型薄板结构。在这个模型中可以应用弹性力学中的圆形薄板失稳破坏理论来求解。

根据文献[14－15]，得到圆形薄板失稳的临界荷载，见式（3）。

式中：p″为平面体内外气体压力差，MPa。

3.3 凸面层裂煤体破坏力学条件分析

凸面层裂煤体此时受力情况与凹面结构体正好相反，凹面结构的中面受到的合力为外压应力，而凸面结构则受到的为拉应力，因为煤岩体的抗拉强度远小于抗压强度，为此这里使用的抗拉强度来作为破坏的力学条件。

根据对称性球壳体的受力计算得到式（4）。

当σ≥[σt]时，煤体发生破坏，[σt]为煤体的抗拉强度，MPa。令凸面层裂煤体内外压力差为：p‴＝p1－p0。

根据式（4），则当p‴≥2[σt]ti／Ri时，煤体发生破坏，根据实验测量，一般情况下层裂体的厚径比，而煤岩的抗拉强度远小于其抗压强度[15]（一般为抗压强度的0.009～0.06倍），也就是说层裂煤体内外应力差达到抗拉强度的0.0009～0.006作用时，故在受载不大时就有可能出现拉伸破坏。

综上所述，为了更好的对以上三种结构的层裂煤体破坏的临界值进行比较，这里进行如下假设：①假设各个煤样的弹性模量、抗拉强度、抗压强度、泊松比等参数相等；②假设各个层裂状煤体的厚径比相等。

为此，我们引用文献[16]中的下列数据来分析。

表2 煤体物理力学参数[16]

利用前面分析三种情况的公式得到，三种情况下临界应力排序见式（5）。

从式（5）可以看出，随着煤与瓦斯突出向煤体深部进展，层裂煤体形状不断演化，利用自身的力学结构来抵抗瓦斯动力的破坏已经越来越弱。这个结论正好能够说明上一节中“已经发生过突出的地方，容易再次发生突出”这一问题。

4 结论

1）通过对煤与瓦斯突出物理模拟实验残留的煤样研究发现，在突出过程中一般会依次产生三种形状的层裂体：“）”型凹面体、“I”型平面体与“（”型凸面体。

2）通过分析，影响这种结构形状演化因素主要有地应力、瓦斯压力、煤体的物理力学性质以及缸体围岩的约束等。

3）煤体发生位移可以由三部分组成：第一部分是煤体弹性势能的释放膨胀形变和竖向应力压裂煤体的扩容等引起的位移；第二部分是由瓦斯压力的推动；第三部分是约束和阻力阻碍位移的产生，一是缸体的围岩和顶底钢板的约束，二是竖向地应力在压裂破坏时产生切向阻力，三是前方突出残留煤体的阻挡。可以看出层裂煤体产生的位移是由这三部分动力和阻力共同作用的结果。

4）根据三种层裂体的形状，分别建立了相应的力学模型，经计算得到如下结论：随着突出进展，层裂状煤体的结构演化，其依靠自身结构来抵抗破坏临界值越来越低；据此结果进一步推论得出：随着层裂煤体的演化，其所需破坏、突出的动力随之减小，突出变得更加容易；随着突出层裂体的阵面向深部扩展，层裂体的厚度逐渐变小，突出动力—瓦斯压力逐渐变弱，待新形成的层裂体的抵抗力和瓦斯压力平衡时，突出停止。

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