煤和瓦斯突出过程中瓦斯作用机理的研究.pdf

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1、第),卷第.期中国安全科学学报@34?;=3A-,,,CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC煤和瓦斯突出过程中瓦斯作用机理的研究!!!刘建军梁冰章梦涛"中国科学院渗流力学研究所#"辽宁工程技术大学#$摘要%阐述了瓦斯在煤和瓦斯突出过程中所起的作用&指出煤层中瓦斯的存在改变了煤岩体的物理力学性质及响应特性’使之成为非稳定介质&特别强调在瓦斯突出发生时’瓦斯膨胀能起了至关重要的作用&由于瓦斯的存在’加剧了煤体失稳破坏的过程($关键词%煤和

2、瓦斯突出瓦斯膨胀能吸附与解吸瓦斯压力)引言根据大量实测资料表明’煤和瓦斯突出是在采动影响和煤岩变形与瓦斯渗流耦合作用下’煤岩体发生突然失稳破坏而出现的动力现象(在煤和瓦斯突出过程中’从煤体中喷出的煤岩体具有巨大的冲击力量’甚至可将煤岩体抛射到距工作面几米至几百米远的地方(同时’喷出的煤岩体和瓦斯可以极大地破坏采掘工作面和通风系统’还可以造成瓦斯窒息*瓦斯爆炸以及煤流埋人等重大伤亡事故(在煤和瓦斯突出过程中’突出倾向性煤层中可以放出几万至几十万立方米的瓦斯气体’甚至有的放出高达百万立方米以上的瓦斯气体(例如’在我国发生的最大的煤与瓦斯突出中’涌出的瓦斯量为)+,万立方米左右(突出倾向性煤

3、层中的瓦斯压力一般也比较高’多数高于),个大气压’有的甚至高达),,个大气压’例如’我国南桐矿务局及北票矿务局的突出倾向性煤层中的瓦斯就有如此高压瓦斯现象(在煤和瓦斯突出的孕育和发生过程中’瓦斯起着至关重要的作用(研究瓦斯在煤和瓦斯突出中的作用’对于弄清煤和瓦斯突出的机理’建立其发生的理论’预测和防治煤和瓦斯突出有着重要的实际意义和理论价值(-瓦斯对煤体力学变形特性的影响煤和瓦斯突出’主要是在煤体变形与瓦斯流动耦合作用下’煤体突然破坏而发生的力学过程(根据近代科学家*学者们的研究指出’煤岩体的失稳破坏是否发生’将取决于其力学变形特性是否呈现应变软化性质而成为非稳定介质(实验结果表明’煤

4、体中的瓦斯对煤体的物理力学性质及力学响应特性都产生影响(煤体的变形和破坏过程是其内部微裂纹*裂缝产生并扩展起主导作用的过程(在线弹性变形阶段’煤体内原有微裂纹的压密和新生微裂纹的产生同时进!中图号DE.)F!!博士研究生中国安全科学学报第十卷-/.-012345467895:273:7;<=>34?@’’’年AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA行!且压密和再生均是随机"少量的!而且速度接近相等#瓦斯孔隙压力的作用是阻止裂纹的压密!促使裂纹的产生#但进入塑性变形阶段以后!微裂纹开始大量产生!特别是在临近峰值强

5、度时!微裂纹密集!相互打接"交叉和并合!以致进一步变形!形成宏观裂缝#此时!瓦斯孔隙压力的作用减少宏观裂缝两个面间的正应力!使得面间的内摩擦力也减少#图$是通过刚性试验机试验而得到的煤在瓦斯孔隙压力作用下的一组应力%应变曲线&煤样取自北票矿务局台吉矿)$*$’号煤层(#从图$看出!孔隙瓦斯对煤体变形特性的影响主要表现在煤体孔隙中的瓦斯!不仅改变了煤体塑性变形阶段和峰值强度后变形阶段的力学性质和力学响应!而且改变了煤体的弹性变形特性!使得弹性模量"泊松比等力学参数不再为常数#即孔隙压力改变了包括弹性变形阶段在内的煤体的全部变形阶段的力学响应特性#孔隙瓦斯除了对煤有力学作用!即表现在孔隙压

6、力大小对煤的有效应力产生影响!煤体的变形和破坏受有效应力控制外!还有对煤体的非力学作用!即物理作用#二者都对煤体的力学性质和力学响应产生重要的影响#瓦斯对煤的非力学作用!主要是由煤对瓦斯气体的吸附和解吸作用产生的#煤体对瓦斯的吸附量越多!其吸附和解吸作用越强#当煤体吸附瓦斯量达到饱和状态时!其内部吸附和解吸作用与瓦斯压力有关!而且微小孔隙压力的变化都将使煤吸附和解吸大量瓦斯!因此!使其力学性质和变形特性也随之发生很大的变化#瓦斯在煤体中!以游离和吸附两种状态存在#瓦斯对煤体的纯力学作用是由游离瓦斯产生的!而非力学作用则是由吸附瓦斯引起的#在二者的共同作用下!煤体的力学性质及响应特性都发

7、生改变#从图$可以看出!在图$瓦斯压力对煤全程应力%应变曲线的影响瓦斯处于饱和状态下!当围压相同时!随着瓦斯压力的增加!峰值前煤体的弹性模量减小!峰值强度降低!峰值后曲线变陡!煤体的残余强度减低!软化特性增加#煤的强度&包括峰值强度和残余强度(随着瓦斯孔隙压力的增加而降低#其原因有两点+第一!游离瓦斯的孔隙压力对煤的力学作用与围压的作用相反!孔隙压力增加!有效应力减小!使煤抵抗破坏的能力降低,第二!瓦斯的非力学作用!即吸附瓦斯减小了煤体内部裂隙