煤與瓦斯突出過(guò)程中孔洞的形成機(jī)制

1、煤與瓦斯突出過(guò)程中孔洞的形成機(jī)制作者：汪長(zhǎng)明，王振，梁運(yùn)培，金洪偉摘 要：通過(guò)分析煤與瓦斯突出孔洞周圍的應(yīng)力分布和高壓固氣混合物的氣 體作用特征，分析了突出孔洞發(fā)生的位置、形狀，得出了地應(yīng)力控制孔洞的破 壞范圍并引導(dǎo)著孔洞破壞發(fā)展方向的結(jié)論，解釋了突出孔洞的形成機(jī)制，達(dá)到 了更為深入地認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出機(jī)制的目的。關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出；孔洞；高壓固氣混合物；形成機(jī)制煤與瓦斯突出作用機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)被普遍接受的是綜合作用假說(shuō)，即煤與瓦 斯突出是受到采動(dòng)影響的煤體在地應(yīng)力、煤中瓦斯以及煤體力學(xué)性質(zhì)等綜合作 用下，發(fā)生失穩(wěn)破壞而突然產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象。煤與瓦斯突出能在很短的時(shí)間內(nèi)，由煤體向巷道或采場(chǎng)噴出大量的

2、瓦斯及 碎煤，并在煤體中形成特殊形狀的孔洞。筆者主要分析煤與瓦斯突出過(guò)程中孔 洞形成機(jī)制，以便達(dá)到更為深入認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出機(jī)制的目的。1突出孔洞的基本特征根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，把礦井瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象分為煤的突然傾出、煤的突然 壓出、煤與瓦斯突出、巖石與瓦斯突出、瓦斯噴出5類。根據(jù)研究需要，把傾 出、壓出和煤與瓦斯突出形成的孔洞特征列于表11-。表1各類突出孔洞特征匹出胃體莊隴世胡工作撕上方此工作面*盲或工柜面壁太多在工作藺上力*N廉隊(duì)汩早口大監(jiān)小無(wú)1箱甫呈曰 大腔小的喉畛無(wú)孔牖呈口大膠小的映眼孔消呈口小胺大的大于自大于義大于或小于自從表1可以看出，煤與瓦斯突出所形成的孔洞形狀與傾出和壓出有明顯的 差

3、異：煤與瓦斯突出所形成的孔洞呈口小腔大的梨形、橢圓形等，而傾出和壓 出則為無(wú)明顯孔洞或呈口大腔小的形狀。2煤與瓦斯突出過(guò)程中孔洞的形成機(jī)制統(tǒng)計(jì)資料顯示，煤與瓦斯突出孔洞的位置及形狀各式各樣。但大部分孔洞 位于巷道上方（尤其是兩側(cè)角部）。突出孔洞口小腔大，呈梨形或橢圓形且孔洞 的上部一般帶有自然拱的穩(wěn)定形狀；孔洞中心線通常和煤層仰斜呈一定角度，或與仰斜的煤層同一方向深入煤體；沿巷道推進(jìn)方向，孔洞傾角（中心線與水平 面之夾角）在40o45。（傾出孔洞大于40o45。），很少有水平方向的。2.1煤與瓦斯突出孔洞發(fā)生的位置瓦斯內(nèi)能在煤體的粉碎破壞和拋出過(guò)程中起主要作用，但地應(yīng)力對(duì)煤體的 初始破壞作用是

4、突出發(fā)動(dòng)的先決條件。根據(jù)礦山壓力分布規(guī)律可知，巷道上方 （尤其是兩側(cè)角部）為應(yīng)力最為集中的部位（見(jiàn)圖1）。而煤與瓦斯突出孔洞多位于 巷道上方及兩側(cè)角部的事實(shí)也證明了突出往往發(fā)生在集中應(yīng)力作用下煤體發(fā)生 破壞的區(qū)域。2.2煤與瓦斯突出孔洞發(fā)生的形狀2.2.1拱形形狀的形成是應(yīng)力的分布和煤體的自穩(wěn)要求所決定的首先，根據(jù)力學(xué)作用原理，物體的變形、破壞和移動(dòng)是沿著合力的作用線 方向的。在突出孔洞周圍由于自由面的存在，煤體內(nèi)有效應(yīng)力分布及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì) 見(jiàn)圖2。其次，煤體的自穩(wěn)要求決定其垮落失穩(wěn)的最終形狀為內(nèi)凹弧形，即拱形。 這一點(diǎn)可以從巷道松動(dòng)圈的形成過(guò)程來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。圖1矩形巷道正應(yīng)力分布圖孔WHE獎(jiǎng)II

5、美度普K?軟出胃體布地邸工作而上標(biāo)上T.作皿期方戒IKK工作面壁大歲在工借面上方反雨藺和口大腔小哽啊無(wú)孔布或呈U 墻小的好大瞪小的棍解 孔洞墨口小似大的形等f(wàn)r：大于誠(chéng)宏8犬干或小于自rH-nl角圖2孔洞周圍應(yīng)力作用線分布示意圖孔匹出的瓦斯黜工作撕上方此工作面*盲或工柜面壁太多在工作藺上力*N廉凡汩早口大監(jiān)小王孔戲呈口無(wú)孔呈口孔淚呈口小麻火的大于官怖于義大于或小于自矩形巷道周圍煤體破壞發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖3。由于應(yīng)力集中程度的不同，開(kāi)巷后 在集中應(yīng)力最為嚴(yán)重的a區(qū)首先發(fā)生破壞，其他依次是b區(qū)、c區(qū)、d區(qū)，而且c 區(qū)、d區(qū)在a區(qū)、b區(qū)后必然連續(xù)發(fā)生；當(dāng)破壞發(fā)展到一定深度后，巷道表面逐 步呈現(xiàn)光滑的弧形，

6、應(yīng)力集中程度逐步趨于一致，最終達(dá)到平衡。圖3矩形巷道周圍煤體破壞發(fā)展過(guò)程示意圖孔匹出胃體住弟；世胡的瓦斯黜工作撕上方此工作面*盲或工柜面壁太多在工作藺上力*N廉凡汩早口大監(jiān)小王孔戲呈口無(wú)孔呈口孔淚呈口小麻火的大于官怖于義大于或小于自在突出的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)力的分布和煤體的自穩(wěn)要求決定了煤體在應(yīng)力作 用下的破壞趨于內(nèi)凹弧形，并且地應(yīng)力在此過(guò)程中起到控制作用。2.2.2 口小腔大由于瓦斯參與程度的不同而造成傾出和壓出所形成的孔洞呈口大腔小的形 狀，而煤與瓦斯突出所形成的孔洞呈口小腔大的梨形、橢圓形等。1）自由面增多導(dǎo)致破壞范圍增大。突出的初始階段，在應(yīng)力梯度的作用下， 煤體的破壞發(fā)展沿自由面方向進(jìn)行

7、，即為近水平方向；而隨著突出的發(fā)展，自 由面也由單向變?yōu)槎嘞?。隨著自由面的增多，煤體的破壞發(fā)展也將沿多個(gè)方向 進(jìn)行。因此，潛在的破壞范圍增大是孔洞腔大的主要原因。2）高壓固氣混合物的氣體作用特征。瓦斯突出煤體中的原生微孔隙結(jié)構(gòu)一 般都隨機(jī)分布，沒(méi)有明顯的方向性。雖然根據(jù)G. C. Sih的分析結(jié)果，煤體在 受壓狀態(tài)下發(fā)生破壞而產(chǎn)生大量的x型裂紋有沿主應(yīng)力方向擴(kuò)展的傾向。瓦斯 對(duì)煤體的拉伸破壞，不僅取決于應(yīng)力的分布，還取決于煤體弱面的發(fā)展，瓦斯 對(duì)煤體的撕裂作用始終趨向薄弱處進(jìn)行。這就決定了瓦斯對(duì)煤體的撕裂呈現(xiàn)局 部無(wú)序而整體有序的特征（見(jiàn)圖4）。在空腔內(nèi)部，高壓固氣混合物對(duì)孔洞四周的 破碎煤體

8、不停地產(chǎn)生撞擊，這種撞擊促成了孔壁四周煤體的垮落破壞。圖4孔洞內(nèi)煤體的破壞發(fā)展示意圖孔匹出胃體住弟；世胡的瓦斯黜工作撕上方此工作面*盲或工柜面壁太多在工作藺上力*N廉凡汩早口大監(jiān)小五孔戲呈口無(wú)孔呈口孔淚呈口小麻火的大于官怖于義大于或小于自煤體初始的破壞范圍小，即孔口小，但固氣流在拋出之前的運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的， 這種無(wú)序的運(yùn)動(dòng)有利于高壓固氣混合物對(duì)孔洞周圍煤體的破壞，從而擴(kuò)大煤體 的破壞范圍，而固氣混合物是以流體的形式運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)在能量不是特別集 中爆發(fā)的條件下，只要有一自由面，高壓固氣混合物即會(huì)沿自由空間向外拋出， 這也造就了孔洞口小腔大的特點(diǎn)。如果說(shuō)地應(yīng)力的破壞作用使得破碎空間的邊 緣形成的弧形

9、初具模樣的話，那么瓦斯作用使得破碎空間周圍的煤體產(chǎn)生垮落 則使得弧形更為光滑。瓦斯作為一種氣體，其能量的爆發(fā)需要一定的時(shí)間和空間。在初始破壞時(shí)， 由于破壞范圍小，不利于氣體的瞬間大量解吸，難以形成足夠的能量；隨著破 壞的發(fā)展，破壞范圍逐漸擴(kuò)大，氣體的破壞能力逐漸增強(qiáng)，所以形成的孔洞腔 變大；但空間擴(kuò)大到一定程度，氣體難以瞬間積聚起足夠的能量來(lái)進(jìn)一步大范 圍破壞煤體，從而突出逐漸終止。氣體能量的積蓄需要一定的時(shí)間和空間，至 于時(shí)間的長(zhǎng)短和空間的大小，則由煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)條件和瓦斯氣體 的賦存狀況決定。以瓦斯內(nèi)能為主的煤體破壞形式造就了突出孔洞口小腔大的 特點(diǎn)；反過(guò)來(lái)，口小腔大的孔洞同樣有

10、利于氣體能量的積蓄和爆發(fā)。2.3地應(yīng)力控制孔洞的破壞范圍并引導(dǎo)著孔洞破壞發(fā)展的方向隨著破壞的發(fā)展，孔洞自由面的增多，煤體破壞發(fā)展的方向有了更多選擇; 同時(shí)，煤體中最大主應(yīng)力的方向?yàn)榻瓜虻?，因此，煤體的破壞發(fā)展也逐漸向 垂向傾斜。在此過(guò)程中，重力的作用將不可忽略。這也就是突出孔洞大多傾斜 向上發(fā)展的主要原因。地應(yīng)力作用下煤體的初始破壞是突出發(fā)展的先決條件，當(dāng)由于煤體強(qiáng)度變 化等原因?qū)е碌貞?yīng)力難以破壞足夠范圍的煤體時(shí)，突出的發(fā)展將逐漸停止；同 樣，當(dāng)破壞的范圍足夠大，瓦斯難以在短時(shí)間內(nèi)積蓄足夠的能量時(shí)，突出也將 逐漸減弱。分析表明，地應(yīng)力在煤與瓦斯突出的發(fā)生過(guò)程中起控制作用，控制著孔洞 的破壞范圍并引導(dǎo)著孔洞的發(fā)展方向，而瓦斯內(nèi)能則是煤體進(jìn)一步破碎和拋出 的主要能量。3結(jié)論1）煤與瓦斯突出孔洞的位置及形狀各式各樣，但大部分孔洞位于巷道上方 （尤其是兩側(cè)角部）。煤與瓦斯突出孔洞口小腔大，呈梨形或橢圓形，且孔洞的 上部一般帶有自然拱的穩(wěn)定形狀，其主要原因有：拱形的形成是應(yīng)力分布和煤 體的自穩(wěn)要求所決定的；隨著破壞的發(fā)展，自由面的增多，導(dǎo)致破壞范圍逐漸 增大；高壓固氣混合物的氣體作用特征有利于孔洞口小腔大的形成。孔洞中心 線通常和煤層仰斜呈一定角度。2）煤與瓦斯突出孔洞往往發(fā)生于巷道上方及兩側(cè)角部，證明了突出往往發(fā) 生在集中應(yīng)力作用下煤體發(fā)生破壞的區(qū)