煤與瓦斯突出的能量來源分析

煤與瓦斯突出的能量來源分析

注意能量釋放，能量主要來自煤炭的彈性勢能、工作場所的頂板彈性勢能和煤炭中的磚瓦勢能。瓦斯含量在煤與瓦斯突出中發(fā)揮著極其重要的作用,沒有足夠的瓦斯含量,就沒有足夠的瓦斯內(nèi)能,突出就很難發(fā)生。瓦斯含量是指常壓可解吸瓦斯含量,不包括瓦斯殘存量。前蘇聯(lián)學者B.B.霍多特等在實驗的基礎(chǔ)上用能量法解釋了煤與瓦斯突出的過程。文光才通過模擬突出過程中煤的破碎和拋出,并對瓦斯破碎煤樣與機械功破碎煤樣進行破碎程度及能量對比分析,得出了瓦斯內(nèi)能對突出做功的定量關(guān)系式。張我華等將煤與瓦斯突出過程中能量釋放的熱動力學過程應用于煤層瓦斯氣遷移理論的有限元分析方法中,分析煤與瓦斯突出過程的能量釋放機理。羅新榮等等采用巖石破裂過程RFPA2D分析軟件研究了掘進煤巷應力仿真和延時煤與瓦斯突出機理。本文通過對突出前后能量的分析,介紹了突出前的力學模型和煤層積聚的彈性潛能,從整體的角度出發(fā)研究了突出時瓦斯的內(nèi)能,并依據(jù)突出后的堆積狀態(tài),研究突出時碎煤的拋出功、煤體的破碎功和瓦斯突出時的動能,得到了突出時的能量條件。并結(jié)合突出實例,研究了瓦斯含量對煤與瓦斯突出的影響,旨在研究瓦斯含量在突出過程中的作用,為煤層瓦斯突出機理的研究及突出防治提供參考。1煤體破碎功的發(fā)生受采動影響的煤體從應力狀態(tài)發(fā)生改變,到破碎、拋出發(fā)生突出時,經(jīng)歷了原始應力狀態(tài)—應力集中狀態(tài)—極限平衡狀態(tài)的過程,而煤體是在應力集中狀態(tài)—極限平衡狀態(tài)的過程中發(fā)生了破碎,部分潛能轉(zhuǎn)換成了煤的破碎功。1.1煤中瓦斯的突出特征當掘進至圖1所示的“0”點的位置時,采掘工作面前方煤體內(nèi)存在1個應力集中帶,這里的地應力遠遠高于原始煤體的應力,若此時煤壁的受力平衡被打破,煤壁將發(fā)生破壞;淺部煤體的破壞拋出使深部的高壓瓦斯煤體暴露出來,促使瓦斯迅速解析,使得深部煤體受力狀態(tài)發(fā)生改變。為研究該問題進行如下力學假設(shè):①煤體為連續(xù)介質(zhì);②煤體具有均勻各向同性的物理力學性質(zhì);③煤體的破壞符合庫倫準則;④煤體中的應力狀態(tài)符合極限應力平衡條件;⑤工作面為半徑Ro的球形空間;⑥工作面前方煤層中可能發(fā)生突出的煤層厚度Mo變化不大;⑦工作面前方煤層中的力學問題為平面應變問題;⑧煤體中瓦斯壓力分布符合均質(zhì)煤層徑向穩(wěn)定流條件。假設(shè)掘進進尺L后發(fā)生突出,突出影響的深度是L0,對突出時的臨界狀態(tài)和突出停止后的煤層應力條件進行分析,將水平應力進行簡化,即認為水平應力在小于σo時按塑性區(qū)應力分布,達到σo時,水平應力恒等于σo。設(shè)煤與瓦斯突出過程中Z軸方向的應變εZ=0,也就是說僅考慮x方向的彈性變形潛能,則W1=Μo2E∫X20(σ2X1-σ2X2)dx=RoΜoC2cot2φ2E×{12γ+1[1-(1+L+L0Ro)2γ+1]-2γ+1×[1-(1+L+L0Ro)γ+1]-L+L0Ro}+σ2oΜo(L+L0)2E(1)W1=Mo2E∫X20(σ2X1?σ2X2)dx=RoMoC2cot2φ2E×{12γ+1[1?(1+L+L0Ro)2γ+1]?2γ+1×[1?(1+L+L0Ro)γ+1]?L+L0Ro}+σ2oMo(L+L0)2E(1)式中,W1為突出時煤層釋放的彈性潛能;E為煤的彈性模量;λ=1+sinφ1-sinφλ=1+sinφ1?sinφ;γ=2sinφ1-sinφγ=2sinφ1?sinφ;C為煤層的內(nèi)聚力,C=k(1-sinφ)f2cosφC=k(1?sinφ)f2cosφ;f為煤層的堅固性系數(shù);k為單位換算系數(shù),當C取MPa為單位時,k=10;σz為煤層中的垂直地應力;σx為煤層中的水平地應力;Rp為煤層中塑性變形區(qū)半徑;φ為煤層的內(nèi)摩擦角;X1為突出前水平應力σX1達到σo點到坐標原點距離;X2為突出后水平應力σX2達到σo點到坐標原點距離。1.2煤層瓦斯含量的假設(shè)解析煤中瓦斯緩慢釋放不會對煤與瓦斯突出做功,只有在遭受劇烈破碎時,煤的暴露表面劇增,煤中瓦斯才能快速解吸、膨脹,瓦斯內(nèi)能才能迅速釋放,成為突出發(fā)生的主要能源,由此可見,瓦斯的內(nèi)能釋放對突出做功與煤的破碎程度有關(guān)。實驗研究表明:煤中瓦斯內(nèi)能釋放對突出做功隨瓦斯壓力和煤的放散初速度增大而增大,隨煤的堅固性系數(shù)增大而減小。煤層中吸附瓦斯的內(nèi)能很難用具體的公式表達,瓦斯內(nèi)能釋放做的功可表示為-ΔW2=W′2-W2(2)式中,W2為突出前煤層積聚的瓦斯內(nèi)能;W′2為突出后殘余的瓦斯內(nèi)能。突出發(fā)生前,煤體孔隙中含有游離瓦斯,對應的游離瓦斯體積為Vc=V0ψ(3)式中,V0為突出后影響煤層瓦斯的體積;ψ為孔隙率。當溫度和其它因素相同時,煤層瓦斯吸附量隨壓力的增加而增大,但不同的壓力區(qū)間,其增加的幅度是不同的。如圖2所示。假設(shè)突出后,突出強度為B,突出涌出的瓦斯量為V2。煤層中瓦斯的影響區(qū)域為V0,煤層中原始瓦斯壓力為p1,突出后煤層中剩余瓦斯壓力為p2,V*2為壓力為p2時的煤層瓦斯吸附量,V*0為壓力為p0時的煤層瓦斯吸附量;煤層中的噸煤瓦斯含量為Q,煤的密度為ρc,突出孔洞體積為Vt,即B=ρcVt。假設(shè):①瓦斯解析是一個瞬間狀態(tài),解析時不做功、不吸熱;②假設(shè)瓦斯膨脹過程是等溫變化。因此,忽略瓦斯解析的過程,假設(shè)解析是一個瞬間狀態(tài),所以可認為解析瓦斯和游離瓦斯在某一瞬間被壓縮至壓力為p′1,體積為V0ψ的空間內(nèi),然后膨脹到體積為V2,壓力為p0的狀態(tài)。其膨脹過程,對外做功為ΔW2=-∫V2V0ψpdv(4)p′1V0ψ=p0V2=n2RΤ(5)式中,n2為涌出瓦斯量V2的物質(zhì)的量。依據(jù)瓦斯總量守恒,將式(2)、(3)、(4)帶入式(5)可得ΔW2=n2RΤln(p0ρcQ-p0ρcV*2-ψp2)V2(BV*0+V2-BV*2)p0ψ-p2ψ2Vt(6)2強調(diào)對后能量分析和發(fā)生條件的研究假設(shè)突出巷道為寬b、高h的矩形斷面,突出物的堆積坡度為β,f1為阻力因數(shù),α為巷道傾角。突出的堆積狀態(tài)如圖3所示。2.1煤的移動功dasin假設(shè)ωm為x→x+dx間質(zhì)量ΔM與拋出總質(zhì)量之比,即ωm=ΔΜB則dm=Bωm(x)dx則突出煤單位質(zhì)量做的功為dA=xg(f1cosα±sinα)dm碎煤在巷道中的移動功為A1=∫xmax0dA=∫xmax0xg(f1cosα±sinα)Bωm(x)dx=Bg(f1cosα±sinα)∫xmax0xωm(x)dx(7)式中,上山掘進時取“+”。2.2煤體破碎能量的計算頻率分布(相對頻數(shù))ω為粒子半徑dp至dp+Δdp之間的粒子質(zhì)量Δm占煤粉試樣總質(zhì)量m的質(zhì)量分數(shù),定義為ω(dp)=Δmm則粒子半徑dp至dp+Δdp之間的粒子體積為ΔV=Δmρc假設(shè)突出后煤顆粒均為球體,則粒子半徑dp至dp+Δdp之間的煤粒數(shù)為ΔΝ=3ΔV4πd3p其新增表面積可表示為ΔS=4ΔΝπd2p=3ω(dp)mρcdp則突出煤總的表面積為Sb=∫3Bω(dp)ρcdpd(dp)=3Bρc∫dpmaxdpminω(dp)xdx突出過程中煤體的破碎功為A2=GSb=3GBρc∫dpmaxdpminω(dp)xdx(8)式中,G為煤體的能量釋放率,即破裂單位新增表面積所需的能量。2.3e+l0ro,1e+l0ra,2e+nbv1e2rbv12rbv12vt的計算將式(1)、(2)、(6)～(8)聯(lián)立可得煤與瓦斯突出的能量條件為RoΜoC2cot2φ2E{12γ+1[1-(1+L+L0Ro)2γ+1]-2γ+1[1-(1+L+L0Ro)γ+1]-L+L0Ro}+σ2oΜo(L+L0)2E+n2RΤ×ln(p0ρcQ-p0ρcV*2-ψp2)V2(BV*0+V2-BV*2)p0ψ-p2ψ2Vt=Bg(f1cosα±sinα)∫xmax0xωm(x)dx+3GBρc∫dpmaxdpminω(dp)xdx(9)3煤的瓦斯含量和瓦斯壓力為研究影響煤與瓦斯突出的能量因素的關(guān)系,以發(fā)生在化處煤礦二采區(qū)一水平7號煤層的1277切眼上山距機巷約20m處的突出為例,突出點標高1586m,垂深約260m。煤層(突出點)厚2.5m,煤層傾角26°,突出點附近無其它地質(zhì)構(gòu)造。突出煤180t,瓦斯6.09×104m3。該處地應力為6.5MPa,煤的堅固性系數(shù)為0.12。由于突出后的影響范圍L0很難確定,若L0分別為100、400和600m,依據(jù)式(9)可計算出此次突出時釋放的彈性潛能分別為1.53、6.05和9.07MJ。突出后無分選煤堆滿整個切眼上山,突出前瓦斯壓力為3.62MPa,煤水分0.99%,灰分9.24%,揮發(fā)分13.7%,可得煤層的瓦斯含量為8.7m3/t;煤的孔隙率為7.7%,假設(shè)突出后影響范圍煤層的平均瓦斯壓力為0.6MPa,依據(jù)式(6)可得此次突出釋放的瓦斯內(nèi)能為33800MJ。為了研究突出過程中瓦斯含量與煤層厚度、堅固性系數(shù)、地應力和掘進進尺對突出發(fā)生的影響,以此次突出的能量計算結(jié)果為基礎(chǔ),并依據(jù)式(9)編制解算程序,計算突出時不同參量下的臨界瓦斯含量。(1)煤的臨界效應m,進尺L=1m,堅固性系數(shù)f分別取0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50,可以得到不同的地應力σ0值相應的瓦斯含量臨界值,見表1。根據(jù)表1的結(jié)果繪制出煤的堅固性系數(shù)、地應力和煤與瓦斯突出時瓦斯臨界含量的關(guān)系(圖4)。地應力在突出過程中主要有2個作用:①使煤體產(chǎn)生位移和破碎,煤由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài);②地應力影響煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu),影響裂隙的發(fā)育程度。由圖4可知,煤層的地應力越大,煤的堅固性系數(shù)越小,發(fā)生突出時煤層的瓦斯含量越小;隨著地應力增加,突出時煤層臨界瓦斯含量受煤的堅固性系數(shù)影響增加,煤的堅固性系數(shù)越小,地應力對突出的影響越大。(2)地應力對應的突出瓦斯含量m,堅固性系數(shù)f=0.25,進尺L分別為0.5、1.0和1.5m時,可以得到不同地應力相應的突出瓦斯含量臨界值,見表2。掘進過程打破了巷道圍巖應力的平衡狀態(tài),使掘進頭前方的彈性勢能得到釋放,而煤體彈性潛能的大小主要由地應力決定。由圖5可知,在地應力一定的情況下,進尺越大突出時所需臨界瓦斯含量越小。地應力越大,進尺的影響程度越大。(3)突出時地應力對臨界瓦斯含量的影響m時,煤層厚度分別為1.5、2.0、2.5和3m,可以得到不同地應力相應的突出瓦斯含量臨界值,見表3。煤層是瓦斯生成和儲集的場所,也是發(fā)生突出的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤層的厚度影響著瓦斯的生成量,是原始沉積條件的差異和后期構(gòu)造運動的結(jié)果。由圖6可以看出,當突出時地應力在5.0MPa時,隨著煤層厚度的增加突出時的臨界瓦斯含量幾乎不變;當突出時地應力在30MPa時,突出時的臨界瓦斯含量的變化范圍也不大。因此,煤層的厚度對突出時臨界瓦斯含量也有影響,但是影響不明顯。4煤與瓦斯含量的基本特征(1)使用簡化的突出力學模型,得出了煤與瓦斯突出前所積聚的彈性潛能和瓦斯內(nèi)