吳愛軍，蔣承林，王法凱

（1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽621010；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇徐州221016；3.山東能源集團貴州礦業(yè)集團公司，貴州 貴陽734200）

煤與瓦斯突出是指煤與瓦斯在一個較短的時間內突然連續(xù)地自煤壁拋向巷道空間所引起的劇烈的動力現(xiàn)象[1]。近年來，國內外積累了成千上萬次的突出記錄，總結了許多寶貴的防治突出的經驗和技術[2－4]；在理論和實驗研究方面也取得了豐碩的成果。如中科院力學所的鄭哲敏院士、俞善炳教授等在模擬煤與瓦斯突出的激波管實驗中發(fā)現(xiàn)，按瓦斯初壓大小存在兩種破壞模式：低壓開裂和高壓突出[5－6]。周世寧院士、何學秋教授等在研究了三維受力狀態(tài)下含瓦斯煤樣的流變特性的基礎上，提出了煤與瓦斯的流變機理，并運用這一假說較好解釋了煤與瓦斯延遲突出現(xiàn)象[7]。蔣承林等通過多次煤與瓦斯突出模擬實驗，提出球殼失穩(wěn)假說[1]。對實驗過程的觀察和分析得出：突出過程中煤體的破壞是以球蓋狀球殼的形式，快速地形成、擴展并失穩(wěn)拋出。尹光志、趙洪寶、許江等以自行研制了大型煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，對不同含水率煤體發(fā)生煤與瓦斯突出時突出強度變化規(guī)律進行模擬試驗研究[8]。蔡成功按相似理論設計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，模擬了不同煤型強度、三向應力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過程[9]。歐建春、王恩元等研制了一套煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，通過高速攝像機對突出全過程進行實時觀測，實現(xiàn)了對突出過程煤體破裂的演化規(guī)律進行分析[10]。日本的栗原一雄在實驗室成功的模擬了煤與瓦斯突出[1]。

本文在總結前人理論和實驗基礎上，通過對多次煤與瓦斯突出物理模擬實驗的研究發(fā)現(xiàn)，突出孔洞內殘留層裂狀煤體出現(xiàn)了幾種不同的結構形狀演化現(xiàn)象。對于這一現(xiàn)象，本文運用理論方法研究了突出過程中層裂狀煤體的結構演化規(guī)律及其發(fā)生破壞的力學機制，通過對此問題的研究，將進一步揭示了突出過程中煤體的破壞機制和孔洞形成規(guī)律，這對提高煤與瓦斯突出的認識有著重要意義。

1 煤與瓦斯突出物理模擬實驗

為了進行煤與瓦斯突出的模擬實驗，我們設計了圖1的突出模擬裝置。

圖1 突出模擬裝置

將從現(xiàn)場采集到的具有突出危險性IV和V類的煤樣篩分后，放入到突出模擬裝置中壓制成型，成型壓力大于30MPa，圍巖靜壓保持60小時以上，利用真空泵對煤體進行12小時的抽真空，達到要求后，關閉真空泵，并對煤體充入一定壓力的瓦斯氣體48小時，使成型煤樣吸附瓦斯至平衡。在恒溫條件下，用千斤頂頂開橫檔上的拉桿，則橫檔突然松開，堵頭在瓦斯壓力作用下被推出，揭開煤層，煤與瓦斯從缸體中突出來。下面就是具有典型代表的試驗后缸體內突出殘留煤樣的照片，見圖2、圖3、圖4。

圖2 弱突出殘留煤樣

圖3 強突出殘留煤樣1

圖4 強突出殘留煤樣2

單獨從實驗結果來看，以上三個實驗似乎并不相干，但通過對殘留的層裂狀煤體的結構進行分析，它們之間好像又存在著必然的聯(lián)系：圖2為“）”形，形成一個向里面凹進去的一系列層裂體；圖3形成的殘留煤樣為“）”、“I”兩種形狀組合；據(jù)推斷，圖2和圖3出現(xiàn)的“）”、“I”結構的層裂體應該在圖4中出現(xiàn)，這樣就在圖4中形成了“）”、“I”和“（”層裂體三種的組合體。

顯然，這樣就在圖3中出現(xiàn)了兩種形狀結構的層裂體演化，而圖4中，連續(xù)出現(xiàn)了三種形狀結構的層裂煤體的連續(xù)演化。

2 突出過程中層裂狀煤體的演化規(guī)律研究

為了方便研究，根據(jù)圖4，我們將突出孔洞大致分為三個區(qū)：凹面區(qū)、平面區(qū)和凸面區(qū)，見圖5。

圖5 突出孔洞內層裂煤體結構示意

本文主要研究內容：①突出過程中層裂煤體結構的演化規(guī)律；②三種不同結構層裂煤體發(fā)生破壞的力學機制。下面是選出的與上面三幅圖對應的三組實驗數(shù)據(jù)[1]，見表1。

表1 實驗具體參數(shù)及實驗結果

圖表中弱突出和強突出的定義是以突出煤量占總質量的比值大小來劃分的，一般以40%為界限，低于這個值時為弱突出，高于此值時為強突出。

針對圖2所示弱突出的殘留煤體圖片，據(jù)此判斷突出煤體為“）”型凹面層裂體，為此我們通過對突出過程來詳細剖析“）”型凹面層裂體形成原因。模擬實驗時，打開堵頭，如同石門揭煤一樣，堵頭附近區(qū)域煤體由于側向約束解除，在煤體內蓄積的彈性勢能便以拉應力的形式使得這部分煤體向外發(fā)生膨脹位移，與此同時在煤體內也產生了一個抵抗向外膨脹位移的 “）”型結構，而豎向應力（模擬地應力）也在瞬間將煤體壓裂，煤體中的瓦斯迅速解吸釋放，形成較高瓦斯壓力梯度，這樣進一步撕裂煤體，而且同時又推動著層裂狀煤體一層層的向外拋出。當突出動力與抵抗位移的阻力平衡時突出停止。整個過程，所形成的層裂煤體主要是“）”型凹面體。

針對圖3所示的煤體結構，這是硬煤的強突出模擬圖片，所形成煤體有“）”型凹面體和“I”型平面體。實驗中煤體的壓力和硬度都較高，突出層理清晰。對于整個突出過程來說，我們可以將其分為兩個區(qū)域，第一是凹面區(qū)，第二是平面區(qū)。在第一區(qū)域發(fā)生的突出情形類似于圖2的情況，在第二個區(qū)域發(fā)生的突出情形，層裂煤體的結構形狀發(fā)生了變化，隨著凹面體的曲率變大，凹面逐漸變?yōu)槠矫?。究其原因，突出發(fā)生后，隨著前方煤體的不斷被拋出，對后方預突出煤體阻礙變小，其中預突出陣面煤體的中間部分在拉應力和瓦斯壓力共同推動下向外膨脹的位移最大，向兩邊依次變小，同時又由于前方煤體突出后殘留一些層裂體分布在兩邊側壁，阻礙了兩邊側壁煤體的向外膨脹形變，新產生的凹面體曲率開始變大，最終出現(xiàn)平面狀的層裂體。與此同時，在豎向地應力作用下煤體邊膨脹邊被壓裂破壞，快速釋放的瓦斯形成較大的壓力進一步撕裂煤體，當突出動力超過平面體抵抗極限時，平面層裂煤體被破壞，突出繼續(xù)向煤體深部發(fā)展。同樣，當兩者達到力的平衡時，突出停止。

從圖4可以看出，缸體中殘留煤樣的層裂體為“）”、“I”和“（”三種形狀的組合體。根據(jù)上面兩個實驗中層裂狀煤體的形成原因對比分析，首先，煤體的硬度較軟，雖然瓦斯壓力不大，在實驗中發(fā)生了強烈突出，并出現(xiàn)了“）”、“I”和“（”三種形狀逐漸演化現(xiàn)象。其次，從圖片可以看出，在第一、第二區(qū)域的煤體都被拋出，殘留物很少，這對后方預突出煤體的位移和變形提供了擴展的空間，由于煤體較軟，它的彈性模量也較低，側向約束解除后，其變形和位移的幅值較硬煤偏大，同樣在瓦斯壓力、地應力和圍巖約束的共同作用下，由層裂體的形狀結構迅速地由凹面、平面迅速地過渡到了凸面，即呈現(xiàn)出“）”型→“I”型→“（”型的變化，并且在這個突出試驗中，形成的“I”型平面體數(shù)量偏少。同樣如此，不管是什么結構的層裂體，在豎向地應力作用下煤體邊膨脹邊被壓裂破壞，快速解吸出來的瓦斯進一步撕裂煤體，當突出動力超過“（”型凸面體抵抗極限時，凸面層裂煤體被破壞，當兩者達到力的平衡時，突出停止。

在實際的現(xiàn)實突出災害中，圖4這種突出形成的結構方式較接近于現(xiàn)實情況。

綜上所述，煤體發(fā)生位移基本上是由三部分組成，第一部分是煤體彈性勢能的釋放產生的拉應力和豎向應力壓裂煤體的擴容等引起的位移；第二部分是由瓦斯壓力的推動；第三部分是約束和阻力阻礙位移的產生：一是缸體的圍巖和頂?shù)卒摪宓募s束，二是豎向地應力在壓裂破壞時產生切向阻力（平行于頂?shù)装宸较颍?，三是突出過程中前方突出殘留煤體的阻擋作用?？梢钥闯鰧恿衙后w產生的位移是由這三部分動力和阻力共同作用的結果。

此實驗中，豎向壓應力為最大的主應力，通過殘留煤樣的觀察，，煤體內形成了類似于單軸壓縮時X形狀的破壞結構，而水平方向上的主要破壞動力為瓦斯壓力，煤體便在兩種力的作用下形成了阻止突出破壞的層裂狀結構，而這些結構形狀的又經歷了一系列的演化。從上面分析的結論可以得到，突出一旦發(fā)動，其阻礙突出的阻力變得越來越弱；并且，在實際突出事故中，已經發(fā)生過突出的地方，容易再次發(fā)生突出[11]，就是因為煤體中形成了有利于再次發(fā)生突出的結構。為了進一步說明這些結構與突出的關系，下面通過對這些層裂體進行力學計算進一步論證。

3 層裂煤體破壞力學機制研究

蔣承林[12]曾在提出煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)的理論中，闡述了發(fā)生突出的三個力學條件，其中第三個力學條件就是“凹形”球殼煤體在瓦斯壓力作用下發(fā)生破壞機制，本文在此基礎上分別研究三種類型的層裂煤體發(fā)生破壞的力學條件。

從圖5所示孔內層裂煤體結構示意圖，抽象出三種結構力學模型，具體如圖6所示。為了研究的方便，假設：①把層裂煤體視為為各向同性、均質且沒有裂隙的完整規(guī)則的曲面體，層裂體的厚度相對于截面曲切向尺寸較小，可以作為薄的板殼體來處理；②球殼內的瓦斯不外泄，被封閉在球殼之間；③各個層裂煤體的邊沿部分均處于固定約束，前后兩截面僅受到腔內外氣體壓力，沒有結構殘余應力。

圖6 突出層裂體力學模型

3.1 凹面層裂煤體破壞力學條件分析

基于以上假設和凹面層裂煤體力學模型，運用板殼理論中殼體失穩(wěn)理論進行了論證[13]。單層球殼失穩(wěn)臨界載荷Pcr見式（1），球殼失穩(wěn)時的臨界條件見式（2）。

式中：E為彈性模量，MPa；ti，Ri為某凹面層裂煤體的厚度和曲率半徑，m；μ為泊松比。

式中：p′為層裂體內外氣體壓力差，MPa。

在揭開堵頭，突出的一瞬間，堵頭附近區(qū)域煤體自然形成拱形也就是凹面體結構，這種結構用來抵抗內部壓力的破壞，顯然這是巖石自然適應性的一種體現(xiàn)。

3.2 平面層裂煤體破壞力學條件分析

當凸面層裂煤體逐漸被破壞拋出孔洞后，后方的被撕裂的層裂煤體曲率半徑越來越大，逐漸變?yōu)榱似矫?，此時突出孔洞內開始出現(xiàn)的平面類型薄板結構。在這個模型中可以應用彈性力學中的圓形薄板失穩(wěn)破壞理論來求解。

根據(jù)文獻[14－15]，得到圓形薄板失穩(wěn)的臨界荷載，見式（3）。

式中：p″為平面體內外氣體壓力差，MPa。

3.3 凸面層裂煤體破壞力學條件分析

凸面層裂煤體此時受力情況與凹面結構體正好相反，凹面結構的中面受到的合力為外壓應力，而凸面結構則受到的為拉應力，因為煤巖體的抗拉強度遠小于抗壓強度，為此這里使用的抗拉強度來作為破壞的力學條件。

根據(jù)對稱性球殼體的受力計算得到式（4）。

當σ≥[σt]時，煤體發(fā)生破壞，[σt]為煤體的抗拉強度，MPa。令凸面層裂煤體內外壓力差為：p?＝p1－p0。

根據(jù)式（4），則當p?≥2[σt]ti／Ri時，煤體發(fā)生破壞，根據(jù)實驗測量，一般情況下層裂體的厚徑比，而煤巖的抗拉強度遠小于其抗壓強度[15]（一般為抗壓強度的0.009～0.06倍），也就是說層裂煤體內外應力差達到抗拉強度的0.0009～0.006作用時，故在受載不大時就有可能出現(xiàn)拉伸破壞。

綜上所述，為了更好的對以上三種結構的層裂煤體破壞的臨界值進行比較，這里進行如下假設：①假設各個煤樣的彈性模量、抗拉強度、抗壓強度、泊松比等參數(shù)相等；②假設各個層裂狀煤體的厚徑比相等。

為此，我們引用文獻[16]中的下列數(shù)據(jù)來分析。

表2 煤體物理力學參數(shù)[16]

利用前面分析三種情況的公式得到，三種情況下臨界應力排序見式（5）。

從式（5）可以看出，隨著煤與瓦斯突出向煤體深部進展，層裂煤體形狀不斷演化，利用自身的力學結構來抵抗瓦斯動力的破壞已經越來越弱。這個結論正好能夠說明上一節(jié)中“已經發(fā)生過突出的地方，容易再次發(fā)生突出”這一問題。

4 結論

1）通過對煤與瓦斯突出物理模擬實驗殘留的煤樣研究發(fā)現(xiàn)，在突出過程中一般會依次產生三種形狀的層裂體：“）”型凹面體、“I”型平面體與“（”型凸面體。

2）通過分析，影響這種結構形狀演化因素主要有地應力、瓦斯壓力、煤體的物理力學性質以及缸體圍巖的約束等。

3）煤體發(fā)生位移可以由三部分組成：第一部分是煤體彈性勢能的釋放膨脹形變和豎向應力壓裂煤體的擴容等引起的位移；第二部分是由瓦斯壓力的推動；第三部分是約束和阻力阻礙位移的產生，一是缸體的圍巖和頂?shù)卒摪宓募s束，二是豎向地應力在壓裂破壞時產生切向阻力，三是前方突出殘留煤體的阻擋?？梢钥闯鰧恿衙后w產生的位移是由這三部分動力和阻力共同作用的結果。

4）根據(jù)三種層裂體的形狀，分別建立了相應的力學模型，經計算得到如下結論：隨著突出進展，層裂狀煤體的結構演化，其依靠自身結構來抵抗破壞臨界值越來越低；據(jù)此結果進一步推論得出：隨著層裂煤體的演化，其所需破壞、突出的動力隨之減小，突出變得更加容易；隨著突出層裂體的陣面向深部擴展，層裂體的厚度逐漸變小，突出動力—瓦斯壓力逐漸變弱，待新形成的層裂體的抵抗力和瓦斯壓力平衡時，突出停止。

[1]蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機理及防治技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1998.

[2]景國勛，張 強.煤與瓦斯突出過程中瓦斯作用的研究[J].煤炭學報，2005，30（2）：169－171.

[3]郭德勇，韓德馨.煤與瓦斯突出粘滑機理研究[J].煤炭學報，2003，28（3）：598－602.

[4]馬中飛，俞啟香.煤與瓦斯承壓散體失控突出機理的初步研究[J].煤炭學報，2003，28（3）：598－602.

[5]黃弘讀，鄭哲敏，俞善炳，等.突然卸載下含氣煤的層裂[J].煤炭學報，1999，24（2）：142－146.

[6]孟祥躍，俞善炳，龔俊，等.有側壓作用的含瓦斯煤在突然卸載下的臨界破壞[J].煤炭學報，1998，23（3）：271－275.

[7]周世寧，何學秋.煤和瓦斯突出機理的流變假說[J].中國礦業(yè)大學學報，1990，19（2）：1－8.

[8]尹光志，趙洪寶，許江，等.煤與瓦斯突出模擬實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（8）：1674－1680.

[9]蔡成功.煤與瓦斯突出三維模擬實驗研究[J].煤炭學報，2004，29（1）：66－69.

[10]歐建春，王恩元，馬國強，等.煤與瓦斯突出過程煤體破裂演化規(guī)律[J].煤炭學報，2012，37（6）：978－982.

[11]竇永山，竇慶峰，王世寧，等.煤礦安全規(guī)程讀本[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[12]蔣承林.煤與瓦斯突出陣面的推進過程及力學條件分析[J].中國礦業(yè)大學學報，1994，23（4）：1－9.

[13]吳連元.板殼穩(wěn)定性理論[M].武漢：華中科技大學出版社，1996：164－168.

[14]徐芝綸.彈性力學（下）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[15]趙志剛，譚云亮，程國強.煤巷掘進迎頭煤與瓦斯突出的突變機制分析[J].巖土力學，2008，29（6）：1644－1648.

[16]張勇，劉傳安，張西斌，等.煤層群上行開采對上覆煤層運移的影響[J].煤炭學報，2011，36（12）：1990－1995.