王 凱教授 杜 鋒講師

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

煤與瓦斯突出和沖擊地壓是煤礦開采最主要的2種典型動力災(zāi)害[1-4]。在淺部開采時，兩者通常獨(dú)立發(fā)生，各自的影響因素之間相互作用不很明顯。隨著我國煤炭開采深度以平均每年10～25m的速度快速延深，許多煤礦相繼進(jìn)入深部開采，深部高瓦斯壓力、高地應(yīng)力、低滲透性煤層及其圍巖之間的耦合作用不斷增強(qiáng)，出現(xiàn)一種特殊的復(fù)合型動力災(zāi)害，且危險性和危害性日益嚴(yán)重。這種災(zāi)害兼具煤與瓦斯突出的部分特征以及沖擊地壓的部分特征，類似于兩者互相影響、互相誘發(fā)、互相復(fù)合，因此多數(shù)學(xué)者將其稱為煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害[5-7]。近年來，在遼寧、河南、安徽等礦區(qū)發(fā)生多起復(fù)合動力災(zāi)害事故，造成大量的人員傷亡[8-9]，如平頂山十礦復(fù)合動力災(zāi)害事故，如圖1。在我國，由于復(fù)合動力災(zāi)害日益加劇，對復(fù)合動力災(zāi)害的研究成為熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3,10-15]。在2016年啟動的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險判識及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究”、2017年啟動的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤礦深部開采煤巖動力災(zāi)害防控技術(shù)研究”和2022年1月啟動的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“深部煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害孕災(zāi)機(jī)制—演化規(guī)律及防控基礎(chǔ)研究”中均涉及到復(fù)合動力災(zāi)害方面的研究內(nèi)容。但是迄今國內(nèi)外學(xué)者對煤與瓦斯突出以及沖擊地壓機(jī)理的認(rèn)識仍然處于半定量階段，對于發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜的煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的認(rèn)識更處于初步探討階段。特別是除我國以外的大多數(shù)國家對于深部煤炭資源采取不采或者少采的政策，國際上針對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的研究文獻(xiàn)很少。我國對煤炭資源的依賴程度非常高，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害已成為影響我國深部煤炭安全高效開采的重大災(zāi)害之一。因此，繼續(xù)深入開展復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)研究十分必要。充分認(rèn)識復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理是災(zāi)害防治的前提和關(guān)鍵，是深部開采迫切需要解決的重要科學(xué)問題。

雖然對復(fù)合災(zāi)害的研究已有近30年歷史，但目前尚缺乏對復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理研究的系統(tǒng)綜述。為此，本文在參閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析近年來煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的研究進(jìn)展、亟待解決的主要問題以及未來的研究方向。

圖1 平頂山十礦復(fù)合動力災(zāi)害事故現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Photos of compound dynamic disaster accident scene in Pingdingshan No.10 Mine

1 煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生規(guī)律和破壞特征

我國范圍內(nèi)發(fā)生過煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的典型礦井，見表1[9-10,16-19]。根據(jù)表1可得出我國煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域分布特征。我國煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生呈現(xiàn)出區(qū)域性特征，集中在我國的中部、華東及東北地區(qū)。這是由于我國中部、華東及東北地區(qū)的礦井整體上地質(zhì)條件較為復(fù)雜，經(jīng)過長期開采，淺部資源逐漸減少，開采轉(zhuǎn)向深部，因此在“三高一擾動”的綜合影響下，極易發(fā)生煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害。分析煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害礦井發(fā)生地點(diǎn)的埋深可知，大部分煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生在大于600m深度的區(qū)域，但是也有個別災(zāi)害案例發(fā)生在深度小于600m，甚至在400m深度，因此可以明確隨著開采深度的加大，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生頻率增大，但是在特定的應(yīng)力、瓦斯、地質(zhì)條件下，淺部煤層亦可能具有煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的威脅。另外，根據(jù)現(xiàn)場勘察煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生時的災(zāi)害特征可知，災(zāi)害發(fā)生時，現(xiàn)場呈現(xiàn)出復(fù)雜的災(zāi)變特征，并且災(zāi)害破壞性也非常強(qiáng)烈。

表1 我國發(fā)生煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害煤礦統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of coal mines that coal-rock-gas compound dynamic disasters happened in China

隨著煤礦進(jìn)入深部開采，煤巖體所受地應(yīng)力及煤中瓦斯壓力增大。一方面，地應(yīng)力的增大使得一般在較硬質(zhì)煤巖體條件下發(fā)生的沖擊地壓向中等強(qiáng)度煤巖體發(fā)展。另一方面，根據(jù)綜合作用假說，瓦斯壓力的增大會降低煤與瓦斯突出發(fā)生時“煤體強(qiáng)度”的門檻，使得一般在軟煤條件下發(fā)生的煤與瓦斯突出在較硬煤體條件下也開始發(fā)生。因此，通常情況下，隨著開采深度的加大，很多礦井面臨著煤與瓦斯突出與沖擊地壓的雙重危險，在滿足一定條件下，會導(dǎo)致煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生。通過對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)調(diào)研及大量的文獻(xiàn)閱讀，總結(jié)歸納出煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的破壞特征有：與典型的煤與瓦斯突出和沖擊地壓相比，復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生門檻降低，但是災(zāi)害強(qiáng)度卻更大；與煤與瓦斯突出災(zāi)害相比，復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生所需要的瓦斯壓力一般較低，煤體強(qiáng)度相比較高；與沖擊地壓災(zāi)害相比，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生需要相對較大的瓦斯壓力，相對較小的頂板強(qiáng)度；災(zāi)害破壞類型與煤與瓦斯突出和沖擊地壓相比有明顯的差異，表現(xiàn)出新的災(zāi)害特征。災(zāi)害發(fā)生特征兼具煤與瓦斯突出和沖擊地壓的部分特征，不僅沖擊動力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，而且常伴有異常瓦斯涌出，有時表現(xiàn)出瓦斯突出的一些特征。煤體的破壞形狀、破碎程度、拋出距離、搬運(yùn)特征、分選性、安息角、動力顯現(xiàn)強(qiáng)度、突出煤巖體量等方面都介于沖擊地壓和煤與瓦斯突出之間。

2 煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理研究現(xiàn)狀

近年來，一些學(xué)者在煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律和致災(zāi)機(jī)制方面進(jìn)行了有益的探索。早期有學(xué)者[20]在研究沖擊地壓的過程中，發(fā)現(xiàn)一些沖擊地壓現(xiàn)象與瓦斯的存在密切相關(guān)，但不清楚具體的關(guān)系是什么。與典型沖擊地壓不同，這些特殊的沖擊地壓在發(fā)生前或發(fā)生后都可能出現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊漠惓Ｉ撸纱颂岢鍪峭咚拐T發(fā)沖擊地壓、還是沖擊地壓誘發(fā)瓦斯異常涌出抑或兩者兼而有之的質(zhì)疑，同時認(rèn)為有高壓瓦斯參與的巖石和煤體沖擊并不屬于通常意義上的沖擊地壓。后來，又有學(xué)者[12,21-22]發(fā)現(xiàn)一些并非典型的沖擊地壓災(zāi)害，這些災(zāi)害都有瓦斯的參與，因此開始對沖擊地壓和瓦斯的相關(guān)性進(jìn)行研究。其中，李鐵等[12,22]指出高壓瓦斯氣體極有可能參與沖擊地壓的孕育，即存在一種開挖卸載與瓦斯解吸膨脹耦合作用的沖擊地壓，這說明煤層高壓瓦斯解吸膨脹會對沖擊地壓的孕育和誘發(fā)產(chǎn)生積極作用。上述研究雖然沒有明確提出煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的概念，但其研究對象確屬此類災(zāi)害現(xiàn)象。事實(shí)上，自前蘇聯(lián)學(xué)者佩圖霍夫[23]于1987年首次提出復(fù)合動力災(zāi)害的研究理念之后，已有越來越多的學(xué)者對此予以關(guān)注并開展卓有意義的研究。

針對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律和孕災(zāi)機(jī)制，已有研究可歸納為定性和初步定量研究2個方面。

在定性研究方面，可以分為2大類：第一類是結(jié)合典型案例研究和理論分析，探討災(zāi)害發(fā)生的條件和特點(diǎn)，進(jìn)而提出對災(zāi)害發(fā)生機(jī)制的定性解釋。如李化敏[24]認(rèn)為復(fù)合動力災(zāi)害與瓦斯突出和沖擊地壓這2種典型動力災(zāi)害之間可以相互轉(zhuǎn)化，并且復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生門檻相較于這2種典型動力災(zāi)害更低；陸菜平等[25]利用微震和聲發(fā)射技術(shù)研究一起由沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊波誘發(fā)的煤與瓦斯突出事故，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓導(dǎo)致煤層中瓦斯運(yùn)移通道微破裂，使得微震和聲發(fā)射信號保持較高的水平；潘一山和朱麗媛等[13,26]利用案例調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐的手段，提出煤巖瓦斯動力災(zāi)害新的分類(如圖2)，同時對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行深入研究。筆者及其團(tuán)隊(duì)[5]根據(jù)災(zāi)害誘因及其作用時序，將煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害劃分為沖擊誘導(dǎo)突出型動力災(zāi)害、突出誘導(dǎo)沖擊型動力災(zāi)害、突出—沖擊耦合動力災(zāi)害，探討各類型復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和能量判別準(zhǔn)則，并建議采用消減煤巖體彈性能和瓦斯內(nèi)能2類措施并舉的煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害一體化防治策略。

圖2 復(fù)合動力災(zāi)害分類體系[13]Fig.2 The classification system of compound dynamic disasters[13]

第二類是利用實(shí)驗(yàn)平臺，從含瓦斯煤巖體損傷失穩(wěn)誘發(fā)災(zāi)害的角度出發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期掌握復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制。尹光志等[27]通過層狀煤巖體真三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對沖擊—突出復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生條件和顯現(xiàn)特征進(jìn)行探討，將其分為高靜載型、擾動型、沖擊型復(fù)合動力災(zāi)害3種類型，同樣指出在各類復(fù)合型動力災(zāi)害中，高壓氣體對復(fù)合動力災(zāi)害的孕育和發(fā)生具有積極的作用，這與李鐵等人的觀點(diǎn)一致[12,22]；魯俊等[28]研究發(fā)現(xiàn)，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生具有明顯的階段性和前兆性。李鐵和皮希宇[29]通過含低氣壓大煤樣失穩(wěn)破壞物理試驗(yàn)，對低瓦斯煤層發(fā)生災(zāi)變的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為災(zāi)變會在頂板破斷沖擊和底板破斷沖擊復(fù)合作用下提前發(fā)動。筆者及其團(tuán)隊(duì)[30-34]從含瓦斯煤巖組合體的失穩(wěn)破壞誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的本質(zhì)角度出發(fā)，系統(tǒng)研究了受載含瓦斯煤巖組合體耦合失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)制。

在初步定量研究方面，學(xué)者們主要分析了災(zāi)害發(fā)生的條件和判別準(zhǔn)則。章夢濤等[35]基于煤巖變形系統(tǒng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性，研究了煤與瓦斯突出和沖擊地壓的機(jī)理，提出了2種災(zāi)害的統(tǒng)一失穩(wěn)理論和能量判據(jù)；王振[9]和藍(lán)航等[36]基于能量守恒定律，根據(jù)煤巖破裂過程中的彈性能和瓦斯內(nèi)能以及煤巖破壞消耗的能量等，給出了煤巖動力災(zāi)害統(tǒng)一表達(dá)式；李鐵等[22]研究了“三軟”煤層底板沖擊地壓誘導(dǎo)煤與瓦斯突出力學(xué)機(jī)制，建立底板沖擊地壓參與煤與瓦斯突出準(zhǔn)備階段和激發(fā)階段的力學(xué)模型(如圖3)，其研究促進(jìn)了人們對于沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害的認(rèn)識；尹永明等[37]對沖擊型煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行分析，同時給出沖擊型煤與瓦斯突出發(fā)生的能量準(zhǔn)則和必要條件；朱麗媛等[26]采用量化力學(xué)模型的方法，構(gòu)建考慮瓦斯作用的圓形巷道復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的臨界載荷判別式，并討論臨界載荷的影響因素和影響規(guī)律。

圖3 底板沖擊地壓參與煤與瓦斯突出不同發(fā)展階段 力學(xué)模型圖[22]Fig.3 The mechanical model diagram for different phases of the coal and gas outburst induced by the floor rockburst[22]

3 含瓦斯煤巖組合體耦合失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)制研究進(jìn)展

煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的孕育過程必然受控于煤體和巖體這2種介質(zhì)的損傷破壞及其與煤中瓦斯力學(xué)和滲流行為的耦合作用，而且煤巖體的變形破壞以及裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展不僅由煤巖材料性質(zhì)決定，還與煤巖組合結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，從本質(zhì)上而言，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生是含瓦斯煤巖組合體系統(tǒng)在高地應(yīng)力、采動應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下發(fā)生的整體失穩(wěn)災(zāi)變行為，與含瓦斯煤巖組合結(jié)構(gòu)的損傷破壞及其與煤中瓦斯?jié)B流的耦合效應(yīng)有著密不可分的聯(lián)系。以往對煤與瓦斯突出災(zāi)害的研究對象通常為含瓦斯煤體，對沖擊地壓災(zāi)害的研究對象通常為巖體或者煤巖組合體，而將含瓦斯煤巖組合體作為一個整體來研究其受載損傷與煤中瓦斯?jié)B流耦合失穩(wěn)誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)制在國內(nèi)外卻鮮有報道?；诖?，筆者及其團(tuán)隊(duì)從含瓦斯煤巖組合體的失穩(wěn)破壞誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的本質(zhì)角度出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)研究含瓦斯煤巖組合體在常規(guī)三軸和卸荷條件等多種應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性和瓦斯?jié)B流規(guī)律，對組合體界面進(jìn)行受力分析，研究組合體破壞機(jī)制和瓦斯?jié)B流耦合規(guī)律，進(jìn)行受載含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)致災(zāi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，探討煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生條件和能量判據(jù)，分析煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的多場耦合致災(zāi)機(jī)制[30-34]。

3.1 卸荷條件下含瓦斯煤巖組合體力學(xué)及滲透特性

以含瓦斯煤巖組合體為研究對象進(jìn)行常規(guī)三軸加載、定軸壓卸圍壓、復(fù)合加卸載3種路徑下的損傷—滲透—聲發(fā)射同步試驗(yàn)，對比不同瓦斯壓力和不同圍壓下煤巖組合體力學(xué)行為的差異，同時分析提取含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)破壞前兆特征。研究結(jié)果表明，含瓦斯煤巖組合體發(fā)生破壞的區(qū)域主要出現(xiàn)在煤體部分，但是在一定條件下，煤體破壞產(chǎn)生的裂紋也會擴(kuò)展到接觸到的巖體部分，形成貫穿裂紋，如圖4。含瓦斯煤巖組合體強(qiáng)度特征符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。隨著瓦斯壓力的增加，組合體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度有減小的趨勢，隨著圍壓的增加，組合體試件峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大的趨勢。在不同的應(yīng)力以及瓦斯壓力條件下，含瓦斯煤巖組合體的滲透率變化規(guī)律不同。煤巖體內(nèi)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展不僅影響著煤巖組合體的宏觀應(yīng)力—應(yīng)變特征，還決定其滲透率演化特征。在低圍壓下，煤巖組合體聲發(fā)射信號分布特征更類似于煤體的連續(xù)分布特征，但又由于強(qiáng)度高于單體煤，因此破壞所需要的時間以及破壞過程的損傷程度都要大于單體煤。而在高圍壓下，煤巖組合體聲發(fā)射信號分布特征更類似于巖石的脈沖分布特征，相對于單體煤，強(qiáng)度更大的煤巖組合體的累積損傷減小得更多。含瓦斯煤巖組合體在不同應(yīng)力路徑下的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系為：常規(guī)三軸>卸圍壓>復(fù)合加卸載。復(fù)合加卸載路徑下聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)和累計(jì)能量最大，其次是卸圍壓，最后是常規(guī)三軸加載，并且瓦斯對組合體的力學(xué)性質(zhì)也具有較大的影響。含瓦斯煤巖組合體與含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)、滲透特性、聲發(fā)射前兆信號等方面存在較大差異，并且應(yīng)力路徑對組合體的各種性質(zhì)也具有重要影響，因此要想徹底弄清楚煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，必須將煤、巖、瓦斯作為一個整體來進(jìn)行研究，而且還必須考慮更符合現(xiàn)場實(shí)際條件的應(yīng)力路徑。

圖9為在自然風(fēng)速5m/s時，相同噴霧條件下，輔助氣流速度15m/s，氣流出口與噴頭之間水平距離對霧滴飄移的影響。從圖9中可以看到，氣流出口與噴頭相對水平距離越小，霧滴的飄移率減低。噴頭接近氣流出口處，噴出的霧滴直接受到輔助氣流產(chǎn)生的流場的影響。氣流出口越接近噴頭，對霧滴產(chǎn)生的影響越大，更有效地脅迫其向下運(yùn)動，從而能夠減少霧滴飄移率。

圖4 煤巖組合體在3種應(yīng)力路徑下破壞圖和素描圖Fig.4 Failure modes and sketches of the coal-rock combinations under three stress paths

受載含瓦斯煤巖組合體損傷及煤中瓦斯?jié)B透演化機(jī)制的研究，能夠?yàn)槊簬r瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。以含瓦斯煤巖組合體接觸面處的受力分析為突破口(如圖5)，對含瓦斯煤巖組合體損傷破壞機(jī)制進(jìn)行理論分析。利用CT掃描技術(shù)，構(gòu)建煤巖組合體的三維重構(gòu)模型，對含瓦斯煤巖組合體的損傷破壞及能量演化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬(如圖6)。結(jié)果表明，含瓦斯煤巖組合體在變形破壞過程中，煤體和巖體部分在水平方向會產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形量，從而在各自界面處產(chǎn)生附加應(yīng)力的作用，這是含瓦斯煤巖組合體的損傷破壞異常復(fù)雜的根本原因。初始加載階段煤巖組合體在接觸面處出現(xiàn)小范圍塑性破壞，但煤巖組合結(jié)構(gòu)仍然處于彈性階段。隨著加載的進(jìn)行，煤巖組合體接觸面以外的煤體開始出現(xiàn)塑性破壞，之后接觸面處的煤體開始大范圍出現(xiàn)塑性破壞，隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，煤體部分完全破壞，同時接觸面處的巖體也發(fā)生一定的塑性破壞，此時煤巖組合體整體失穩(wěn)破壞。煤巖組合體在不同圍壓以及瓦斯壓力下破壞時的塑性區(qū)云圖，如圖7。隨著圍壓的增大或者瓦斯壓力的減小，含瓦斯煤巖組合體的峰值強(qiáng)度及到峰值強(qiáng)度時的總輸入能量、彈性應(yīng)變能和耗散能均呈現(xiàn)增大趨勢。以含瓦斯煤體在全應(yīng)力應(yīng)變過程中的滲透率演化模型為基礎(chǔ)，同時考慮附加應(yīng)力的影響，建立受載含瓦斯煤巖組合體影響下煤體的滲透率演化模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 煤巖組合體受力分析示意圖Fig.5 The stress analysis diagram of the coal-rock combination

圖6 煤巖組合體三維重構(gòu)模型Fig.6 The three-dimensional reconstruction model for the coal-rock combination

3.2 含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)致災(zāi)物理模擬

受客觀條件的制約，對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害進(jìn)行現(xiàn)場研究很難實(shí)現(xiàn)，因此，利用物理模擬手段模擬含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)的煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害，是研究災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的重要方法，但相關(guān)研究報道還很少。筆者帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，以含瓦斯煤巖組合體系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)行不同條件下的含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)破壞物理模擬試驗(yàn)。通過控制各主要影響因素，模擬典型煤系地層條件下含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)破壞誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害過程。圖8表示一個典型的復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生時含瓦斯煤巖的拋出過程。

圖7 煤巖組合體在不同圍壓以及瓦斯壓力下的 塑性區(qū)云圖Fig.7 The plastic zone cloud chart of the coal-rock combinations under different confining pressures and gas pressures

圖8 災(zāi)害發(fā)生時煤巖拋出全過程視頻截圖Fig.8 The video screenshot of the whole process of the coal and rock throwing out during disaster

物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)害拋出的煤粉大部分都會拋在中遠(yuǎn)部區(qū)域，沒有明顯的分選性，這區(qū)別于一般意義上的煤與瓦斯突出現(xiàn)象。災(zāi)害發(fā)生后，煤體內(nèi)部形成凹形孔洞，并且在孔洞周圍的煤體發(fā)生層裂破壞，存在大量裂隙，強(qiáng)度較低。清理孔洞內(nèi)的碎煤后發(fā)現(xiàn)，未破壞煤體仍較完整，且具有一定強(qiáng)度。在地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖組合體結(jié)構(gòu)的綜合影響下，頂板巖層也會發(fā)生一定的變形破壞，如圖9。煤巖組合系統(tǒng)失穩(wěn)破壞后，煤體所受應(yīng)力從暴露面向煤層深處分別存在應(yīng)力卸載區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，垂直應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在暴露面附近的應(yīng)力集中區(qū)。瓦斯壓力在暴露面處為大氣壓，暴露面向煤體深處瓦斯壓力急劇上升，在應(yīng)力集中處達(dá)到最大。災(zāi)害發(fā)生瞬間，瓦斯壓力急劇下降，但是在下降過程中呈現(xiàn)出陣發(fā)性特征。

圖9 突出口煤巖的破裂及孔洞特征Fig.9 Characteristics of the fracture and hole in the coal and rock at the outburst

3.3 含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害條件及能量判據(jù)

3.3.1 含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生條件

受開采等擾動影響，處于臨界狀態(tài)的煤巖組合體變形系統(tǒng)開始失穩(wěn)，煤巖體釋放彈性應(yīng)變能，同時，孔隙和裂隙中積聚的大量解吸瓦斯釋放瓦斯膨脹能，對煤體產(chǎn)生拉伸破壞作用，煤體破壞同時會對接觸的巖體的彈性能釋放起到促進(jìn)作用，當(dāng)煤巖組合體的彈性能和瓦斯膨脹能同時釋放時，發(fā)生煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害。煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害是介于煤與瓦斯突出與沖擊地壓兩者之間的新的災(zāi)害類型，它是在一定瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤層及頂板強(qiáng)度的范圍之內(nèi)發(fā)生的，在這些參數(shù)的范圍之外就會過渡到單一的煤與瓦斯突出或沖擊地壓災(zāi)害，并且煤與瓦斯突出和沖擊地壓災(zāi)害并沒有嚴(yán)格的界限。由于煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生條件的復(fù)雜性及各因素之間的復(fù)雜相互作用，找到災(zāi)害發(fā)生的臨界瓦斯壓力、臨界地應(yīng)力及臨界煤巖組合體物理力學(xué)性質(zhì)很困難。對于瓦斯壓力條件來說，過大的瓦斯壓力反而不利于煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生，而是更有利于突出的發(fā)生。對于地應(yīng)力條件來說，在滿足特定的條件下，3種災(zāi)害都是隨著地應(yīng)力的增大而增強(qiáng)。在煤與瓦斯突出或者沖擊地壓向煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害過渡的過程中，在其他條件一致的情況下，較大的地應(yīng)力更有利于煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生。對于煤巖體來說，在其他條件一致的情況下，較大的煤體強(qiáng)度更有利于煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生。較高的頂板煤層強(qiáng)度差并不利于煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生。因此，煤與瓦斯突出危險性煤層通常是高瓦斯壓力、低強(qiáng)度煤層以及高地應(yīng)力的有機(jī)組合。而沖擊地壓通常是高強(qiáng)度煤、低瓦斯壓力、堅(jiān)硬頂板以及高地應(yīng)力的有機(jī)組合。與突出相比，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害更易在相對低的瓦斯壓力、相對高的煤層強(qiáng)度以及較小的頂板煤層強(qiáng)度差的條件下發(fā)生，但這些條件不能達(dá)到?jīng)_擊地壓的發(fā)生條件。煤與瓦斯突出/沖擊地壓與煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的轉(zhuǎn)化關(guān)系，如圖10。

圖10 煤與瓦斯突出/沖擊地壓與復(fù)合動力災(zāi)害 轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖Fig.10 The schematic diagram of conversion relationships between gas outburst/rockburst and compound dynamic disasters

3.3.2 含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害能量判據(jù)

從能量的角度分析，煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生是煤巖組合體中的能量持續(xù)集聚至煤巖組合體發(fā)生動力失穩(wěn)的過程，也是集聚的能量超出煤巖組合系統(tǒng)所能儲存的極限能量的過程。將煤巖組合體中煤體和巖體的彈性能與煤中瓦斯膨脹能之和定義為災(zāi)害發(fā)動能，將煤體破碎及巖體斷裂所需的能量定義為災(zāi)變耗散能。若煤巖組合體系統(tǒng)中災(zāi)害發(fā)動能小于耗散能時，認(rèn)為整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；若煤巖組合體系統(tǒng)中災(zāi)害發(fā)動能量大于耗散能量時，認(rèn)為整個系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)兩者相等時整個系統(tǒng)則處于臨界狀態(tài)。因此可以得出含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的能量判據(jù)為：

(1)

式中：

Ur—巖體彈性能，J；

Uc—煤體彈性能，J；

Wf—游離態(tài)的瓦斯氣體膨脹所做功，J；

Wd—煤體變形過程中部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的瓦斯膨脹所做的功，J；

Eb—單位體積煤體破碎功，J；

Ufmin—煤巖系統(tǒng)的損傷極限耗能，J；

Vfc—破碎煤體的體積，m3；

Vfr—巖體的損傷體積，m3。

3.3.3 含瓦斯煤巖組合體失穩(wěn)誘發(fā)復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)制

隨著采掘的推進(jìn)，在采動或擾動的作用下前方含瓦斯煤巖組合體受力狀態(tài)發(fā)生改變，在環(huán)向卸壓及垂向應(yīng)力集中的影響下，含瓦斯煤體組合體的彈性模量和強(qiáng)度等物性參數(shù)降低，一方面使得煤巖組合系統(tǒng)儲存的彈性能增加，降低了煤體破碎所需要的能量；另一方面提高煤體內(nèi)原有的瓦斯壓力梯度，高瓦斯壓力梯度加速了煤體的裂隙擴(kuò)展，促使吸附瓦斯快速解吸和滲流。吸附瓦斯快速解吸和滲流使得煤體的有效應(yīng)力增加，表現(xiàn)為對煤體具有拉伸破壞作用，使得煤體部分加速破裂。在改變的瓦斯流動狀態(tài)和改變的受力狀態(tài)相互耦合作用下，煤體部分達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度后發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時煤體破壞會在接觸面擴(kuò)展到巖體部分，而巖體破壞釋放彈性能更加促使煤體破壞及瓦斯流動狀態(tài)的變化。最終，當(dāng)煤巖組合體的彈性能和瓦斯膨脹能同時快速釋放時，災(zāi)害發(fā)動能瞬間大于災(zāi)害耗散能，在應(yīng)力、瓦斯和煤巖組合結(jié)構(gòu)相互作用下，含瓦斯煤巖組合系統(tǒng)整體失穩(wěn)誘發(fā)煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害，如圖11。

圖11 含瓦斯煤巖組合系統(tǒng)失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制示意圖Fig.11 The schematic diagram of the disaster-forming mechanism induced by the gas-bearing coal-rock combination system instability

4 煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理研究展望

前人研究成果加深了對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的理解，也初步形成對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的認(rèn)識。但是，到目前為止，學(xué)術(shù)界對于復(fù)合動力災(zāi)害的研究仍然處于起步階段，災(zāi)害的成災(zāi)模式和發(fā)生機(jī)理等還沒有完全弄清楚，從而使得對復(fù)合動力災(zāi)害的預(yù)測和防控較為盲目且低效，遠(yuǎn)不能滿足國家對煤炭資源安全綠色開采的戰(zhàn)略需要。因此，對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入研究迫在眉睫，其亟待解決的主要問題及未來研究方向如下：

(1)從災(zāi)害發(fā)生時現(xiàn)場呈現(xiàn)出多種類型的災(zāi)變特征可以看出災(zāi)害誘因的多樣性及發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性。比如：學(xué)術(shù)界目前對“沖擊地壓誘導(dǎo)的瓦斯異常涌出是不是復(fù)合動力災(zāi)害？應(yīng)力主導(dǎo)型突出是不是復(fù)合動力災(zāi)害？”等問題還沒有統(tǒng)一的定論。要想徹底弄清楚煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，就必須對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害進(jìn)行更加科學(xué)的分類，對各種類型的復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理進(jìn)行針對性的研究。

(2)前人對煤巖瓦斯復(fù)合動力的研究大多是從定性和初步定量角度出發(fā)。這些手段能為宏觀上認(rèn)識復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理提供一些有益的參考和借鑒，但是由于復(fù)合動力災(zāi)害的高度復(fù)雜性及非線性特征，要想真正地弄清楚其發(fā)生機(jī)理，構(gòu)建復(fù)合動力災(zāi)害的量化力學(xué)模型是未來研究的重點(diǎn)。

(3)含瓦斯煤巖組合體與含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)、滲透特性、聲發(fā)射前兆信號等方面存在較大的差異，并且應(yīng)力路徑對組合體的性質(zhì)也具有重要的影響，因此，復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的研究中，不僅要將瓦斯、煤、巖3者結(jié)合起來整體(含瓦斯煤巖組合體系統(tǒng))進(jìn)行研究，還必須考慮更符合現(xiàn)場實(shí)際條件的應(yīng)力路徑，如真三軸、動靜組合加載等應(yīng)力路徑。

(4)近年來，以深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，對提高煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生規(guī)律與機(jī)理分析的智能化水平具有重要的意義?？梢栽谏疃葘W(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)災(zāi)害主控因素和前兆指標(biāo)的精準(zhǔn)判識，在災(zāi)害非線性機(jī)理的定量研究方面發(fā)揮重要作用。

(5)在國家提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的背景下，煤炭行業(yè)的綠色、低碳發(fā)展尤為重要。隨著我國煤礦快速進(jìn)入深部開采，可以預(yù)見的是，復(fù)合動力災(zāi)害未來將成為制約深部煤炭綠色安全高效開采的重大威脅。而充分認(rèn)識復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理是災(zāi)害預(yù)測和防治的前提和關(guān)鍵，因此，政府、高校和企業(yè)應(yīng)加大對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害基礎(chǔ)研究的投入力度。

5 結(jié)論

(1)我國煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害的發(fā)生呈現(xiàn)出區(qū)域性特征，集中在我國的中部、華東及東北地區(qū)。大部分煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生在大于600m深度的區(qū)域，但是也有一些災(zāi)害案例發(fā)生深度小于600m，甚至在400m的深度。國內(nèi)外學(xué)者從定性和初步定量角度對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的研究取得了一定進(jìn)展，但尚未完全弄清楚災(zāi)害的成災(zāi)模式和發(fā)生機(jī)理，極大影響了對復(fù)合動力災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測和防控。

(2)應(yīng)重點(diǎn)從以下幾個方面加強(qiáng)對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害機(jī)理的研究：一是對煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害進(jìn)行更加科學(xué)的分類；二是深入研究復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生的量化力學(xué)模型；三是要考慮含瓦斯煤巖組合體系統(tǒng)在更符合現(xiàn)場實(shí)際條件的應(yīng)力路徑下的致災(zāi)機(jī)制研究；四是強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在災(zāi)害非線性機(jī)理研究中的作用；五是持續(xù)加大科技攻關(guān)力度。