石門(mén)揭突出煤層圍巖力學(xué)特性模擬試驗(yàn)研究.pdf

1、石門(mén)揭穿突出煤層時(shí)的煤與瓦斯突出，是煤礦生產(chǎn)中的一種極為復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害，這種類型突出的強(qiáng)度和危害性在各類突出中往往是最大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80％的重、特大煤與瓦斯突出事故發(fā)生在石門(mén)揭煤的過(guò)程中。眾所周知，煤與瓦斯突出這一復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象是在某些特殊因素的共同作用下發(fā)生的，這些因素包括地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等。有的學(xué)者從煤與瓦斯突出發(fā)生地點(diǎn)的相關(guān)地質(zhì)資料的研究中，得出這樣的結(jié)論，大多數(shù)石門(mén)揭煤突出的發(fā)生和其發(fā)生地點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造有密切的

2、關(guān)系（這一點(diǎn)和其他類型的突出是一致的）。因此，有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造影響下，石門(mén)揭煤過(guò)程中的圍巖力學(xué)特性和突出機(jī)理的研究具有重要意義。
　　 以巖石力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造力學(xué)、瓦斯賦存與流動(dòng)理論及煤與瓦斯突出機(jī)理等理論為基礎(chǔ)，總結(jié)出了各種地質(zhì)構(gòu)造在煤層中形成的破壞區(qū)的共同特征，描述了“構(gòu)造包體”的概念。然后，選擇逆斷層構(gòu)造在煤層中所形成的壓扭、封閉性破壞區(qū)作為試驗(yàn)中的“構(gòu)造包體”，構(gòu)建了石門(mén)揭含“構(gòu)造包體”突出煤層的突出模型，并探析了模型中“構(gòu)造

3、包體”的力學(xué)和聚能特性以及模型的煤與瓦斯突出機(jī)理。
　　 依據(jù)淮南礦區(qū)C13-1煤這一典型突出煤層的頂、底板巖性分布及物理力學(xué)參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建了煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了石門(mén)揭煤相似模擬試驗(yàn)。在相似模擬試驗(yàn)中，對(duì)表征石門(mén)揭煤巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的力學(xué)特性及揭開(kāi)含“構(gòu)造包體”突出煤層時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了采集，其中包括：圍巖應(yīng)力的變化、圍巖的位移，“構(gòu)造包體”及煤層內(nèi)瓦斯壓力的變化，“構(gòu)造包體”周圍圍巖的溫度變化。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4、的分析研究，得出以下結(jié)論：第一，揭煤巷道向“構(gòu)造包體”推進(jìn)的過(guò)程中，巷道迎頭端面前方圍巖的一定范圍內(nèi)存在明顯的應(yīng)力降低和應(yīng)力升高現(xiàn)象。第二，在石門(mén)巷道向“構(gòu)造包體”推進(jìn)過(guò)程中的良好支護(hù)范圍內(nèi)，巷道上覆圍巖各點(diǎn)垂向位移量的最大值僅為3mm(相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)12cm)；在“構(gòu)造包體”周圍圍巖的位移量在突出前很小，突出時(shí)猛增，最小為10mm(相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)0.4m)，最大值超過(guò)了50mm(相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)2.0m)；突出終止以后，在上覆載荷的作用下，突出空洞

5、的體積有所縮小，為最大空洞體積的80％。第三，隨著瓦斯氣體的充入，“構(gòu)造包體”溫度升高的幅度和速率大于兩側(cè)煤層；當(dāng)突出發(fā)生時(shí)，兩側(cè)煤體的瓦斯壓力和溫度的下降時(shí)間滯后于“構(gòu)造包體”，兩側(cè)煤體的瓦斯壓力和溫度的下降幅度也小于“構(gòu)造包體”。第四，突出發(fā)生時(shí)，突出顆粒具有分選現(xiàn)象，并出現(xiàn)了典型的突出空洞。
　　 結(jié)合相似模擬試驗(yàn)，利用固-氣耦合軟件RFPA2D-Flow建立了石門(mén)揭含“構(gòu)造包體”突出煤層數(shù)值模型，從細(xì)觀的角度再現(xiàn)了石門(mén)揭

6、含“構(gòu)造包體”突出煤層時(shí)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、聲發(fā)射、瓦斯流場(chǎng)及瓦斯壓力場(chǎng)的演化及煤與瓦斯突出現(xiàn)象，數(shù)值模擬結(jié)果與相似模擬結(jié)果是基本一致的。此外，改變地應(yīng)力和煤體強(qiáng)度的大小，進(jìn)行了多次模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律：第一，高地應(yīng)力、高瓦斯條件下，如果支護(hù)不力，巷道變形嚴(yán)重，煤層煤體和“構(gòu)造包體”內(nèi)松散煤巖進(jìn)一步破碎，極易產(chǎn)生自“構(gòu)造包體”向周圍煤層擴(kuò)展的大型突出；第二，低地應(yīng)力、高瓦斯條件下，突出強(qiáng)度相對(duì)減弱，突出一般被限制在“構(gòu)造包體”控制范圍以內(nèi)

7、；第三，若提高“構(gòu)造包體”的強(qiáng)度，即使在高地應(yīng)力和高瓦斯壓力條件下，突出也不易發(fā)生，煤體以破裂為主。
　　 最后列舉了含“構(gòu)造包體”煤層突出的實(shí)例，論證了“構(gòu)造包體”對(duì)煤與瓦斯突出影響的客觀性；并利用構(gòu)建的“構(gòu)造包體”突出模型，對(duì)突出進(jìn)行了分析，認(rèn)為：在石門(mén)揭含“構(gòu)造包體”突出煤層過(guò)程中，高瓦斯含量和壓力、高地應(yīng)力和低煤體強(qiáng)度是突出的發(fā)生的關(guān)鍵因素。
　　 通過(guò)理論分析、相似試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析得出石門(mén)揭含“構(gòu)造包體”突出

8、煤層時(shí)突出發(fā)生的原因是：“構(gòu)造包體”影響區(qū)存在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，圍巖的初始應(yīng)力較高；隨著石門(mén)揭煤巷道的推進(jìn)，該區(qū)域圍巖的應(yīng)力具有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)，圍巖變形小，瓦斯壓力較高，即便當(dāng)石門(mén)揭煤工作面推進(jìn)至“構(gòu)造包體”附近時(shí)，附近圍巖仍然保持著較高的地應(yīng)力和瓦斯壓力；當(dāng)揭煤工作面突然打開(kāi)“構(gòu)造包體”時(shí)，突出瞬間發(fā)生，附近圍巖的地應(yīng)力和瓦斯壓力迅速降低。可見(jiàn)，在石門(mén)巷道推進(jìn)過(guò)程中，含“構(gòu)造包體”突出煤層一直維持著較高的地應(yīng)力和瓦斯壓力是造成突出的重要原