構(gòu)造帶石門揭煤誘導(dǎo)突出的力學(xué)特性模擬及聲發(fā)射響應(yīng)

劉 健,劉澤功,高 魁,馬衍坤

(1．安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽淮南 232001;2．安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽淮南 232001)

構(gòu)造帶石門揭煤誘導(dǎo)突出的力學(xué)特性模擬及聲發(fā)射響應(yīng)

劉 健1,2,劉澤功1,2,高 魁1,2,馬衍坤1,2

(1．安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽淮南 232001;2．安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽淮南 232001)

為揭示地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域石門揭煤誘導(dǎo)突出的機理,運用自行研發(fā)的大型三維煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng),對石門揭露斷層構(gòu)造帶煤層的過程進(jìn)行了相似模擬,同步采集分析了突出全過程的應(yīng)力變化規(guī)律及揭煤過程的聲發(fā)射響應(yīng)規(guī)律,并對構(gòu)造帶揭煤突出過程的能量耦合躍遷失穩(wěn)過程進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明：在構(gòu)造帶掘進(jìn)巷道的推進(jìn)過程中,巷道上方的巖層和煤層均會經(jīng)歷應(yīng)力增大和減小的過程,但構(gòu)造區(qū)域煤層的應(yīng)力集中系數(shù)大于巖層區(qū)域,呈現(xiàn)較強的應(yīng)力敏感性;在開挖時和突出的過程中,聲發(fā)射信號能較好地反映煤巖動態(tài)變化;在巷道掘進(jìn)過程中,構(gòu)造區(qū)域煤層不斷積聚彈性能和瓦斯內(nèi)能,并相互耦合逐步達(dá)到能量的極限平衡狀態(tài),一旦揭煤擾動到該系統(tǒng),就會引起能量的耦合躍遷失穩(wěn),從而誘發(fā)突出。

構(gòu)造帶;石門揭煤;相似模擬試驗;聲發(fā)射;能量耦合躍遷

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下一種復(fù)雜的礦井災(zāi)害,在極短的時間內(nèi)(幾秒到幾分鐘),從煤巖層內(nèi)向采掘空間以極快的速度噴出大量的碎煤和瓦斯,能夠摧毀巷道設(shè)施,造成煤流埋人;破壞通風(fēng)系統(tǒng),使人員窒息,嚴(yán)重時,甚至造成瓦斯燃燒或爆炸。我國是世界上煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重的國家之一,煤礦深受其害,并造成巨大的人員和財產(chǎn)損失[1]。經(jīng)過對礦區(qū)發(fā)生過的煤與瓦斯突出事故案例的研究分析,得出復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和煤與瓦斯突出的發(fā)生有著密切的關(guān)系[2-5],而石門揭煤突出又是煤與瓦斯突出事故中強度最高、危險性最大的一種礦井瓦斯動力現(xiàn)象[6]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者在研究煤與瓦斯突出機理及防治方面開展了大量工作[7]。何學(xué)秋等[8]基于試驗和理論分析,提出了煤和瓦斯突出機理的流變假說;蔣承林[9]提出了煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)假說;孟祥躍等[10]根據(jù)突出的二維模擬試驗,發(fā)現(xiàn)煤體動態(tài)破壞過程中存在應(yīng)力轉(zhuǎn)移;蔡成功[11]運用三維模擬裝置進(jìn)行了突出模擬試驗;許江等[12-13]設(shè)計的三維模擬試驗裝置可實現(xiàn)不同瓦斯壓力和地應(yīng)力下試驗研究;王剛等[14]研制出一套能夠綜合考慮地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體結(jié)構(gòu)的石門揭煤突出模擬試驗系統(tǒng);劉澤功等[15]開發(fā)了目前尺寸最大的突出三維模擬試驗裝置。以上這些研究將實際較復(fù)雜的問題進(jìn)行簡化,實現(xiàn)了與現(xiàn)場類似的突出現(xiàn)象。但采用型煤或其他各向同性材料進(jìn)行重復(fù)性試驗,較少考慮地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響。

鑒于此,為揭示地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域石門揭煤誘導(dǎo)突出的機理,以煤層瓦斯地質(zhì)條件特別復(fù)雜的淮南礦區(qū)C13-1煤層為試驗?zāi)Ｐ偷脑?利用自主研制的大型三維煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng),研究斷層地質(zhì)構(gòu)造帶石門揭煤誘導(dǎo)煤與瓦斯突出發(fā)生的力學(xué)特性,并同步監(jiān)測采集該過程的聲發(fā)射信息,分析地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域石門揭煤誘導(dǎo)突出的能量耦合躍遷機理及聲發(fā)射規(guī)律。

1 相似模擬試驗系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 試驗系統(tǒng)主體

煤與瓦斯突出模擬試驗裝置主要包括試驗箱體、反力架和液壓加載裝置、充氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 煤與瓦斯突出實驗裝置系統(tǒng)Fig．1 Experimental system of coal and gas outburst

試驗箱體為長方體形狀,長為2．5 m,寬為1．0 m,高為1．5 m。箱體的上方為可以自由上下移動的鋼結(jié)構(gòu)蓋板,在蓋板的上方按照設(shè)計要求放置液壓千斤頂,液壓千斤頂通過輸油管路連接到一起,由液壓泵統(tǒng)一提供壓力,千斤頂上方為反力架。

試驗箱體的密封采用中性硅酮結(jié)構(gòu)膠。裝材料前,在試驗箱體內(nèi)壁四周涂10 mm厚的密封膠;在物理模型鋪設(shè)完成之后,蓋上試驗箱體的上壓力板,放置好液壓千斤頂之后,先進(jìn)行模型的預(yù)加載15 d。之后,在箱體頂部活動蓋板上方接線口和蓋板四周封涂密封膠,并保持預(yù)定的載荷進(jìn)行正式的加載,所施加的載荷達(dá)到預(yù)定值之后,關(guān)閉液壓千斤頂輸油管路的閥門使壓力值保持不變,直到試驗結(jié)束。

待頂部密封硅膠風(fēng)干達(dá)到密封效果之后,開始對煤層充氣。氣瓶內(nèi)的瓦斯經(jīng)減壓室減壓后,通過耐高壓充氣管路向煤體充氣。充氣閥門關(guān)閉時,主氣壓表顯示氣瓶壓力,副氣壓表顯示試驗箱體內(nèi)氣體壓力。當(dāng)充氣72 h后,停止充氣,此時,副氣壓表顯示的壓力達(dá)到1 MPa,且長時間保持不變。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)和聲發(fā)射信息監(jiān)測系統(tǒng)。試驗采用的DS-2系列全信息聲發(fā)射信號分析儀,如圖2所示。聲發(fā)射探頭的布置方式如圖3所示,在巷道開挖口附近布置4個聲發(fā)射探頭。

1.2 相似條件

根據(jù)實際煤層的相關(guān)參數(shù),確定本相似模型的幾何相似比為40∶1。實際巖體的平均密度為2．5 g/ cm3,模擬巖體的平均密度為1．5 g/m3,密度相似比為5∶3。由此確定應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=66．7,同時巖體抗拉強度σt、抗壓強度σc、抗彎強度σf、抗剪強度σs以及彈性模量E的相似常數(shù)均為66．7。

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測儀Fig．2 Acoustic emission monitor

圖3 聲發(fā)射探測器測點布置Fig．3 Layout diagram of acoustic emission probe

按1 000 m埋深計算,原型所受的載荷為24．5 MPa,模型上方需要施加的應(yīng)力0．367 5 MPa,折成蓋板上方千斤頂所施加的應(yīng)力為918．75 kN,蓋板上方共需6個液壓千斤頂,每個液壓缸所施加的壓力為153．125 kN。

建立的試驗物理模型包含2個煤層,6 h開挖一次,每次10 cm,相當(dāng)于現(xiàn)場進(jìn)尺4 m。

1.3 模型的構(gòu)建

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D4所示,以淮南礦區(qū)某礦C13-1強突出煤層為研究對象,在石門掘進(jìn)工作面前方的煤層中存在一個逆斷層的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域,石門巷道逐漸向其靠近,最后將其揭露。

根據(jù)C13-1煤巖層的厚度、相似條件和有關(guān)煤巖力學(xué)特性的相似材料配比數(shù)據(jù),在煤與瓦斯突出模擬試驗裝置中鋪設(shè)如圖4所示的各煤巖層。在斷層附近設(shè)置一個充氣點,充氣壓力為1 MPa。

圖4 試驗?zāi)Ｐ图懊簬r物性參數(shù)Fig．4 Experimental model and parameters of coal and rock

1.4 試驗步驟

(1)構(gòu)建相似模擬模型：將煤層、巖層按照比例鋪設(shè)在試驗箱體中,構(gòu)造軟煤帶物理模型的鋪設(shè)過程如圖5所示;

(2)根據(jù)試驗需要,在煤巖層的不同位置埋設(shè)應(yīng)變磚;

(3)利用充氣系統(tǒng),向煤層的不同位置充氣至瓦斯壓力穩(wěn)定在1 MPa;

(4)在突出口向煤層方向掘進(jìn)巷道,直至揭開煤層。

圖5 試驗相似材料配比及模型鋪設(shè)Fig．5 Similar experiment material matching and model laying

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 突出現(xiàn)象

按照試驗步驟進(jìn)行相似模擬試驗,直到突出現(xiàn)象結(jié)束為止。隨著巷道逐步向前開挖,構(gòu)造帶的軟煤能量逐漸積聚,并在石門揭煤瞬間發(fā)生突出(圖6)。

圖6 煤與瓦斯突出瞬間高速攝像圖片F(xiàn)ig．6 High speed photographs at the coal and gas outburst moment

突出發(fā)生的時間很短,而突出的發(fā)展過程則耗時較長。突出發(fā)生時,瓦斯攜帶碎煤從巷道開挖口噴出,噴射的距離最遠(yuǎn)為2 m左右。

突出后煤體內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的孔洞現(xiàn)象,突出后的孔洞如圖7所示?？梢钥闯?突出后的孔洞呈“倒梨型”,和現(xiàn)場發(fā)生的煤與瓦斯突出形狀相近。

圖7 突出后形成的孔洞Fig．7 Cavern generated after outburst

2.2 應(yīng)力演化特征

巷道上方的應(yīng)力測點布置如圖8所示。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測點的布置方式可知,1,2,5,6,9,10號測點均位于巷道上方發(fā)育正常的煤巖層內(nèi),而3,4,7,8,11, 12號測點均位于巷道正前方的構(gòu)造煤層內(nèi)。巷道掘進(jìn)過程中,巷道上方的應(yīng)力演化如圖9所示。

圖8 應(yīng)力測點布置Fig．8 Point arrangement of stress measuring

圖9 開挖過程中應(yīng)力演化規(guī)律Fig．9 Stress evolution during tunnelling

(1)巖層內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律。

從圖9可以看出,突出口打開后,在開挖過程中,巖層內(nèi)測點位置的應(yīng)力演化趨勢基本相同,均隨著開挖面的臨近而不斷地增大,并在開挖面過測點后逐漸降低。巷道左上方和右上方監(jiān)測位置的應(yīng)力演化呈現(xiàn)類似的規(guī)律。

在應(yīng)力演化過程中,1號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．42 MPa;2號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．45 MPa。應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到1．3。開挖面過測點后應(yīng)力逐漸降低,應(yīng)力最終值低于應(yīng)力初始值。5號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．48 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1．5;6號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．46 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1．5。

(2)構(gòu)造煤層區(qū)域的應(yīng)力演化規(guī)律。

與巖層內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律不同,構(gòu)造煤層區(qū)域的應(yīng)力演化趨勢對于巷道的開挖具有較高的敏感性。

由圖9可知,處于構(gòu)造軟煤褶曲部位的各監(jiān)測點應(yīng)力集中程度要明顯大于巖層內(nèi)各個測點。3號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．56 MPa;4號監(jiān)測位置處的應(yīng)力最大值為0．76 MPa,應(yīng)力集中程度達(dá)到1．7。

在巷道正上方的7號和8號監(jiān)測位置的應(yīng)力集中程度最大,應(yīng)力最大值分別為0．59,0．87 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)分別為1．6,1．9。突出發(fā)生后,兩個測點的應(yīng)力急劇降低到0,這是由于兩個測點與突出孔洞距離較近,導(dǎo)致卸壓而引起的。

(3)巖層與構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力對比。

由圖9可知,巖層內(nèi)測點的應(yīng)力演化不如構(gòu)造區(qū)域明顯。構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力高峰處的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)1．9,遠(yuǎn)大于巖層區(qū)域。這表明,當(dāng)構(gòu)造區(qū)域的煤巖層受到開挖擾動時,構(gòu)造區(qū)域煤層的應(yīng)力敏感性要強于巖層。在開挖面臨近構(gòu)造區(qū)域時,煤層更易于形成較強的應(yīng)力集中區(qū)域。

2.3 聲發(fā)射響應(yīng)特征

試驗過程對聲發(fā)射信息的監(jiān)測是從給模型充氣吸附的過程開始,直至突出結(jié)束。

在剛開始充氣的最初幾秒內(nèi),聲發(fā)射信號較微弱,隨著吸附滲流過程的發(fā)展,聲發(fā)射信號出現(xiàn)陣發(fā)性和峰值交替[16]。

第4次開挖的聲發(fā)射信號如圖10所示?？梢钥吹?剛開始進(jìn)行開挖時,受開挖擾動的影響,聲發(fā)射信號密集而且較強,第1峰值后聲發(fā)射又降低到較低水平,表明煤層中的裂隙無變化,處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),能量開始積聚。隨著巷道開挖向前推進(jìn),應(yīng)力集中帶向前推移,開挖到斷層附近,地應(yīng)力對構(gòu)造軟煤做功,煤體的破裂程度逐漸上升,煤體向外膨脹,煤體中積聚彈性潛能和瓦斯膨脹能增大,能量信號強度明顯增強。開挖揭開煤層瞬間,煤壁完全暴露,在極大的應(yīng)力和壓差下,煤體被拋出,完成了煤與瓦斯突出。煤與瓦斯突出發(fā)生后,地應(yīng)力不再對煤體作用,瓦斯壓力也迅速降低到大氣壓,聲發(fā)射信號強度急劇下降。

圖10 開挖及突出過程聲發(fā)射響應(yīng)Fig．10 Acoustic emission response during tunneling and outburst

3 能量耦合躍遷失穩(wěn)分析

3.1 突出過程的能量積聚

石門揭露斷層附近軟煤賦存帶的過程如圖11所示。其中,σⅠ,pⅠ為掘進(jìn)工作面Ⅰ地應(yīng)力和瓦斯壓力,MPa;σⅡ,pⅡ為掘進(jìn)工作面Ⅱ的地應(yīng)力和瓦斯壓力,MPa;σxy為構(gòu)造應(yīng)力;L為掘進(jìn)工作面距構(gòu)造軟煤距離,m。

圖11 地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域突出前應(yīng)力演化示意Fig．11 Stress evolution in geologic structure area before outburst

(1)瓦斯內(nèi)能積聚。

由于開挖形成應(yīng)力集中,使構(gòu)造煤中孔隙瓦斯壓力上升,瓦斯壓力升高使其對煤體的作用加強。在揭煤之前,由于煤層依然處于被封閉的狀態(tài),構(gòu)造帶將會形成“瓦斯包”的宏觀形態(tài),此處的瓦斯內(nèi)能遠(yuǎn)高于其他位置的煤體。因此,一旦揭煤,此處瓦斯所釋放出的瓦斯膨脹能將遠(yuǎn)高于其他區(qū)域煤體瓦斯[17]。

式中,Wp為參與突出過程做功的噸煤瓦斯內(nèi)能,kJ; V0為參與做功的瓦斯體積,m3/t;p0為煤體拋出后的瓦斯壓力,可按一般大氣壓力計算,MPa;p為突出煤層的瓦斯壓力,MPa;n為過程指數(shù),對于突出多變過程,n=1～1．31。

(2)煤體彈性能積聚。

地質(zhì)構(gòu)造帶煤的物理力學(xué)特性使得煤層的瓦斯吸附量大,煤體松軟。圖9也表明,該區(qū)域的煤層更易于形成較大的應(yīng)力集中。從能量的角度,當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)到構(gòu)造區(qū)域時,相比于巖層而言,構(gòu)造煤層會以彈性能的形式儲存較多的能量[18]。

3.2 能量耦合躍遷失穩(wěn)

根據(jù)煤與瓦斯突出的時空耦合躍遷失穩(wěn)機理[19],構(gòu)造帶石門揭煤誘導(dǎo)突出的過程是典型的能量耦合躍遷失穩(wěn)過程。

煤與瓦斯所組成的系統(tǒng)在煤體、瓦斯、地應(yīng)力以及外界擾動的共同作用下,從較為穩(wěn)定的狀態(tài)躍遷到突出狀態(tài),這是與時空相關(guān)的能量積累和釋放過程。

從能量的角度而言,煤與瓦斯系統(tǒng)在采動過程中會逐步儲存彈性能、瓦斯內(nèi)能及其他形式能量,并相互耦合。在采動擾動的作用下,能量發(fā)生突然釋放,而誘導(dǎo)突出。

對于構(gòu)造區(qū)域,當(dāng)巷道開挖臨近煤層時,構(gòu)造煤巖層與構(gòu)造帶瓦斯所組成的系統(tǒng)已經(jīng)儲存了大量的彈性能和瓦斯內(nèi)能,如3．1節(jié)所述。所儲存的能量相互耦合,并達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。而開挖擾動使得這種穩(wěn)定狀態(tài)不斷逼近能量極限平衡狀態(tài)。

當(dāng)構(gòu)造帶煤層被揭開瞬間,開挖擾動誘導(dǎo)應(yīng)力峰躍遷至構(gòu)造煤區(qū)域,而原本已達(dá)到能量極限平衡狀態(tài)的煤與瓦斯系統(tǒng)則會躍遷為突出的不穩(wěn)定態(tài),進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn),造成突出。

4 結(jié) 論

(1)開挖到斷層附近時,地應(yīng)力對煤體做功,煤體中積聚彈性潛能和瓦斯膨脹能增大,能量信號強度明顯增強,開挖揭開煤層瞬間,完成了煤與瓦斯突出。

(2)斷層構(gòu)造帶構(gòu)造應(yīng)力和集中應(yīng)力疊加,構(gòu)造帶煤體的力學(xué)性質(zhì)和瓦斯賦存規(guī)律綜合控制著地質(zhì)構(gòu)造帶的煤與瓦斯突出的發(fā)生。

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Simulation experiment of mechanical characteristics and acoustic emission response during outburst induced by rock cross-cut coal uncovering in tectonic belt

LIU Jian1,2,LIU Ze-gong1,2,GAO Kui1,2,MA Yan-kun1,2

(1.School of Mining and Safety Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.Key Laboratory of Mine Safety and High Efficient Mining Jointly Built by Province and Education Ministry,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

Using the self-developed and three-dimensional simulation experimental system of coal and gas outburst,the process of rock cross-cut coal uncovering in fault structure zone was simulated,with the acoustic emission response and the stress evolution being collected．Also,the theoretical analysis was carried out on the energy coupling and transition unstability during the outburst of rock cross-cut coal uncovering in tectonic belt．The results show that the stress of rock and coal seam at the top of roadway experiences increase or decrease in the process of roadway advance in tectonic belt．With much more stress sensitivity in coal seam,the stress concentration factor of coal seam is higher than that of rock．During the process of uncovering and outburst,the acoustic emission response matches the coal and rock dynamic changes well．The elastic energy and gas internal energy of coal seam accumulate constantly during the roadway advance in tectonic area,and then they couple gradually to achieve an ultimate energy equilibrium．Once the equilibrium system is disturbed by coal uncovering,the unstability of energy coupling and transition take place and induce coal and gas outburst．The research results are of theoretically significance for the mechanism research of coal and gas outburstin tectonic belt．

tectonic belt;rock cross-cut coal uncovering;similar simulation experiment;acoustic emission;energy coupling and transition

TD713

A

0253-9993(2014)10-2022-07

2013-11-15 責(zé)任編輯：張曉寧

國家自然科學(xué)基金資助項目(51004003,50974004)

劉 健(1975—),男,江蘇泰興人,副教授,博士。E-mail：jianliu@aust．edu．cn

劉 健,劉澤功,高 魁,等．構(gòu)造帶石門揭煤誘導(dǎo)突出的力學(xué)特性模擬及聲發(fā)射響應(yīng)[J]．煤炭學(xué)報,2014,39(10)：2022-2028．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1668

Liu Jian,Liu Zegong,Gao Kui,et al．Simulation experiment of mechanical characteristics and acoustic emission response during outburst induced by rock cross-cut coal uncovering in tectonic belt[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2022-2028．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1668