巖石和瓦斯突出發(fā)生條件及機理研究.pdf

1、近年來,國內(nèi)外煤礦礦井在深部掘進(jìn)巷道時出現(xiàn)了巖石和瓦斯突出現(xiàn)象。巖石和瓦斯突出包括了巖石突出、巖石與瓦斯一起突出,它們不僅發(fā)生在采礦工程中的巖巷掘進(jìn),也發(fā)生在隧道與其他地下工程施工的相應(yīng)工程地質(zhì)環(huán)境中。目前,國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對巖石和瓦斯突出發(fā)生條件和機理研究還不夠,尚不能準(zhǔn)確回答巖石和瓦斯突出過程中的能量來源及能量的轉(zhuǎn)化過程、爆破與巖石和瓦斯突出的關(guān)系及其作用機理、巖石和瓦斯突出的啟動和停止等更深層次上的因為。
　　 本文基于永川煤

2、礦的巖石和瓦斯突出現(xiàn)象,針對永川煤礦的地質(zhì)條件、突出砂巖的物性；突出巖石受載變形的損傷、強度和破壞；煤巖和瓦斯突出過程中的瓦斯膨脹能；巖石和瓦斯突出、巖爆發(fā)生的一般規(guī)律和成因；巖石和瓦斯突出的能量、發(fā)生的臨界條件及機理等問題展開研究,主要結(jié)論如下:
　　 永川煤礦的巖石和瓦斯突出發(fā)生在距主采煤層.大龍煤層之下43m的T3xj4砂巖層中,該砂巖層為三角洲平原沉積相；T3xj4砂巖含有的Si、Al元素較多,礦物組成以石英、云母、長石

3、為主；T3xj4砂巖滲透性較差,比表面積較大,其內(nèi)部孔的孔徑一般大于甲烷分子直徑；T3xj4砂巖微觀裂隙和節(jié)理不發(fā)育、連通性差,呈塊狀、結(jié)構(gòu)致密,砂巖層中的黑色包裹體是一種成分復(fù)雜的礦物質(zhì)；T3xj4砂巖層中賦存的瓦斯氣體成分以甲烷為主,其次還有少量的乙烷、丙烷、異丁烷,該砂巖層具有吸附瓦斯的能力；大龍煤層的煤質(zhì)為1/3焦煤,該煤的比表面積高達(dá)280m2/g,SEM圖像表明其內(nèi)部裂隙發(fā)育,且互相交聯(lián)。
　　 T3xj4砂巖樣強度

4、較低,屈服現(xiàn)象明顯,其循環(huán)加卸載的疲勞破壞過程受靜態(tài)全應(yīng)力應(yīng)變曲線的控制；T3xj4砂巖聲發(fā)射類型與MOGI-I相似,在應(yīng)力應(yīng)變曲線上對應(yīng)的Kaiser點、屈服點及峰值點處聲發(fā)射信號明顯,且該種砂巖存在Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)；在圍壓條件下,峰后破裂T3xj4砂巖樣的破裂比(r)與其對應(yīng)的割線模量、軸向最大應(yīng)變量及軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線峰前段下的面積(應(yīng)變能)有一定的線性關(guān)系,且破裂砂巖樣是在完整砂巖樣破壞的基礎(chǔ)上進(jìn)一步破壞的；

5、破裂T3xj4砂巖樣的蠕變規(guī)律與完整巖樣的相似,均可用改進(jìn)的西原正夫模型描述蠕變的各個階段；頂板砂質(zhì)頁巖脆性較大,破壞時產(chǎn)生較大爆裂聲響,其聲發(fā)射類型與致密不穩(wěn)定的-Ⅳ相似,應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線對應(yīng)的Kaiser點、峰值點處聲發(fā)射信號明顯。
　　 利用自主研制的煤巖介質(zhì)中瓦斯膨脹能測試裝置研究了不同條件下煤和T3xj4砂巖中的瓦斯膨脹做功規(guī)律,研究表明:低瓦斯壓力條件下,煤中瓦斯對外做膨脹功推出活塞的長度(它反映了做功能力)與瓦斯

6、壓力呈指數(shù)關(guān)系變化,而砂巖中瓦斯對外做膨脹功推出活塞的長度與瓦斯壓力呈線性關(guān)系,通過計算瓦斯膨脹的多變指數(shù),得出煤巖中瓦斯的膨脹過程為等溫過程。
　　 巖石和瓦斯突出、巖爆都屬于礦山壓力所導(dǎo)致的巖石動力現(xiàn)象,均發(fā)生在高地應(yīng)力地區(qū),且都與工程擾動有關(guān);普遍的巖石和瓦斯突出都是由爆破作業(yè)引起的,突出發(fā)生時伴隨著巖石碎片的拋出和瓦斯氣體的涌出,突出的能量來源為巖體彈性變形能、重力勢能和瓦斯膨脹能,突出孔洞為梨形、口袋形等向巖層內(nèi)部延伸

7、的不規(guī)則孔洞；巖爆可以自發(fā)地發(fā)生,多發(fā)生在強度高、脆性大的堅硬巖層中,巖爆發(fā)生后僅在巖體上留下較淺的爆坑；計算了永川煤礦巖巷的斷裂失穩(wěn)區(qū),并與壓性水平構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力場下的斷裂失穩(wěn)區(qū)進(jìn)行了對比,指出以近豎直方向為主的地應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂失穩(wěn)區(qū)在巷道兩肩呈對稱分布,而壓性水平構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂失穩(wěn)區(qū)分布特征則不同。對比分析了巖石斷裂失穩(wěn)區(qū)與實際突出孔洞,認(rèn)為巖石和瓦斯突出孔洞是由高地應(yīng)力形成的局部破壞區(qū)演化、發(fā)展來的,爆炸應(yīng)力

8、并不能改變外載應(yīng)力條件,爆破對巖石和瓦斯突出起誘導(dǎo)作用。
　　 討論了斷裂失穩(wěn)區(qū)中破裂巖石的彈性變形能、瓦斯膨脹能和重力勢能及其在巖石和瓦斯突出中的功能轉(zhuǎn)化關(guān)系,根據(jù)功能平衡原理得出了巖石和瓦斯突出時巖石的彈性模量臨界條件和拋出初速度；指出圍壓條件下巖石最大泊松比的取值應(yīng)根據(jù)巖樣峰后連續(xù)加卸載的試驗方法確定；巖石和瓦斯突出開始的時間理論上可根據(jù)平面應(yīng)力條件下巖石蠕變失穩(wěn)的應(yīng)變-時間關(guān)系來估算；得出了巖石和瓦斯突出的機理:巖石和瓦

9、斯突出是具有一定物理力學(xué)性質(zhì)的巖石體在高地應(yīng)力條件下形成斷裂失穩(wěn)區(qū),并在瓦斯作用下和爆破工程誘導(dǎo)及其他工程擾動作用下產(chǎn)生的一種動力現(xiàn)象,突出的能量來源于彈性變形能、瓦斯的膨脹能和重力勢能,當(dāng)巖體釋放的彈性能潛能足夠大時,可破壞巖體,激發(fā)突出,即巖石和瓦斯突出開始發(fā)動；若突出孔洞壁有足夠大的地應(yīng)力梯度和瓦斯壓力梯度,巖體的破碎就會不斷向周圍擴(kuò)展,巖石和瓦斯突出得以發(fā)展；當(dāng)突出的能量消耗殆盡和突出孔道受阻礙、不能繼續(xù)在突出孔洞壁建立高的地應(yīng)