水力卸压防止承压散体煤和瓦斯突出机理.pdf

第3 6 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．1 2 0 0 7 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 1 ～0 1 0 3 - 0 4 水力卸压防止承压散体煤和瓦斯突出机理 马中飞1 1 ．江苏大学安全工程技术中心，江苏镇江2 1 2 0 1 3 ；2 ． ，俞启香2 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要从散体煤和瓦斯失控突出条件出发，分析了超前水力卸压防止散体煤和瓦斯突出作用原 理，并通过检测水力卸压前后瓦斯涌出量变化、利用电磁辐射技术检测煤体破裂变形以及相关实 际资料验证了该机理的正确性．结果表明，实施水力卸压防突措施时电磁辐射强度及脉冲数增 大，有利于防止突出，其防突作用原理有3 条1 煤体增裂预释放瓦斯，增加切向应力和散体摩 擦阻力，2 增加煤体位移，预降低高压侧径向有效地应力，减少散体突变运动径向应力差，3 注 水湿润使散体间及相邻煤岩体黏结，增大了散体摩擦阻力系数． 关键词超前水力卸压；煤和瓦斯；承压散体；突出；机理 中图分类号T D7 1 3 ．1文献标识码A M e c h a n i s mo fP r e v e n t i n gC o a la n dG a sC o m p r e s s i o nD i s s e m i n a t e d V a l u e sO u t b u r s tw i t hS t r e s sP r e R e l e a s e dH y d r a u l i c a l l y M AZ h o n g - f e i l ．Y UQ i x i a n 9 2 1 ．C e n t e ro fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，J i a n g s uU n i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g ，J i a n g s u2 1 2 0 1 3 ，C h i n a i 2 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec o n d i t i o n so fc o a la n dg a so u t b u r s t ，t h ea c t i o nm e c h a n i s mf o rp r e v e n t i n gc o a la n dg a sc o m p r e s s i o nd i s s e m i n a t e dv a l u e so u t b u r s tw i t hs t r e s sp r e r e l e a s e dh y d r a u l i c a l l yw a sa n a l y z e d ，t h ea c c u r a c yo ft h i sm e c h a n i s mw a sv a l i d a t e db ym e a s u r i n gt h eg a se m i s s i o nb e f o r ea n da f t e rp r e r e l e a s i n gs t r e s sh y d r a u l i c a l l y ，m e a s u r i n gt h er u p t u r ef a i l u r eb yt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nt e c h n i q u ea n dt h ec o r r e l a t i v ep r a c t i c a ld a t u m ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni n t e n s i t ya n dp u l s ec o u n ta r ei n c r e s c e n tw h e nt a k i n gt h em e a s u r e o fs t r e s sp r e r e l e a s e dh y d r a u l i c a l l y ，w h i c hi sp r o p i t i o u st op r e v e n tt h ec o a la n dg a so u t b u r s t ． T h ea c t i o nm e c h a n i s mc o n s i s t so ft h r e ea s p e c t s 1 P r e r e l e a s e i n gg a sa n di n c r e a s i n gt a n g e n t i a l s t r e s sa n dd i s s e m i n a t e dv a l u e sf r i c t i o nr e s i s t a n c e ；2 P r e r e l e a s e i n gt h er a d i a le f f e c t i v e g e o s t r e s so nh i g h t e n s i o ns i d ea n dr e d u c i n gt h er a d i a ls t r e s sd i f f e r e n c eo fd i s s e m i n a t e dv a l u e sc h o p m o t i o nf o re n h a n c i n gc o a ld i s p l a c e m e n t ；3 M a k i n gt h ed i s s e m i n a t e dv a l u e sa n da d ja c e n tc o a l a n dr o c kf e l t i n gb yf l o o d i n gw a t e ra n di n c r e a s i n gt h ed i s s e m i n a t e dv a l u e s ’f r i c t i o nr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t s ． K e yw o r d s s t r e s sp r e r e l e a s e dh y d r a u l i c a l l y ；c o a la n dg a s ；c o m p r e s s i o nd i s s e m i n a t e dv a l u e s ； o u t b u r s t ；m e c h a n i s m 煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，尽 管国内外学者进行了大量的研究，但其机理至今仍 未充分认识，防止煤与瓦斯突出的手段及其相应机 理不尽完善，一些大型突出事故未得到有效的控 收稿日期2 0 0 6 0 4 ～2 2 基金项目高等学校博士学科点专项科研基金项目 2 0 0 4 0 2 9 0 5 1 0 作者简介马中飞 1 9 6 2 一 ，男，浙江省东阳市人，教授级高工，工学博士，从事矿山安全方面的研究 E - m a i l m z f u j S ．e d u ．c nT e l 0 5 1 卜8 7 9 7 5 5 7 万方数据 1 0 4中国矿业大学学报第3 6 卷 制[ 1 ’2 ] ，因此，对煤和瓦斯突出机理及其防治措施的 进一步研究显得十分重要．近年来，为进一步认识 煤和瓦斯突出机理，采取更有效防突措施，笔者在 首次提出并研究散体煤和瓦斯失控突出机理口3 的 同时，对报道较少的水力卸压防突措施及其作用机 理进行了相关研究，本文着重介绍基于承压散体煤 和瓦斯失控突出条件下工作面超前水力卸压防突 机理的研究情况． 1 承压散体煤和瓦斯失控突出条件 根据相关资料和文献[ 1 ] ，将工作面前方集中 应力峰值至卸压带边界范围内的构造煤体视为散 体基本符合实际，所以，可将该构造煤体视为散体 进行分析． 现设工作面前方含瓦斯散体煤的应力场为各 向等压的圆形分布，与工作面煤壁线平行的力称为 切向应力，与工作面煤壁线垂直的力称为径向应 力[ 4 ] ，则根据流体力学知识及牛顿第二定律，在工 作面前方集中应力峰值至卸压带边界范围内体积 为r 、边界为S 的控制体中，其径向运动动量方程为 卜订d s _ j 业％d s 一2 j ∥0 “ 0a n 仙 j 尸警d r ， 1 式中田，，c r r z 分别为高应力侧和低应力侧的径向有 效应力，％一a d ，l 一声。P ；％一c r d r 2 一庐。P ；印为切 向有效应力，0 “ o c r d e 一事。P ；d 龃为切向地应力；乳，， c r d ，。分别为高应力侧和低应力侧的径向地应力；P 为孔隙瓦斯压力；拳。为有效应力耦合系数；s ，，S 。，s 。 为高应力侧、低应力侧及侧面的边界表面，S 。 5 。 2 s 。一s ；珥为径向运动速度；J 0 为煤体密度；伊为摩 擦角． 式 1 中，等式左边为煤和瓦斯承压散体的表 面力，等式右边为煤和瓦斯承压散体组合动量变化 量，它的突然增大即表明发生散体煤和瓦斯突出， 因突出过程的主要特征之一是体积为r 、边界 为S 的控制体中承压散体运动的动量增量突然增 大，故可取控制体中煤和瓦斯承压散体运动的动量 增量Ip 半d r 为状态变量． 在瓦斯含量为H 的煤体中，如设p H - 1 瓦 斯含量的倒数 和 2 9 Iq ld s 1 0 “ r 2 d s 一2a o t a nP d s 一 f 尸警把 ㈤ 则根据突变理论及文献[ 2 3 ] ，煤和瓦斯承压 散体运动过程的突变属于尖点突变类型，同时可推 导出分又集B 为 8 9 3 2 7 p 2 0 ， 3 式中夕为散体瓦斯含量的倒数；q 为散体运动的 动量增量． 现设含瓦斯散体煤的控制参数 p ，q 临界值 为符合式 3 的分叉集B 仇，q 。 ，则含瓦斯承压 散体煤发生运动突变 突出 的必要条件为 P q 。． 4 2 超前水力卸压防突作用理论分析 超前水力卸压防突就是通过钻孔向工作面煤 壁前方集中应力带内的煤体内注高压水，致使煤壁 前方地应力重新分布，集中应力 峰 带深移，预先 释放煤和瓦斯，从而削弱甚至消除突出危险性．其 防突技术作用原理有 1 注高压水期间，既强制原生煤体增裂，又可 使得压实的煤与瓦斯散体重新疏松，预释放瓦斯， 使得水力卸压后增加了切向应力和散体运动突变 摩擦阻力，减少了煤与瓦斯散体运动速度． 水力卸压模型如图1 所示．如果钻孔后孔壁没 有裂纹，而高压注水形成裂缝，则根据文献[ 5 ] 及有 效应力叠加原理，形成与钻孔周边垂直裂缝、水平 裂缝的压力P ∽P t 。应分别达到 P f c 一 3 a y 一吒 S o ／ 2 一口箐三等 P ， P f s 一 o s 。 ／ 1 一口与三等 P ， 5 式中q ，吒为作用在钻孔周边的铅垂、水平有效 应力；S 。为煤体单向抗拉强度；￡，为泊松比；口为与 煤体压缩有关的系数；P 为孔隙瓦斯压力． b 图1水力卸压模型 F i g ．1 M o d e lo fs t r e s sp r e - r e l e a s e dh y d r a u l i c a l l y 如果钻孔后孑L 壁有裂纹，则根据文献[ 6 ] 及有 效应力叠加原理，其钻孔周边应力O “ c 为 一志 杀 户冉妒， ，㈤良一瓦丽I 压十，D 。十驴’J ’ 6 ’ 式中R 为钻孔半径；k 。。为I 型裂纹的断裂韧度； h 。，h 。，f ，g 为口／R 的函数，口为裂纹长度的二分之 从式 5 ， 6 可看出，当水压P H ≥m a x P f c ’ 万方数据 第1 期马中飞等水力卸压防止承压散体煤和瓦斯突出机理 1 0 5 P t 。 时，煤体裂纹开裂，此时，当水压P H 大于吼时 裂纹扩展，这表明在瓦斯压力差作用下，集中应力 带散体中的瓦斯将得到释放．这样，瓦斯释放后， 从式 2 可看出，嘞增大，q 值减少，声值增大，即水 力卸压后增加了煤与瓦斯散体运动突变阻力，减少 了散体煤运动速度，从而减少突出危险性． 2 注高压水可促使煤与瓦斯散体向外位移， 增加卸压带长度，减少散体运动突变径向应力差 梯度 ． 集中应力带峰后区段的煤与瓦斯散体处于极 限平衡状态，注入高压水后，在注水点附近基本处 于水饱和状态，且水压P H 大于注水处法向有效应 力及空隙瓦斯压力，因此式 2 改变为 ，rrr、2 2 q IP H d s 10 ．r 2 d s 一2 l 0 ． o t a n9 d s J - r P 警把 7 显然P H 0 ．r 1 ；盯7 口 0 “ 0 一乒。P H 嘞，因此，式 7 中的q 大于式 2 的q ，则原符合式 2 不产生 位移条件的应力集中带散体将向低压侧作准静态 位移，使得0 1 - 9 ． J I A N GC h e n g l i n ．A n a l y s e so nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n dm e c h a n i c a lc o n d i t i o n so fc o a lg a so u t b u r s t f r o n t l , J ] 。J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ，2 3 4 1 9 ． E 5 1 王鸿勋．水力压裂原理E M ] ．北京石油工业出版社， 1 9 8 7 ． 1 , 6 3 谢和平，陈忠辉．岩石力学[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 4 ． E 7 3 何学秋，刘明举．含瓦斯煤岩电磁动力学[ M ] ．徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 5 ． [ 8 ] 郝洪海，于明献，姚治彬，等．煤壁浅孔注水控制“三 软”煤层煤壁片帮口] ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 3 ，2 0 3 3 4 3 5 ． H EH o n g h a i ，Y UM i n g x i a n ，Y A 0Z h i b i n ，e ta 1 ． C o n t r o lo nc o a lr i bf a l lo fs o f tr o o f ，s o f tc o a l ，a n d s o f tf l o o rw i t hw a l lf l e e th o l ea f f u s i o nE J ] ．G r o u n d P r e s s u r ea n dS t r a t aC o n t r o l ，2 0 0 3 ，2 0 3 3 4 3 5 ． [ 9 ] 赵保太，申建慧，赵义华，等．三软煤层高压注水降尘 防片帮冒顶的有效途径[ J ] ．中州煤炭，2 0 0 3 1 2 5 2 6 ． Z H A OB a o t e l ，S H E NJ l i a n h u i ，Z H A 0Y i h u a ，e t a 1 ．E f f e c ta p p r o a c hf o rp r e v e n t i n gc o a lr i bf a l lw i t h h i g hp r e s s u r ea f f u s i o ni ns o f tr o o f ，s o f tc o a la n ds o f t f l o o rc o a ls t e e m l - J ] ．Z h o n g z h o uC o a l ，2 0 0 3 1 2 5 2 6 ． 责任编辑王继红 万方数据