多孔介质局部化与煤和瓦斯突出射流理论.pdf

第 20 卷 第 4 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2001 年 8 月 Vol.20, No.4 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Aug., 2001 收稿日期2001-5-24 基金项目；2000 年国家教委骨干教师项目资助。项目名称地震及水渗流作用下大型岩体稳定性分析。 作者简介潘一山 1 9 6 4 - ，男，辽宁丹东人，教授，博士生导师。本文编校杨瑞华 文章编号1008-0562200104-0446-02 多孔介质局部化与煤和瓦斯突出射流理论 潘一山，杨小彬，王学滨 （辽宁工程技术大学 力学与工程科学系，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 ） 摘 要针对目前国内外对煤与瓦斯突出三个无法解释的现象，本文提出采用孔隙瓦斯压力局部化及射流理论来讨论煤与瓦斯突出 问题，通过现场观测和数值模拟验证了煤体变形局部化，并把煤作为多孔介质射流模型给出了瓦斯射流的相关计算式和初步估算了发 生突出时的煤与瓦斯抛出量和射流流速，对研究煤与瓦斯突出提出了一种新的探讨。 关键词孔隙；煤与瓦斯突出；射流；局部化 中图号TU 451 文献标识码A 0 引 言 煤与瓦斯突出是矿井采掘空间所引起的动力现 象。愈善炳等[1]给出了定量化的突出发生判据。章 梦涛[2]提出了失稳理论。 尽管对煤与瓦斯突出提出了很多理论，但存在 三个根本问题没有得到解释[3]一是为什么煤与瓦 斯突出都局限在某一区域上，且破坏孔洞多呈现口 小腔大的形状。二是巨大的涌出瓦斯哪里来，是如 何形成的。三是为什么突出的煤炭能被抛出达千米 以上，为什么观测到突出时瓦斯压力有集中现象。 1 煤体变形局部化 岩石试件破坏后只局限于一个或几个条带上， 破坏会强烈向某一区域集中。冲击地压发生后，工 作面或巷道破坏也局限于某一范围内。 所以从宏观调查看，变形破坏向某一具有一定 尺度的区域集中，变形破坏局部化是冲击地压启动 后变形破坏的基本规律。为从计算上分析局部化现 象，本文采用 FLAC3D软件对圆形巷道进行了数值 模拟， 当加载到11 000步时出现变形局部化现象 （如 图 1（a）所示） ，图中白色中心区域为圆形巷道， 其它浅色区域是剪切应变率大的区域，变形局部化 的区域就是未来的破坏区域。可见有口小腔大的规 律，图 1（b）给出了 14 000 步局部化区域。 2 含有瓦斯煤体局部化 局部化并不局限于单相材料，含有流体的多孔 介质岩土材料也存在变形局部化现象。Loret[4]把饱 和多孔介质当作二相连续介质，研究了水饱和多孔 介质的动力局部化。 Oka[5]研究了不排水下变形局部 化问题。以上含有流体的多孔介质变形局部化都仅 考虑了固体骨架的变形局部化，Russon[6]最早从理 论上阐述了如果流体可以压缩，流体压力也会产生 局部化，即孔隙流体压力也会强烈集中在某一区域 上，使该区域的孔隙压力迅速增大。Larsson[7]进一 步对不排水情况下低渗透率的土分别给出了孔隙压 力和变形局部化方程，并讨论了局部化发生条件， 但固相仍采用传统本构方程，计算会出现网格敏感 性。为了分析孔隙压力对局部化影响，本文采用 FLAC3D软件对不同孔隙压力下试件的局部化进行 了模拟，如图 2 所示。计算证明在不同的孔隙压力 下，试件发生剪切局部化带，随着孔隙压力的增大 而减小， 且局部化愈不明显。在计算结果的基础上， 本文对煤与瓦斯突出机理提出这样一种新的探讨， 即煤体在围压和瓦斯压力的作用下发生局部化，局 部化区域煤体发生剪胀， 孔隙增大， 瓦斯压力降低， 别处的瓦斯大量涌到该处，从而造成局部化区域瓦 （a）加载 11 000 步 （b）加载 14 000 步 图 1 不同加载步的剪切应变率场 Fig.1 the shear strain rate field of different loading step （a）0MPa b0.15MPa c0.2MPa 图 2 不同孔隙压力试件的剪切带模拟图 Fig.2 the simulating scheme of shear band under different porous stress 第 4 期 潘一山等多孔介质局部化与煤和瓦斯突出射流理论 447 斯大量聚集。到局部化完全形成中，煤体失稳围岩 及上覆岩层重量全部加在大量集中的瓦斯上，从而 造成瓦斯压力急剧增加，造成瓦斯压力局部化。煤 与瓦斯自局部化区域喷出形成射流，形成腔大口小 的形状。煤体变形集中区就是瓦斯压力集中区，高 瓦斯带着煤粒似射流一样自变形集中区射出来，形 成煤与瓦斯突出（如图 3 所示） 。 3 煤和瓦斯突出的射流分析 煤与瓦斯突出的特点与射流有共同之处，故可 以将煤与瓦斯突出现象看为一种射流来研究[8]。对 连续射流，在突出口截面内外两点间可以应用伯努 利方程， 忽略两点的高度差，在两点应用连续方程， 假设突出空洞为圆形结构如图 3，可得                 − − 4 1 2 21 2 1 2 d d pp v ρ （1） 式中 p1 、p2为突出口内外静压力；v2为突出口外 流体平均流速； 21,d d分别为突出空洞的内腔直径 和空洞口直径；对实际煤与瓦斯突出，由于 p1 p2 , 4 1 2         d d 1，同时将煤的密度ρ1 250kg/m3 带入（1）式，得到射流流速和射流流量表达式 pvt40 （2） pdqt 2 4 .31 3 假设突出口距离地面 1.5 m，d 为 1m，射流压 力即瓦斯压力为 5 MPa ,10 MPa ,20MPa，则射流流 速即煤与瓦斯突出速度约为 45m/s， 90m/s， 179m/s， 射流量即抛出煤量约为 70t、99t、140t，抛出煤的 体积约 56 m3、79 m3、112m3,抛出煤的距离可达 17 m、35 m、69m。 4 结 论 本文提出把煤与瓦斯突出看作含有流体的多孔 介质射流的思想来研究煤与瓦斯突出，给出了煤与 瓦斯突出射流的相关计算式，对研究矿井灾害机理 提出了一种新的思考方法。 参考文献 [1] 愈善炳. 煤和瓦斯突出的一维流动模型和启动判据[J].力学学报， 1992,434-56. [2] 章梦涛，徐曾和，潘一山. 冲击地压和突出的同意失稳理论[J].煤 炭学报，1991,16（4） 48-53. [3] 潘一山. 冲击地压发生和破坏过程研究[D].北京清华大学力学系 1999,14-40. [4] B. Loret, J. H. Provest. Dynamics strain localization in fluid-sutured porous media[J]. Journal of Engineering Mechanics.1991,117 4 20-40. [5] F. Oka. Localization analysis using a viscoplastic softening model for clay[J]. Int. Solids Structures. 1996,3（31）523-545. [6] K. Runesson. Effect of pore fluid compressibility on localization in elastic-plastic porous solids under solids under undrained conditions [J]. Int. J. 1996,32101501-1518. [7] R. Larsson. Embeded localization band in undrained soil based on regularized strong discontinuity-theory and FE-analysis[J]. Solids Structures. 1996,32203081-3101. [8] 薛胜雄. 高压水射流技术与应用[M].北京机械工业出版社. 1987, 22-40. Localization of Porous Medium and Jet Theory of Rockburst PAN Yi-shan，YANG Xiao-bin，WANG Xue-bin Dept.of Mechanics and Engineering Sciences, Liaoning Technical University, Fuxin 123000，China Abstract In view of the three problems of coal and gas outburst which can not be explained by the experts, the localization of crack gas pressure and theory of jet are discussed in this paper. And the deation localization of coal is tested through on-the-spot investigation and numerical simulation. On the other hand, the coal is regarded as a porous material and probed into the jet of coal and gas outburst. In the end, the ulas connected with gas jet are given, and the speed and the quantity of coal and gas outburst are estimated through jet theory. So there will be a novel thought to study the calamity of mining engineer. Key words cracks；coal and gas outburst；jet；localization 图 3 煤与瓦斯突出示意图 c射流 a变形局部化 b瓦斯压力局部化 Fig.3 scheme of coal and gas outburst