巖石和瓦斯突出發(fā)生條件及機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái),國(guó)內(nèi)外煤礦礦井在深部掘進(jìn)巷道時(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)巖石和瓦斯突出發(fā)生條件和機(jī)理研究還不夠,尚不能準(zhǔn)確回答巖石和瓦斯突出過(guò)程中的能量來(lái)源及能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程、爆破與巖石和瓦斯突出的關(guān)系及其作用機(jī)理、巖石和瓦斯突出的啟動(dòng)和停止等更深層次上的因?yàn)椤?br>　　 本文基于永川煤

2、礦的巖石和瓦斯突出現(xiàn)象,針對(duì)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(qiáng)度和破壞；煤巖和瓦斯突出過(guò)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(jī)理等問(wèn)題展開(kāi)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(zhǎng)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(qiáng)度

4、較低,屈服現(xiàn)象明顯,其循環(huán)加卸載的疲勞破壞過(guò)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(duì)應(yīng)的Kaiser點(diǎn)、屈服點(diǎn)及峰值點(diǎn)處聲發(fā)射信號(hào)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(duì)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(gè)階段；頂板砂質(zhì)頁(yè)巖脆性較大,破壞時(shí)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)^(guò)程曲線對(duì)應(yīng)的Kaiser點(diǎn)、峰值點(diǎn)處聲發(fā)射信號(hào)明顯。
　　 利用自主研制的煤巖介質(zhì)中瓦斯膨脹能測(cè)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(duì)外做膨脹功推出活塞的長(zhǎng)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(duì)外做膨脹功推出活塞的長(zhǎng)度與瓦斯壓力呈線性關(guān)系,通過(guò)計(jì)算瓦斯膨脹的多變指數(shù),得出煤巖中瓦斯的膨脹過(guò)程為等溫過(guò)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(dòng)力現(xiàn)象,均發(fā)生在高地應(yīng)力地區(qū),且都與工程擾動(dòng)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(shí)伴隨著巖石碎片的拋出和瓦斯氣體的涌出,突出的能量來(lái)源為巖體彈性變形能、重力勢(shì)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(qiáng)度高、脆性大的堅(jiān)硬巖層中,巖爆發(fā)生后僅在巖體上留下較淺的爆坑；計(jì)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(chǎng)下的斷裂失穩(wěn)區(qū)進(jìn)行了對(duì)比,指出以近豎直方向?yàn)橹鞯牡貞?yīng)力導(dǎo)致的斷裂失穩(wěn)區(qū)在巷道兩肩呈對(duì)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(duì)比分析了巖石斷裂失穩(wěn)區(qū)與實(shí)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(lái)的,爆炸應(yīng)力

8、并不能改變外載應(yīng)力條件,爆破對(duì)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(shì)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(shí)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(yàn)方法確定；巖石和瓦斯突出開(kāi)始的時(shí)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(shí)間關(guān)系來(lái)估算；得出了巖石和瓦斯突出的機(jī)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(dòng)作用下產(chǎn)生的一種動(dòng)力現(xiàn)象,突出的能量來(lái)源于彈性變形能、瓦斯的膨脹能和重力勢(shì)能,當(dāng)巖體釋放的彈性能潛能足夠大時(shí),可破壞巖體,激發(fā)突出,即巖石和瓦斯突出開(kāi)始發(fā)動(dòng)；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(huì)不斷向周?chē)鷶U(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)