（安全技术及工程专业论文）立井揭煤过程中的煤岩体受力变化机制研究.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t t h ec o a l ( r o c k ) a n dt h eg a so u t b u r s ti sak i n do fe x t r e m e l yc o m p l e xd y n a m i c a l p h e n o m e n o n ，i sa l s oo n eo fs i g n i f i c a n td i s a s t e r si nm i n ep r o d u c t i o n ，i sr e s u l tf r o m c o m b i n e da c t i o no ft h eg e o s t r e s s ，t h eg a sp r e s s u r ea n dt h ec o a l ( r o c k ) p h y s i c s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h ev e r t i c a ls h a f tt u n n e l i n gp r o c e s s i np a r t i c u l a rw h e n p a s s e st h r o u g ht h eo u t b u r s td a n g e r o u ss t r a t u m t i l eo u t b u r s to ft h ec o a l ( r o c k ) a n dt h e g a sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es e c u r i t yo ft h em i n es h a f tp r o d u c t i o n t 1 l i sa r t i c l eu s e dt h e m e t l l o dt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ea n a l o gc o m p u t a t i o nt or e s e a r c ht h es t r e s s d i s t r i b u t i o n r u l ea r o u n dt h ew o r k i n gs u r f a c ea n dt h a tt h ec o a l ( r o c k ) a n dt h eg a s c o u p l i n gf u n c t i o n t h r o u g hu s i n gt h es o l i dm e c h a n i c sa n a l y s i sm e t h o d 。h a sr e a c h e dt h ew o r k i n g s u r f a c es t r e s sd i s t r i b u t i o nr u l e ，h a sf o u n dt h ei n f l u e n c cf a c t o r so fi t ，u s i n gt h e t r a n s f u s i o nt h e o r ya n dt h es o l i d f l u i dc o u p l i n gt h e o r y , h a sr e a c h e dt h eg a sf l o w i n ga n d t h ec o a l ( r o c k ) a n dt h eg a sc o u p l i n gf u n c t i o n ，c o n c l u d e dt h a tt h ec o a l ( r o e 蚰a n dt h e g a so u t b u r s ti st h a tt h ec o a l ( r o c k ) o c c u r sd e s t r u c t i o nu n d e rt h ef u n c t i o n so ft h e c o a l ( r o c k ) d i s t o r t i o na n dt h ef l u i dt r a n s f u s i o nc o u p l i n gf u n c t i o n t 0t l l ei n t e n s i t yo f o u t b u r s to c c u r sh a sp r o v i d e dt h ee n e r g yc o m p u t a t i o nm e t h o d ，n a m e l yf o rt h es u mo f t h ee l a s t i c i t yd i s t o r t i o ne n e r g yo ft h ec o a l ( r o c k ) b o d ya n dt h ei n f l a t i o ne n e r g yo fg a s t h r o u g l lt h ef i n i t ed i f f e r e n c ep r o c e d u r ea p p l y i n g ，t h ea r t i c l es i m u l a t e dt h ec o a l ( r o c k ) b o d vs t r e s sd i s t r i b u t i o nb yu s i n gt h em o l e - c o u l o m bp l a s t i cm o d e l u s i n g s o l i d f l o wc o u p l i n gm o d e la n dm o l e - c o u l o m bp l a s t i cm o d e ls i m u l a t e dt h ec o a l ( r o c k ) b o d vs t r e s sa n dd i s t o r t i o nu n d e rt h ee f f e c to ft h ec o a l ( r o c k lb o d va n dg a sc o m m o n c o u p l i n gf u n c t i o nb e s i d ea r o u n dt h ev e r t i c a ls h a f tw o r k i n gs u r f a c e p o i n t e do u tt h a t t h eo u t b u r s tm e c h a n i s ma r et h ec o a l ( r o c k ) b u r s ta n dt h eg a sf l o w s a sw e l la st w o c o u p l i n gf u n c t i o nr e l a t i o n ，b u tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na 口p e a r a n c e ，t h eg a sp r e s s u r e a n dt h ew o r k i n gs u r f a c ed e p t hi n c r e a s i n gp r o v i d et h ea d v a n t a g e o u sc o n d u c t i o nf o rt h e o u t b u r s t f i g u r e 【7 2 】t a b l e 【3 】3r e f e r e n c e 【5 0 】 k e y w o r d s ：g e o s t r e s s ，t h eg a sp r e s s u r e ，s o l i d - f l u i dc o u p l i n g ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，t h eo u t b u r s to fc o a la n dg a s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d3 1 5 i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 安徽理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者鲐掣魄迎年j 月旦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罗召垂签字魄砷年多月位日 钟张剖夥鳓期：彳枷2 日 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 绪论 人类对矿产资源的获取大多是通过地下开采方式获得的。随着浅部资源的逐 渐减少和枯竭，地下开采的深度越来越大【”。以煤矿为例，我国煤矿开采深度以 8 1 2 m a 的速度增加，预计在未来2 0 年我国很多煤矿将进入1 0 0 0 1 2 0 0 m 的深度。 我国探明的煤炭储量中，深埋在1 0 0 0 m 以下的为2 9 5 万亿吨，占煤炭资源总量 的5 3 1 2 j 。浅部的原岩大多都处于弹性应力状态，而深部的原岩处于“潜塑性” 状态，即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石压强，造成岩石的 潜在破坏状态，岩爆的次数和强度明显的增加。另外在深部开采的条件下，由于 瓦斯运移通道不通畅，大量的瓦斯气体非均匀的分布在煤岩体的裂隙和空隙之 间，在挖掘过程中释放出来，从而造成煤与瓦斯突出灾害。因此煤炭的深部开采 问题已逐渐摆在我们面前。 自从1 8 3 4 年3 月2 2 日在法国鲁阿雷煤田依萨克煤矿发生世界上首次煤与瓦 斯突出事故p j ，1 9 5 0 年4 月2 0 日发生在我国辽源矿务局富国矿的西二垸第一次 煤与瓦斯突以来【4 】，它严重威胁着煤矿的安全生产。目前我国煤与瓦斯突出无论 从数量还是从规模上均居世界之首位，是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之 一。 我国煤与瓦斯突出的特点有：突出矿井分布面广，而且在部分地区还较为 严重；突出分布于不同类型的煤层；突出矿井的始突深度不一；中小型突出占较大 多数，大强度突出次数也不少。在区域上的表现为：南北都有分布，但南强北弱。 全国突出最为严重的是湖南省，到1 9 8 0 年底已发生突出3 4 2 1 次f 约占全国总突 出次数的三分之一) ，其中千吨以上的特大型突出3 5 次( 约占全国特大型突出的 二分之一) ；四川和辽宁省的煤与瓦斯突出严重程度仅次于湖南省，据不完全统计 h ，四川省到1 9 8 3 年底止已发生突出1 4 5 3 次，其中千吨以上特大型突出有1 2 次，突出总煤量达1 4 4 0 0 0 吨，辽宁省的北票矿务局到1 9 8 4 年底止己发生突出 1 5 5 8 次，其中千吨以上的特大型突出有6 次之多，突出总煤量6 9 5 6 2 吨：山西省 也是一个煤与瓦斯突出比较严重的省份，其突出主要集中在阳泉矿区，到1 9 8 3 年7 月底止，全矿区共发生突出1 0 3 7 次，最大突出强度5 2 5 吨；此外，河南、江 西、黑龙江、广东、贵州等省份的煤与瓦斯突出也是比较严重的垆4 l 。 在突出煤层形成的地质时代上，南方主要发生在早石炭纪测水组，晚二迭 纪龙潭组和晚三迭纪安源组的含煤地层中，北方则主要发生在早二迭纪山西组、 侏罗纪北票组和晚侏罗纪城子河组的含煤逑层中。在构造上，各种类型构造体系 控制下的煤田都有突出分布。其中以华夏系和新华夏系构造控制下的煤田突出最 为严重，而突出区并不位于构造活动( 特别是剧烈活动) 的地区，多数属于地台区， 也常见有突出区位于复式褶皱中的短轴向斜区域内。由于煤与瓦斯突出能在一瞬 间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风 系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯和煤粉，造成瓦斯窒息以致煤流埋人， 甚至还会造成煤尘和瓦斯的爆炸等严重后果。 近几年来，我国煤矿的安全生产形势日益严峻，煤矿安全事故层出不穷， 8 0 以上都是瓦斯事故。造成了大量的人员伤亡和财产损失。因此，煤与瓦斯 突出是对矿并生产的严重威胁。所以，致力于煤与瓦斯力学作用机理，寻找预防 突出的理论以及方法的研究就显得格外重要。 安徽理工大学硕士论文 1 2 课题国内、外研究现状 1 2 1 煤与瓦斯突出机理研究现状 迄今为止，根据国内外所采用的对突出实例的统计分析、现场观测和实验室 模拟等方法，对煤与瓦斯突出机理展开了广泛的研究，从而提出了众多的假说， 归纳起来，这些假说主要有如下几类：瓦斯作用说、地应力作用说、综合作用说。 n ) 瓦斯作用说 这类假说认为煤体内储存的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。其代表有 “瓦斯包说”，“粉煤带说”，“煤孔隙结构不均匀说”等等。如“瓦斯包说”认为， 在煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝，也就是瓦斯包， 其中煤体松软，孔隙与裂隙发育，具有较大的储存瓦斯的能力：但这些煤体被透 气性差的煤f 岩1 体所包围。一旦巷道揭开这些瓦斯包，在瓦斯压力的作用下，松 软的煤体将被瓦斯破碎并抛出从而形成突出i s j 。 ( 2 ) 地应力作用说 这类假说认为，突出主要是高地应力作用的结果。这类假说的主要代表有“岩 石变形潜能说”，“应力集中说”，“应力叠加说”等等。当巷道接近储存有高构造 应变能的岩层时，这些岩层将像弹簧一样伸张开来，将煤体破碎，引起煤与瓦斯 突出【3 】【9 1 。 ( 3 ) 综合作用假说 这一类假说认为突出是由地应力、瓦斯压力及煤的力学性质等因素综合作 用的结果。这类假说由于全面地考虑了突出发生的作用力和介质两个方面的主要 因素，得到了国内外大多数学者的普遍承认。在这类假说中，有代表性的是“振 动说”、“分层分离说”、“游离瓦斯说”、“能量假说”及“应力分布不均匀说”等 等【1 0 l 。 1 2 2 岩体力学的发展 二十世纪以前，岩石力学处于萌芽阶段。在这个阶段，由于生产规模较小， 开采深度近予地表，开采空间不大，岩石力学主要研究的问题是巷道顶板冒落和 地下开采所引起的岩石移动。2 0 世纪5 0 年代以前为岩石力学发展的第二阶段。 在这个阶段，更加深入地研究了岩石破坏的机理，将岩体作为松散介质或弹性介 质。从本世纪5 0 年代到现在是岩石力学发展的第三阶段，也就是岩石力学发展 的现代阶段。5 0 年代初期，岩石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性 介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、变形和位移。目前又在弹塑性分 析的基础上引入流变理论，将某些岩体视为带粘性的介质，从而考虑了时间因素 对岩体应力、变形及位移的影响。随着电子计算技术的发展，用有限元解算岩石 力学问题得以实现。目前，这种计算方法既能解算线性问题，又能解算非线性问 题。单元的划分可计入岩体结构特征和节理的影响，处理节理单元。但因矿山压 力的影响因素复杂，有限元法仍未能从定量的角度解决工程实际问题。它往往只 能作为解析法的参考，对岩体应力状态作定性分析。近年来出现的边界元法、离 散元法是建立在严密的数学基础上，对简单边界问题的处理比有限元法速度快、 误差小【1 1 j 。 对矿井动力现象机理和防治的研究已有百年的历史，提出了很多的机理假说 2 1 绪论 和技术措施。基于当前的理论认识，冲击地压机理可用强度准则、能量准则和冲 击倾向度准则加以概括：煤与瓦斯突出的发生条件是，煤层中地应力和瓦斯压力 是突出发动与发展的原动力，煤结构及力学性质是影响突出发生的因素。因此， 应力水平和状态是动力现象的决定性因素。一方面，动力现象的实质是煤( 岩) 的 突然破坏和能量突然释放的现象，而煤( 岩) 的破坏和能量积聚都是以应力水平和 状态为先决条件；另一方而，应力场对瓦斯压力场起到控制作用，两者有着一致 性关系。无数实践反复证明，应力水平和集中应力是产生动力现象的根源。所以， 动力现象危险性预测和效果检验的主流方向就在于直接或问接的查明这个高应 力区的应力水平和位置，及其伴生现象；而防治的技术途径也在于均衡这个高应 力区的应力水平或转移它的位置，以减轻其因素的作用。因此，研究岩体的应力 状态是动力现象防治的前提和根本【l “。 1 2 3 流固耦合理论的现状及发展趋势 研究煤岩体内流体的流动，是多孔介质流体力学或渗流力学的任务，当初在 煤岩固体不发生变形的假设下，研究其中流体的流动。1 9 4 0 年雅可比( j a c o b ) 首 先研究了岩层只发生竖向弹性变形时的地下水流动问题。他考虑了岩层竖向弹性 变形对承压地下水流动的影响，建立了承压水流动的基本方程。 1 9 6 5 年维于待( v e r r b i j t ) 考虑了三维岩体变形时流体在岩体中流动情况。 流体流动的基本方程中除孔隙压力外，还含有与体积变形有关的膨胀系数。 考虑煤岩体中的流体流动对岩体变形的影响，引入了有效应力酌概念，即把 孔隙压力作为体积力施加于岩体上。6 0 年代中期，随着生产力发展需要和科学 技术进步，首先在地下水研究中考虑地下水的流动和岩体变形相互影响、相互作 用问题一岩石水力学终于形成。但岩石水力学的特点是将地下水视为不可压缩流 体，而煤层中瓦斯与煤体相互作用相互影响，由于气体可压缩性大，因而对于瓦 斯与煤体相互作用的问题，应用岩石水力学研究就感到困难。目前i 在煤炭开采 中提出的岩石流体力学问题类型较多，如瓦斯、二氧化碳突出等，这些都是当 前世界范围内还不能完全控制的矿井中的严重灾害f 1 6 1 。 1 3 研究课题的提出及主要内容 1 3 1 课题的提出 开采前的煤岩体未受扰动，应力处于静止平衡状态，此时的煤岩体应力称为 原岩应力，或称地应力。地应力随构造环境和煤岩体赋存深度的差异而呈现复杂 的变化，其水平主应力大于重力分量的区域称作构造应力区。当开掘立井、巷道 或进行回采时，破坏了原来的应力平衡状态，引起煤岩体内部的应力重新分布， 并且最终形成二次应力场。在二次应力场中，得到附加重力作用的区域，其应力 可高于原岩应力数倍，称作支承压力区。处在构造应力区或支承压力区的围岩不 可避免地发生特别强烈的变形和破坏。所以，构造应力和支承压力对支护和动力 现象的发生都有决定性作用，一直是广大矿山压力研究者致力研究的重要对象。 近年来，煤矿瓦斯事故频繁发生，安全问题日益严重，为了解决这问题， 科研工作者对于煤与瓦斯突出机理工作做了大量的实验室和现场研究工作。对 于瓦斯突出的机理有了一定的认识，但由于煤与瓦斯突出是一种受众多因素影 响的非常复杂的特殊动力现象，虽然己经进行了大量深入系统的研究，从总体 3 安徽理工大学硕士论文 上来看，距离完全认识煤与瓦斯突出机理以及采取何种有效预防预测煤与瓦斯 的突出还有相当大的距离。因而，有必要继续对煤与瓦斯相互作用作更深一步的 研究。 1 3 2 研究的主要内容 矿井动力现象的实质是一个力学问题，井巷围岩一方而受现今构造应力急剧 活动的影响，另一方而又处于采动支撑压力的动态作用中，它是应力能量骤然释 放的一种形式。因此首先要研究现今构造应力场中和采动应力场中应力集中和能 量积聚的区域，才能有效的进行预测预报。同样也只有解除和平衡井巷围岩中的 集中应力，才能防止动力现象的发生。因此，本文的核心研究工作：以定性研究 煤层应力状态为基础，深入探讨突出发生的应力条件和特点，以使理论成果能够 应用于实践。具体内容如下 ( 1 ) 首先对煤岩的物理、力学基本性质进行了回顾，总结得到了影响煤岩 强度的主要因素； ( 2 ) 利用岩石力学知识，对立井井筒开挖引起的井筒、围岩二次应力及其 分布分别得出了其相应的解析解。 ( 3 ) 从能量平衡的角度指出瓦斯突出的力学条件，并对突出的强度从能量 角度给出了计算公式： ( 4 ) 采用有限差分方法，对不同直径立井开挖不同深度情况进行了模拟， 得到煤岩采动应力重新的分布规律，为立井掘进提供理论依据。、 ( 5 ) 通过固- 流耦合理论应用，对立井穿越高瓦斯煤层力学行为进行了模 拟，与无瓦斯条件进行比较，进而探讨煤与瓦斯共同作用的应力分布规律。 2 煤岩的物理力学特性 2 , 1 煤岩的形成及构造 2 1 1 煤的形成及构造 2 煤岩的物理力学特性 煤是由植物的在复杂的地质环境中形成的。在地质历史上，植物体在沼泽中 微生物的作用下首先形成泥炭。由于地壳的运动，生成的泥炭层下降，被泥沙所 覆盖，随着覆盖层的加厚，泥炭层逐渐被压，在以温度和压力为主的物理化学作 用下，泥炭变成褐煤。在温度和压力的迸一步作用下，褐煤又通过煤化变质作用 形成烟煤和无烟煤，在这一系列的变质过程中，煤体有机质分解产生甲烷( c n 4 ) 等气体。由于煤层是通过植物遗体沉积形成的沉积岩层，因此煤层均呈层状分布。 简单的煤层中没有夹石，一般多为薄煤层。复杂的煤层中则可能含有一到数层 夹石层。在煤层的上部和下部，是煤层的顶板和底板岩石。 在煤层形成的过程中及形成后，地质构造运动不仅改变了煤层的原始产状， 使煤层呈倾斜状态，而且引起了煤层厚度的变化。由于煤层本身强度较低，在 构造应力的作用下，容易发生塑性流动，造成煤层局部加厚、变薄等现象。 地质构造运动还使煤层产生褶曲，形成向斜和背斜构造。在褶曲的轴部，煤 层增厚；在褶曲的翼部，煤层变薄、乃至尖灭。较大规模的褶曲引起的煤层加厚 和变薄具有一定的方向性：垂直压应力的方向，沿褶曲走向呈带状延伸， 煤层加厚与变薄相伴出现。 - ； 有些煤田，伴随褶曲构造的变动，小型波状褶曲发育。煤层顶底板起伏不平j 伎煤层局部压薄或变厚。波状褶曲发育的地区，由于层间滑动的扭力作用，使煤 层呈现串珠状或断续透镜体。 含煤地层在经受地质构造运动作用时，由于煤、岩层的力学性质不同，在同 一应力场中，往往出现不同的变形：煤层的项、底板岩层产生脆性断裂，而煤层 则发生塑性流动，造成煤层的局部增厚和变薄。如果在地质构造应力的作用下， 煤层受到挤压和搓揉，煤层层面会发生错动，也引起煤层结构发生变化。如果由 这些构造运动引起的煤层结构变化发生在整个煤层，则整个煤层的强度降低：如 果这些构造运动只影响煤层内的部分煤体，使部分煤体结构发生变化，则这一部 分煤体称为软分层。在这些受构造运动影响的煤体中，煤层的原生结构遭到了破 坏，常呈鳞片状、粉末状，并出现滑面和擦痕。这种破坏的煤结构往往与瓦期突 出有着密切的关系。 在煤层形成的整个历史时期，如果煤层本身及顶底板岩层比较致密，煤层内 的瓦斯难以泄漏，则煤层内将保留较多的瓦斯，具有较高的瓦斯压力。当工作面 进入到这些煤体时，很容易产生煤与瓦斯突出l l ”。 2 1 2 岩石的结构和构造 岩石具有许多结构，但对采掘影响最大的是颗粒的粗细。对于岩浆岩而言， 在其他条件相似的条件下，细粒、均粒的岩石比租粘和斑状的岩石强度大。例如 玄武岩为晶质结构、而辉长岩为粗粒结构。所以玄武岩的抗压强度可以达到5 0 0 m p a ，而辉长岩的抗压强度仅为1 2 0 3 6 0m p a 。又如花岗斑岩为斑状结构，其抗 压强度只有1 2 0m p a ，而同一成分的细粒花岗岩因具有等粒结构，其抗压强度可 达2 6 0m p a 。强度大的岩石虽然较难凿岩，但却容易维护，甚至可以不支护，给 5 - 安徽理工大学硕士论文 采掘工作带来很大的方便。沉积岩与岩浆岩相似，但对于碎屑岩，其物理机械性 质主要取决于胶结物的成分和性质，泥质胶结比铁质或硅质胶结的岩石硬度小， 稳固性差。而变质岩的结构对采掘的影响不太突出。 岩浆岩多具有块状构造。这种构造的最大特点是岩石各个方向的强度相近， 从而增加了岩石的稳定性，所以岩浆岩的块状构造不像沉积岩的层理构造和变质 岩的片理构造那样对凿岩、爆破和支护等有明显的影响。值得注意的是，岩浆岩 的原生节理( 即岩浆岩生成时冷凝收缩所产生的裂隙) 发育，如玄武岩的柱状节 理、细碧岩的枕状节理等，这些节理的存在，降低了岩石的稳固性，影响了岩石 的爆破效果。 沉积岩最大的特点是具有层理构造，这种构造的存在、使岩石在各个方向的 强度不同，在其他条件相同或相似的情况下，层理愈发育，岩石的稳固性愈低， 各个方向的强度差异也愈大。一般是平行岩石层理方向的抗压和抗剪强度小，抗 拉强度大，而垂直于岩石层理方向，则情况正好相反。在这类岩石中开掘巷道时， 若顺着层理方向掘进，不仅爆破效果不好，而且容易产生冒顶、片帮事故，给采 掘带来不利的影响；如果斜交，特别是垂直层理方向掘进时，则可以提高爆破效 果，也可增加顶板及两帮的稳固性。 变质岩的构造尤其是片理构造对采掘影响更大，其影响同沉积岩的层理构造 相似。如千枚岩、片岩及板岩的片理比较发育，岩石沿片理延伸方向结合力较低， 故其稳定性极差。一般情况下，岩石的片理愈发育，各个方向的强度相差愈大， 在平行片理的方向抗压和抗剪强度小，抗拉强度大；垂直片理方向则恰好相反。 岩石片理发育时，对采掘极为不利，必须加强支护，其有效的办法是在垂直片理 的方向上采用锚杆喷浆，即可增强该类岩石的稳定性，避免冒顶和片帮。露天矿 开采时，一方面，因片理所造成的岩石稳定性差，从而影响岩体的边坡稳定，但 另一方面有时可以提高爆破效果1 1 8 1 。 2 2 煤岩的物理性质 岩石的基本性质是岩石内部组成矿物成分、结构、构造的综合反映，研究岩 石的基本性质对研究工程体的稳定性是有重要意义的，其研究内容包括岩石的物 理性质和力学性质，其中物理性质是自然状态下所表现出的特征，而力学性质则 是反映在外力作用下所表现出的相应特征。不同的岩石其物理力学性质是不同 的，即使是同一种性质的岩石，由于其形成过程及赋存环境等多种外界因素的不 同，其所表现出的性质也有差别。 岩石的物理性质是其内部矿物基本性质、结构与构造的综合反映，研究主要 包括以下几方面的内容i 1 9 】： 2 , 2 1 岩石的密度 岩石的密度是指单位体积岩石的质量。又可分为颗粒密度和块体密度。 岩 石的颗粒密度n 是指岩石固体骨架部分的质量与其对应的实体体积之比。它不 包括岩石空隙，其大小取决于组成岩石的矿物密度及其相对含量。 驴告 6 - 2 煤岩的物理力学特性 2 2 2 岩石的空隙率 岩石的空隙率是岩石孔隙性和裂隙性的统称。岩石的空隙性对岩石的其他性 质有很重要的影响，如岩石的密度，含水、透水性，变形性质等。 岩石的空隙率是指岩石中空隙体积与岩石总体积之比，以百分率表示。一般 工程中所提到的岩石空隙率是指总空隙率岩石因形成的条件和其后期经受的变 化和埋藏深度不同，空隙率的变化范围很大，可自小于百分之- n 百分之几十。 t ， 总空隙率：厅- 善x 1 0 0 ( 2 - 1 ) v k 一为空隙总体积； y 一为岩石总体积。 2 2 3 煤的渗透性 煤体本身是一种多孔介质，内部含有从微孔到大孔及裂隙等各种类型的孔隙 通道，直径小于l o n m 的孔隙构成瓦斯的吸附容积，而大于l o u m ，的孔隙是瓦 斯渗流的主要通道，这些孔隙通道是相互贯通的。当在煤样的两端施加一定的瓦 斯压力时，瓦斯就可以在煤体内流动。在煤层内，瓦斯沿裂隙的流动基本上是层 流运动，服从达西定律，通过煤样的瓦斯流量与压力梯度及透气性系数成正比i 驯。 譬。一a 孥( 2 2 ) 积 式中：q 一单位时间内在1 m 2 的煤面上流过的瓦斯流量，m 3 m 2 d ： p 煤层内瓦斯压力的平方，m p a 2 ： a 煤层的透气性系数，肌2 膨砌2 d 。 煤层的透气性系数大小反映了瓦斯在煤体内渗透流动的难易程度。但是，在 一般的煤体中，透气性系数变化是比较大的，甚至同一水平煤层内取得的各个煤 样之间的渗透性系数相差可达数十倍之多。如焦作朱村矿的大煤，其透气性系数 变化范围为。0 4 3 6 甜m l ：当d 。北票冠山矿为0 0 0 8 0 2 2 8 m p d - d 。目前我 国煤矿中透气性最大的煤层是抚顺龙凤矿的本层煤，其透气性系数达1 5 0 册2 m p a 2 d 。此外煤层中平行于煤层层理的透气性同垂直于煤层的透气性系数 相关也很大，这是煤层中沿不同方向的孔隙通道不一样的缘故阁。 煤体的透气性同地应力关系较大。作用在煤体上的压应力越大，煤层的透 气性越小，这是因为在压力的作用下。煤体受压变形，煤体内的大孔及裂隙逐渐 闭合，瓦斯运移的通道也相应减小。在软煤中，由于煤体骨架强度较低，在压应 力的作用下大孔及裂隙通道更容易闭合，煤体的透气性将急剧降低。地应力对煤 体透气性的影响可用下式来表示川： a 。九e 4 4( 2 3 ) 式中： 厶一未承压时煤样的透气性系数，t n 2 m p a 2 d ； b 一经验系数，由试验确定，m p a l ； 盯一煤样上施加的地应力，m p a ； e 一自然对数的底，e = 2 7 1 8 。 在煤矿中，掘进工作面的前方地应力变化较大，因而其透气性系数变化也比 较大。在应力集中区，由于应力较大，透气性系数非常小，瓦斯渗流非常困难， 这为瓦斯的聚积创造了条件，此处瓦斯压力较高。而通过爆破一旦使该处的煤体 7 - 安教理工大学硕士论文 突然暴露，煤体在地应力的作用下破坏，地应力下降，透气性系数大大增加，瓦 斯也将突然的大量的向工作面涌出。 2 2 a 煤体的吸附特性 煤体是一种多孔介质。通过压汞实验，可以测得7 在煤体内，孔隙半径在4 0 u m 以下的微孔占总孔隙体积的9 0 左右，所以煤体内部的表面积是很大的，有的甚 至高达2 0 0 m 2 g 以上。这样巨大的表面积为煤体吸附某些气体创造了条件。在孔 隙的内表面，煤体分子所受的力是不对称的，故在煤体孔隙的内表面上产生了剩 余价力，这个剩余价力会使碰撞到孔隙表面的某些气体分子被吸附。越容易液化 的气体越容易被吸附，当煤体孔隙表面吸附了一层气体分子后，这种力场就得到 了饱和。由于气体分子只有碰撞到尚未吸附气体分子的空白表面上才能够发生吸 附作用，因此煤体孔隙表面上的吸附是单分子层的f 1 1 j 【2 2 】。根据兰格缪尔的单分 子层理沦可导出实际煤体的瓦斯吸附量计算式： z 。上坠e 一土一1 0 0 - a - w ( 2 - 4 ) 1 + b p 1 + 0 3 1 w1 0 0 式中：x ，一煤体的吸附瓦斯含量，m 3 t ； t 。一实验室测定煤的吸附常数时的试验温度，； n _ 系数，n = 0 0 2 ( o 9 9 3 + 0 0 7 p ) ； 一层内瓦斯的压力，m p a ； a 煤体的吸附常数，表示单位质量煤体表面吸附瓦斯饱和时所 吸附的瓦斯体积，m 3 t ； b 煤体的吸附常数，m p a 4 a ，w 一分别为煤中的灰分和水分，。 在煤体的孔隙空间还存着一部分游离瓦斯，游离瓦斯的含量可按气体状态方 程来计算： 小器 ( 2 5 ) 式中： v 一单位重量煤体的孔隙容积，m 3 t ； t o ，p o 分别为标准状况下的绝对温度( 2 7 3 k ) 和压力； t 一瓦斯的绝对温度( k ) ；t = 2 7 3 + t ，t 为摄氏温度( ) ： 亭一瓦斯的压缩系数； x 。煤中的游离瓦斯含量，m 3 t ( 标准状态下) 。 煤层内的瓦斯含量x 等于吸附瓦斯含量加上游离瓦斯含量： z 。生f 邮1 0 0 - a - w + 一v p r o f 2 6 1 1 + b p 1 + 0 3 1 w 1 0 0 r p o 亭 、。 在煤层中，游离瓦斯和吸附瓦斯之间是相互转化的，游离瓦斯分子通过热运动碰 上孔隙的内壁时，被煤分子俘获，就成为吸附瓦斯，而吸附瓦斯分子通过热运动 可能挣脱煤分子的束缚进入孔隙空间就成为游离瓦斯。当瓦斯压力和温度恒定 时，这种转化处于一种动态平衡状态。当外界的瓦斯压力增大时，游离瓦斯转化 为吸附瓦斯的量增多，因此上式中煤层的瓦斯含量是随瓦斯压力增大而增大的。 反过来，当孔隙中游离瓦斯的压力降低时，大量的吸附瓦斯则转化为游离瓦斯， 由于气体分子运动的特点，这种转化过程几乎是即刻进行的。 由于煤体内的吸附孔隙很小，由孔隙中涌出的瓦斯通过各类裂隙渗流到煤体 一8 - 2 煤岩的物理力学特性 颗粒外部是需要一定时间的。当掘进工作中爆破揭露了新的含瓦斯煤体，使煤体 破碎成许多煤块，煤块孔隙与外界相通的路径大大缩短，煤块周围压力下降因 此总有大量的瓦斯持续涌出。媒体吸附了瓦斯以后，在自由状态下会膨胀，体积 变大，而且硬度要下降。这是由于煤体吸附了瓦斯以后，一部分瓦斯分子进入煤 分子的内部各支链的两侧，形成吸收状态，这些吸收状态的瓦斯分子起着一种“楔 形体”的作用，使煤分子膨胀开来。这一过程具有可逆性，当外界瓦斯压力降低 时，一些吸收状态的瓦斯也要释放出来，“楔形体”作用减弱，这时煤体体积会 缩小，硬度会增大， 2 3 煤岩的力学特性 煤岩力学特性主要是探讨煤岩在各种荷载积各种环境因素影响下的变形和 破裂过程，包括变形破坏的力学特性和其中流体流动的特性。是煤岩力学的研究 基础。常见室内试验，主要如下【1 l 】： 2 3 1 单轴压缩试验 这是实验室中最常用的测定煤岩体试件单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的 试验方法。按要求加工好试样，放置于压力试验机上，缓慢地加载即可测定。 由于试样中可能存在着不均质性，沿不同方向施加压力时，所得结果也不一样。 在普通压力试验机上由于试验机剐度不足，其试样发生突然的破坏丽终结。在普 通压力试验机上，试件破坏时的应力即为岩石的单抽抗压强度。 2 - 3 2 煤岩试件的三轴试验 5 6 4 0 2 4 8 图1 三轴应力下成型煤样的应力一应变曲线( 盯2 - d 3 ) f i 9 1 t h ec o a ls t r e s s - s t r a i 丑c u r v eu n d e rt h cl h r e c - d i m c n s i o n a is t r e s $ 突出煤岩体在地下通常都受到三个方向的载荷作用，为了描述突出煤岩体在 三轴载荷作用下的力学特征，需要在三轴试验机上测定突出煤体的全应力应变 特征。图l 就是成型煤样在三轴应力条件下的全应力一应变曲线。由图l 可以看 出，在三轴应力状态下，煤体试样在弹性阶段内的应变也是随着应力的增加而增 加的。但是在三轴应力的条件下，煤体试样的峰值强度不是一个定值，是随着围 一9 安徽理工大学硕士论文 压( d ：i m p a ) 的增加而增加的。 2 4 煤岩的破坏及其准则 2 4 1 岩石破裂的基本类型及微观破坏机制 当作用在煤或岩石上的作用力较小时，煤或岩石会发生变形。而当作用在煤 或岩石上的力较大时，煤与岩石就会发生破坏。由于不同的煤( 岩) 体内部结构不 同，性质也不一样，在外力的作用下，其破坏类型也不一样【冽。在图2 中( a ) 为 单轴压应力下的劈裂，这种劈裂在脆性煤( 岩) 中比较多见，如中硬煤；( b ) 为在有围 压作用时的剪切破坏，实际上，有些低强度的岩石或煤样在单轴压力下也发生这 种剪切破裂：( c ) 为塑性剪切破坏( 也称为多重剪切破坏) ，这是软岩在围压下常见的 破坏类型，对于有些性质上接近于粘土类的煤岩试样，在单轴压应力下也发生这 样的破坏；( d ) 为拉伸破坏，无论煤或岩石的强度高或低，在拉应力的作用下，均 发生这种拉断破坏；( e ) 为煤岩在集q ，f 医- - ；0 的作用下发生的破裂，由于在煤岩的中 部作用了一个集中压力( 实际为线载荷) ，在煤岩体的内部则产生拉应力，形成拉 伸破坏。 l 图2 煤岩的破坏情况 f i 9 2 t h ec o a l ( r o c k ) d e s t r u c t i o ns i t u a t i o n ( a ) 单轴压缩中的劈裂；( b ) 剪切破裂：( c ) 多重剪切破裂 ( d ) 拉伸破裂；( c ) 集中载荷产生的拉伸破裂 在煤岩的破坏过程中，如果采用先进的电子扫描显微技术对煤岩试件的微观 结构进行观测，可以观测到煤岩试样在破坏过程中裂纹的形成及发展过程i 口j 。电 子显微镜可以分辨。0 0 2 u r n 宽的微穴。在煤岩试样中存在着许多裂纹和空穴。 所谓空穴是指三个方向尺寸相近的微孔隙空间，而微裂纹则指细长状的空穴这 些微裂纹和空穴多数发生在结晶颗粒的边缘上，其尺寸长度比结晶颗粒小得多。 一般结晶颗粒的长度约为2 0 0 0r t l m ，而晶边裂纹长度只有3 0 2 6 0 u m 。这些微裂 隙的存在有些是过去历史上加载后的遗迹，后来又压紧愈合形成岩桥。当用电于 电子显微镜对整个煤岩试样的破坏过程进行观测时，可以发现：煤岩的变形和破 1 0 i目卿 l川hvl凹 il+|，0，i- jl+i川t 2 煤岩的物理力学特性 坏与微裂隙、空穴的变形及扩展有关。微裂隙由结晶颗粒的边界扩展长度常常达 到晶体颗粒的大小，并且逐渐变宽。有的空穴发展由基质穿过结晶，有的穿过岩 桥。在应力不断增加的情况下，空穴连通，裂纹数量增加，裂纹合并、交叉，逐 渐形成宏观裂纹。并且一般的裂纹由随机排列向平行于主应力( 压应力) 的方向发 展。 2 4 2 破坏准则 实验室中，不可能也没有必要将每一种岩石在各种复杂应力条件下的力学性 质都测出来，所以通常是利用简单的应力试验结果，建立复杂应力状态下的经验 假说。这样的一些描述复杂应力状态下煤岩体破坏的假说叫强度理论。强度理论 的最重要的任务就是建立煤岩体破坏的破坏准则。根据不同的破坏原因，目前已 经提出了不同的破坏准则。由于煤岩体的力学性质的复杂多样性，迄今为止还没 有建立起对所有煤岩体都适用的判别推则i n 】【矧。 煤与瓦斯突出的过程也是煤体破坏的过程。突出常常发生在有软煤的煤层 内，坚硬的煤体通常是不发生突出的。只有煤体先发生破坏，然后才有可能发生 突出。而要研究突出，必须了解煤体在什么样的条件下才可能破坏，在煤f 岩) 体的 破坏准则中应用较多的是m o h r 准则对突出煤样进行加压，当压力达到一定数值 时，煤体将会破坏，破坏时的最大压应力称为煤样的抗压强度，也是应力一应变 曲线最高点的值。如果对煤样作三向加压实验，则所测得的抗压强度随着侧压的 增加而增加，因此仅仅采用一个单向的抗压强度是不能代表煤样的强度条件的。 煤样的破坏属于多重剪切破坏并非压碎，它的破裂面总是与加压方向斜交，属于 剪切破坏。如果从图2 ( c ) 中承受三向压力的试样中任取一微型三角柱状体进行分 析，三角柱的斜面与破裂面平行【矧，如图3 所示： 图3三角柱状体上的受力分析 f j 9 3 t h es t r e s sa n a l y s i so ft h et r i a n g l e sc o l u m n a r 那么，在这个三角柱状体的底部，承受的是最大主应力盯，其侧面承受的是 最小主应力吧，图中未画，中间主应力o r ：作用在三角柱的两个端面。在斜截面 上有一正应力o r ，它垂直于作用面，在这个作用面上，还有一个剪应力f ，它平 安徽理工大学硕士论文 行于作用面，与主应力构成静力平衡条件。设斜截面的面积为可d f ，按斜截面 的法线方向及平面方向平衡条件可得： ，4 一o ，硝- a , d f c o s a c o s 4 + 巳妒s i n a x s i n 口 简化得： 盯一半+ 半s 知( 2 - 7 ) 厂4 一o 彬一o l d f c o s a x c o s 口一0 3 d f s i n a x s i n a 简化得：f 。! ! 二垒s i n 2 a 2 ( 2 8 ) 将式( 2 - 5 ) 移项为： 口一半- 半c o s 2 a ( 2 - 9 ) o - 半 2 i z 2s 【学】2 ( 2 1 0 ) 上式是一个以口为横坐标、f 为纵坐标的圆的方程式，其圆心位置为 【鱼 鱼，o 】，半径为鱼专曼，这个圆就是m 。l l r 应力圆，见图4 应力圆上任一 点的坐标表示了任- - - - 角柱状体斜面上的应力，该点对应的横坐标代表了作用在 斜面上的正应力盯，该点对应的纵坐标代表了作用在斜面上的正应力， - 一 以 。i + _ 盯。_ +一q f i ， - o 3 l 7 。 j q + 吗 、 巧乇 1 z 一 2 一 v 1 一 图4 应力圆 f i 9 4 t h es t r e s sc i r c l e 而该点和圆心的边线与口轴的夹角为2 a ，d 为斜面与最大的主应力作用面 ( 即最大主平面) 的夹角。也是斜面上正应力与最大主应力的夹角。这个斜面与盯： 相平行，如果要求与0 2 相平行的斜面上的应力，只要将d ，换成仃，即可，前面的 公式不变。如果要求与a ，平行的斜面上的应力，同样只要将盯，换成仉即可。由 于吼和仃，差值较大，与：相平行的斜面上的剪应力较大，后两个截面上的剪应 力都比较小，不是最危险的截面，故一般不予计算。 在三向压缩状态下，所施加的载荷就是主应力，通过m o h r 应力圆就能够表 示出煤样任一截面上的应力状态。对于任一侧应力a ，总可以得到一个煤样破 一1 2 - 2 煤岩的物理力学特性 裂时的极限应力圆。将同一种煤样置于不同侧应力作用下，测试出各自破裂时的 极限载荷，就可以作出一系列的极限应力圆，如图5 所示。在这些应力圆中，侧 应力越大，极限应力也就越大，这些极限应力圆的公切线就是它们的包络线。这 条包络线代表了这种煤样在不同应力状态时的强度条件，应力圆在这条包络线以 内时煤样都不会破坏，应力圆不可能超过包络线，一旦与包络线相切，煤样就开 始破裂，应力不可能继续上升。应力圆与包络线相切的切点坐标表示了煤样破裂 面上的极限应力状态，也表示了破裂面的方向。因此，这条包络线就是这种煤样 的强度曲线。 c r p 图5 不同侧应力时的极限应力圆 f i g 5t h el i m i ts f f e s sc i r c l e 强度曲线与正应力曲线相交于一点，这一点的