D01:10.13374/i.issnl00103x.2011.02.002 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Techno bgy Bejjing Feb 2011 振动诱发煤与瓦斯突出的机理 李祥春1 聂百胜2)何学秋12) 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京10008图 通信作者.Ena时chinalixq23@163com 摘要振动是诱发煤与瓦斯突出的重要因素，为此实验研究了振动对瓦斯吸附的作用并从理论上分析了振动对煤体结构 的影响，探讨了振动诱发煤与瓦斯突出的机理.结果表明：在振动作用下，煤对瓦斯的吸附量有一定程度的减少，吸附能力降 低：振动延长了煤样达到吸附平衡的时间，使吸附平衡压力与未加振动时有所升高，煤样中游离瓦斯增多：振动使煤体内的裂 隙增加并扩展，当振动强度达到一定值时煤体内形成较大范围的连通裂隙网：在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下，煤与 瓦斯突出的危险性大大增加. 关键词煤矿：瓦斯突出：振动：吸附：裂隙 分类号D713 M echanism of coal and gas bursts caused by vbration LIXiang_chuni 2.NE Ba isheng 2).HE Xue qi 1)SchoolofResource and Safety Ergneerng China University ofMinirg&Technopgy Beijng.Beijng 100083 China 2)State Key Laboraory of Coal Resouces and SafeMining Beijing 100083 China Correspand ng author E mail chnalixc23@163 com ABSTRACT For vbaton is an mportant facpr among all infuencng facprs of coal and gas bursts gas ad sorpton experinen ts of coal were done and crack growth in coalwas analzed under vbration cond itions The mechanism of coal and gas burstswas discussed according to expermental and theoretical resu lts It is shown that under the acton of vibration hhe gas content of coal and the ad sorption ab ility decrease and after vbratpn the tie p readh he gas absorptpn equilbrium in coal and he adsorption equ ilibrium pessure in crease nd icating that vbratonm akes free gas increase and the gas content of coal educe Vbatpn also leads o the ncreasng of crack number and crack gow h rate and when the vibratian strengt arries at some value a large scale connected cradk network ap pears The ntegrated influence of vibratpn on the coal and gas system ncreases the danger of coal and gas bursts KEY WORDS coalm ines gas bursts vbratins adsonp tion cracks 煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现 构的影响进行了分析，探讨了振动诱发煤与瓦斯突 象，严重威胁煤矿的安全生产~.在煤矿开采过程 出的机理，以期为煤与瓦斯突出的预防提供一定的 中，其采煤方法、采煤工艺及施工方法都可能引起煤 理论基础. 与瓦斯突出的发生，在我国8669次有明确作业方 1振动对瓦斯吸附的影响 式记录的突出事例中，有8362次有放炮、支护，落 煤和打钻等作业方式诱导了突出，占965%，无作 11实验系统 业突出39次.仅占0.45%到.在影响煤与瓦斯突出 由于原有的瓦斯吸附实验系统在进行改造设计 的因素中从突出发生的数量上看，振动是诱发很多 过程中无法实现与振动系统的配合，所以在传统解 煤与瓦斯突出的的重要因素.因此，本文实验研究 吸法测定的基础上，结合国际先进技术，自行设计加 了振动对煤体瓦斯吸附的影响，并对振动对煤体结 工了瓦斯吸附实验系统、数据采集系统和振动实验 收稿日期：2010-05-06 基金项目：国家重点基础卿究发展计划资助项目(N92005C也21502)：“十一五"国家科技支撑计划资助项目(N92007BAK2B05):霍英东 高等院校青年教师基金资助项目(N0111053):中国矿业大学（北京）基本科研业务费专项基金资助项目(N92009Q☑09)
第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 振动诱发煤与瓦斯突出的机理 李祥春 1, 2) 聂百胜 1, 2 ) 何学秋 1, 2) 1) 中国矿业大学 (北京 )资源与安全工程学院, 北京 100083 2 ) 中国矿业大学 (北京 )煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083 通信作者, E-mail:chinalixc123@163.com 摘 要 振动是诱发煤与瓦斯突出的重要因素, 为此实验研究了振动对瓦斯吸附的作用并从理论上分析了振动对煤体结构 的影响, 探讨了振动诱发煤与瓦斯突出的机理.结果表明:在振动作用下, 煤对瓦斯的吸附量有一定程度的减少, 吸附能力降 低;振动延长了煤样达到吸附平衡的时间, 使吸附平衡压力与未加振动时有所升高, 煤样中游离瓦斯增多;振动使煤体内的裂 隙增加并扩展, 当振动强度达到一定值时煤体内形成较大范围的连通裂隙网;在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下, 煤与 瓦斯突出的危险性大大增加. 关键词 煤矿;瓦斯突出;振动;吸附;裂隙 分类号 TD713 Mechanism ofcoalandgasburstscausedbyvibration LIXiang-chun1 2) , NIEBai-sheng1, 2) , HEXue-qiu1 2) 1) SchoolofResourceandSafetyEngineering, ChinaUniversityofMining＆Technology( Beijing), Beijing100083, China 2) StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:chinalixc123@163.com ABSTRACT Forvibrationisanimportantfactoramongallinfluencingfactorsofcoalandgasbursts, gasadsorptionexperimentsof coalweredoneandcrackgrowthincoalwasanalyzedundervibrationconditions.Themechanismofcoalandgasburstswasdiscussed accordingtoexperimentalandtheoreticalresults.Itisshownthatundertheactionofvibrationthegascontentofcoalandtheadsorption abilitydecrease, andaftervibrationthetimetoreachthegasabsorptionequilibriumincoalandtheadsorptionequilibriumpressureincrease, indicatingthatvibrationmakesfreegasincreaseandthegascontentofcoalreduce.Vibrationalsoleadstotheincreasingof cracknumberandcrackgrowthrate, andwhenthevibrationstrengtharrivesatsomevaluealarge-scaleconnectedcracknetworkappears.Theintegratedinfluenceofvibrationonthecoalandgassystemincreasesthedangerofcoalandgasbursts. KEYWORDS coalmines;gasbursts;vibrations;adsorption;cracks 收稿日期:2010--05--06 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目 ( No.2005CB221502) ;“十一五”国家科技支撑计划资助项目 ( No.2007BAK22B05) ;霍英东 高等院校青年教师基金资助项目 (No.111053) ;中国矿业大学(北京 )基本科研业务费专项基金资助项目 ( No.2009QZ09 ) 煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现 象, 严重威胁煤矿的安全生产 [ 1--3] .在煤矿开采过程 中, 其采煤方法、采煤工艺及施工方法都可能引起煤 与瓦斯突出的发生 .在我国 8 669次有明确作业方 式记录的突出事例中, 有 8 362次有放炮 、支护、落 煤和打钻等作业方式诱导了突出, 占 96.5%, 无作 业突出 39次, 仅占 0.45% [ 3] .在影响煤与瓦斯突出 的因素中从突出发生的数量上看, 振动是诱发很多 煤与瓦斯突出的的重要因素 .因此, 本文实验研究 了振动对煤体瓦斯吸附的影响, 并对振动对煤体结 构的影响进行了分析, 探讨了振动诱发煤与瓦斯突 出的机理, 以期为煤与瓦斯突出的预防提供一定的 理论基础 . 1 振动对瓦斯吸附的影响 1.1 实验系统 由于原有的瓦斯吸附实验系统在进行改造设计 过程中无法实现与振动系统的配合, 所以在传统解 吸法测定的基础上, 结合国际先进技术, 自行设计加 工了瓦斯吸附实验系统、数据采集系统和振动实验 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.02.002
。150 北京科技大学学报 第33卷 系统.瓦斯吸附实验系统采用国外进口的管路系 统、阀门和连接三通，密封性好，吸附压力高，实物照 片如图1所示.数据采集系统见图2设计订购了 低频振动发生系统，包括低频振动发生实验台和低 频信号功率放大器，实物照片见图3和图4 图4振动试验系统中的低频信号功率放大器 F4 Low frequency power anplifers n the vbratin experment system (75℃).将干燥后的煤样在真空干燥箱中取出后 图1高压瓦斯等温吸附实验系统 Fg I High Pressure gas adsoption isothem experment sysum 用磨口瓶盛装，然后放入干燥器内备用.煤样工业 分析结果见表1 表1煤样工业分析表 Table 1 Industral anapysis of coal sampes % 空气干燥基 干燥基灰分， 干燥基挥 样品 水分，M Ad 发分，Vd 段王9煤 039 1428 14.13 祁东9煤 0.30 1429 2625 1.3实验结果 图2高压瓦斯等温吸附实验数据采集系统 1.3.1吸附等温线的测定 F系2 Dam ining syskm for h码h pressure gas adsorpti知isohem 吸附等温线的测定温度为30℃.煤样在振动 eper血ams 场作用下得到的实验结果如图5和图6所示.图5 是段王矿煤样在加振动场和未加振动场作用下的等 温吸附曲线：图6是祁东矿煤样在加振动场和未加 振动场作用下的等温吸附曲线.通过对比可以看 出，在外加振动场的作用下煤对瓦斯的吸附量有一 定程度的减少，吸附能力降低，等温吸附曲线比一般 条件下的煤样等温吸附曲线有所降低，不同的煤样 变化情况不同. 30r 25 ◆4 图3振动试验系统中的低频振动发生实验台 Fg 3 Low frequency vbration Production equpment n the vbr 20 tion experi ent system 15 ◆原煤实测曲线未振动) +原煤实制曲线（振动） 1.2煤样采集和处理 实验煤样取自寿阳段王煤矿的9煤和皖北祁 2 45 E力P 东煤矿的9煤.采集煤层（或分层）全厚样品，除去 矸石，新鲜煤样经严密封装后，送至实验室.取送样 图5段王煤样等温吸附线对比 的一半全部粉碎，通过60目和80目的筛网，取60~ Fg 5 Comparison be ween adsorption iso thems ofDuarwang coal samn ples 80目网间的颗粒，称出100号放入称量皿.其余的 煤样送去测定水分、灰分和挥发分等.为排除水分 1.3.2吸附平衡时间的测定 影响，将称好的煤样置于真空干燥箱中，干燥6h 实验测定了祁东煤样不同初始气体压力情况下
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 系统.瓦斯吸附实验系统采用国外进口的管路系 统 、阀门和连接三通, 密封性好, 吸附压力高, 实物照 片如图 1所示.数据采集系统见图 2.设计订购了 低频振动发生系统, 包括低频振动发生实验台和低 频信号功率放大器, 实物照片见图 3和图 4. 图 1 高压瓦斯等温吸附实验系统 Fig.1 Highpressuregasadsorptionisothermexperimentsystem 图 2 高压瓦斯等温吸附实验数据采集系统 Fig.2 Dataminingsystemforhighpressuregasadsorptionisotherm experiments 图 3 振动试验系统中的低频振动发生实验台 Fig.3 Lowfrequencyvibrationproductionequipmentinthevibrationexperimentsystem 1.2 煤样采集和处理 实验煤样取自寿阳段王煤矿的 9 #煤和皖北祁 东煤矿的 9 #煤.采集煤层 (或分层 )全厚样品, 除去 矸石, 新鲜煤样经严密封装后, 送至实验室.取送样 的一半全部粉碎, 通过 60目和 80目的筛网, 取 60 ～ 80目网间的颗粒, 称出 100 g, 放入称量皿.其余的 煤样送去测定水分、灰分和挥发分等.为排除水分 影响, 将称好的煤样置于真空干燥箱中, 干燥 6 h 图 4 振动试验系统中的低频信号功率放大器 Fig.4 Lowfrequencypoweramplifiersinthevibrationexperiment system ( 75 ℃) .将干燥后的煤样在真空干燥箱中取出后 用磨口瓶盛装, 然后放入干燥器内备用 .煤样工业 分析结果见表 1. 表 1 煤样工业分析表 Table1 Industrialanalysisofcoalsamples % 样品 空气干燥基 水分, Mad 干燥基灰分, Ad 干燥基挥 发分, Vd 段王 9 #煤 0.39 14.28 14.13 祁东 9 #煤 0.30 14.29 26.25 1.3 实验结果 1.3.1 吸附等温线的测定 吸附等温线的测定温度为 30 ℃.煤样在振动 场作用下得到的实验结果如图 5和图 6所示 .图 5 是段王矿煤样在加振动场和未加振动场作用下的等 温吸附曲线;图 6是祁东矿煤样在加振动场和未加 振动场作用下的等温吸附曲线 .通过对比可以看 出, 在外加振动场的作用下煤对瓦斯的吸附量有一 定程度的减少, 吸附能力降低, 等温吸附曲线比一般 条件下的煤样等温吸附曲线有所降低, 不同的煤样 变化情况不同 . 图 5 段王煤样等温吸附线对比 Fig.5 ComparisonbetweenadsorptionisothermsofDuanwangcoal samples 1.3.2 吸附平衡时间的测定 实验测定了祁东煤样不同初始气体压力情况下 · 150·
第2期 李祥春等：振动诱发煤与瓦斯突出的机理 151° 30 相比，吸附平衡压力升高.这说明振动使煤样中游 子 离瓦斯增多，吸附瓦斯减少，需要更长时间达到吸附 动态平衡.在实际中振动便可使部分吸附瓦斯转变 15 为游离瓦斯，而游离瓦斯则可通过裂隙运移得以排 ◆原煤实测曲线（未振动） ·原煤实测曲线（振动） 放，提高瓦斯运移的速度和流量，也就可以提高瓦斯 抽放的效果，进而可以达到减小突出煤层的突出危 3456 压力MPa 险性. 图6祁东煤样等温吸附线对比 2振动对煤体结构的影响 Fg 6 Comparison be ween adsorption so thems of Qidong coal samp les 振动作用于煤体后，导致煤体裂隙扩展发育，而 且煤体的强度降低.这将使煤与瓦斯突出发生 的吸附平衡时间，利用数据采集系统每隔1采集一 的三个要素（应力、瓦斯和煤体）中的一个要素煤体 个数据，直至吸附平衡.从不加振动和加振动等温 更具备了促使突出的条件；尤其是振动对煤体裂隙 吸附平衡时间可以分析加振动对吸附平衡时间的影 的影响使煤体极易形成贯通裂隙，导致煤体在高压 响.吸附平衡时间实验曲线如图7和图8所示. 瓦斯作用下瞬间失稳.为此.对煤体在振动作用下 图7是初始气体压力为0.488MP时吸附平衡时间 的裂隙扩展情况进行分析8-1.假设煤体为线弹性 实验曲线.图8是初始气体压力为1.82MP时吸附 体，裂隙壁承受准静态压力作用，故可用线弹性断裂 平衡时间实验曲线. 力学进行描述，其断裂力学模型如图9所示，其中 0.6 为裂隙半径. 0.5 0.4 ·一未振动 一振动 P 0.3 0.2 是 0.1 i111 3 -4 t/h ·+1↑↓↓ 图7祁东煤样吸附平衡时间对比实验结果 图9裂隙扩展的断裂力学模型 F7 Comparison of the time to the adsoption equilibrim orQi Fg 9 Fmacuremechanics model of cmack prpagation dong ooal saples 由线弹性断裂力学可知，在振动应力作用下裂 1.9 隙尖端的应力强度因子 K=Jπ4(1-2)R-o] (1) ◆一未振动 式中：为裂隙扩展瞬间长度，四P为振动应力， 1.5 一振动 P?o为地应力，Pa 13 从式(1)中可以看出，随着地应力的增大，应力 1.1 强度因子K呈线性下降趋势.振动强度越大，振动 应力越大，K也就越大.当随着振动减小，K衰减 09% 到一定值时，裂隙将停止扩展.裂缝失稳扩展条 件为 图8祁东煤样吸附平衡时间对比实验结果 KK (2) Fg 8 Comparison of the time to the adsoption equilibrium forQ i dong ooal samples 式中，K为动态断裂韧性，Nr32 岩石的动态平面断裂韧性可由其静态断裂韧性 从图7和图8中可以看出：加振动后，延缓了煤 求得 样达到吸附平衡的时间：吸附平衡压力与未加振动 K=1.6Kre (3)
第 2期 李祥春等:振动诱发煤与瓦斯突出的机理 图 6 祁东煤样等温吸附线对比 Fig.6 ComparisonbetweenadsorptionisothermsofQidongcoal samples 的吸附平衡时间, 利用数据采集系统每隔 1 s采集一 个数据, 直至吸附平衡.从不加振动和加振动等温 吸附平衡时间可以分析加振动对吸附平衡时间的影 响 .吸附平衡时间实验曲线如图 7 和图 8 所示 . 图 7是初始气体压力为 0.488 MPa时吸附平衡时间 实验曲线, 图 8是初始气体压力为 1.82 MPa时吸附 平衡时间实验曲线. 图 7 祁东煤样吸附平衡时间对比实验结果 Fig.7 ComparisonofthetimetotheadsorptionequilibriumforQidongcoalsamples 图 8 祁东煤样吸附平衡时间对比实验结果 Fig.8 ComparisonofthetimetotheadsorptionequilibriumforQidongcoalsamples 从图 7和图 8中可以看出:加振动后, 延缓了煤 样达到吸附平衡的时间 ;吸附平衡压力与未加振动 相比, 吸附平衡压力升高 .这说明振动使煤样中游 离瓦斯增多, 吸附瓦斯减少, 需要更长时间达到吸附 动态平衡 .在实际中振动便可使部分吸附瓦斯转变 为游离瓦斯, 而游离瓦斯则可通过裂隙运移得以排 放, 提高瓦斯运移的速度和流量, 也就可以提高瓦斯 抽放的效果, 进而可以达到减小突出煤层的突出危 险性 . 2 振动对煤体结构的影响 振动作用于煤体后, 导致煤体裂隙扩展发育, 而 且煤体的强度降低 [ 4--7] .这将使煤与瓦斯突出发生 的三个要素 (应力、瓦斯和煤体 )中的一个要素煤体 更具备了促使突出的条件;尤其是振动对煤体裂隙 的影响使煤体极易形成贯通裂隙, 导致煤体在高压 瓦斯作用下瞬间失稳 .为此, 对煤体在振动作用下 的裂隙扩展情况进行分析 [ 8--11] .假设煤体为线弹性 体, 裂隙壁承受准静态压力作用, 故可用线弹性断裂 力学进行描述, 其断裂力学模型如图 9所示, 其中 rb 为裂隙半径. 图 9 裂隙扩展的断裂力学模型 Fig.9 Fracturemechanicsmodelofcrackpropagation 由线弹性断裂力学可知, 在振动应力作用下裂 隙尖端的应力强度因子 Kr= πL[ ( 1 -2/π) Pm -σ] ( 1) 式中 :L为裂隙扩展瞬间长度, m;Pm 为振动应力, Pa;σ为地应力, Pa. 从式 ( 1)中可以看出, 随着地应力的增大, 应力 强度因子 Kr呈线性下降趋势.振动强度越大, 振动 应力越大, Kr也就越大 .当随着振动减小, Kr衰减 到一定值时, 裂隙将停止扩展.裂缝失稳扩展条 件为 Kr≥Krd ( 2) 式中, Krd为动态断裂韧性, N·m -3/2. 岩石的动态平面断裂韧性可由其静态断裂韧性 求得 Krd =1.6Krc ( 3) · 151·
。152 北京科技大学学报 第33卷 式中，K为静态断裂韧性，Nnr32 (6):109 从以上分析可知，振动将使煤体内的大量裂隙 (蔡成功，王佑安.煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究 中国安全科学学报，200414(6片109) 更易扩展失稳，这也正是振动诱导煤与瓦斯突出发 4 Liwinisan J A molel for he initiation of coalgas outbursts ht 生的重要原因. J Roc Meth Mn SciGemech Abs可198520(1)：39 3讨论 Renw J DuG I,Pan Y The expemenl sudy of ockburst prevention through vibration inducng crevasse n coamass JFux 在煤与瓦斯突出发生的很多事例中，振动对含 n Mn Ist1997.16(6):687 (任伟杰，杜广林潘一山.振动对煤体裂隙分布和力学性能的 瓦斯煤体的干扰引起煤与瓦斯突出事故占了很大比 影响.阜新矿业学院学报，1997.16(6：687) 例.根据上面的分析可知，振动作用煤体后，将增加 RenW J PanY Song SI,The expermnental suudy of the coal 煤体应力改变煤体的应力状态，并能促使吸附瓦斯 mass crevasse giow ing a fer coam ass v brated with different fre 大量解吸，使游离瓦斯压力升高.煤体裂隙大大发 quence J Liacning Tech Uniy 1998 17(6)565 育，在裂隙扩展的同时会产生电磁场2，电磁场 (任伟杰，潘一山，宋绍楼振动频率对煤体裂隙发有影响的试 同样会加速瓦斯的解吸和释放，使瓦斯压力的快速 验研究.辽宁工程技术大学学报，199817(6)：565) Jiang YD ZhaoYX Song Y Q etal Ana psis ofblastng tem 升高.在采掘工作面的前方卸压区内煤体受振动作 or mpact on roadway sability in coal mining Chin J RockMech 用，强度降低，承受瓦斯压力和煤体产生的侧压的能 Eng20052417h3131 力降低，同时卸压区内由于应力的降低.煤体渗透率 (姜锯东，赵毅鑫，宋彦琦，等.放炮震动诱发煤矿巷道动力失 升高，而在应力集中区内煤体的渗透率在高应力作 稳机理分析.岩石力学与工程学报，20052417)：3131) 用下降低，这使得煤体内的瓦斯流动受阻，瓦斯压力 [8 Yu B F WangYA The Technica lManualsofComl and GasDis aster Prevention and Use Beijing Coal Industry Press 2000 梯度剧增，使煤与瓦斯突出事故极易发生，因此，很 (于不凡，王佑安.煤与瓦斯灾害防治及利用技术手册.北京： 多煤与瓦斯突出事故都是由振动引起的. 煤炭工业出版社，2000 4结论 9 Liu J The Outurst Prevention Technology of Longhol Pesplit ting Blasting n the Low Pemeabilit Outhurst Coal Seam Disser (1)在振动作用下煤对瓦斯的吸附量有一定程 t河.Han卿Anhui University of Science&Techmokgy 度的减少，吸附能力降低 2003 (刘健.低透气性突出煤层深孔预裂控制爆破防突的技术研究 (2)振动延长了煤样达到吸附平衡的时间：吸 【学位论文].淮南：安徽理工大学，20B) 附平衡压力与未加振动相比有所升高.这说明振动 [10 SongX S The mpoving Pem eabilit Tednokgy by Deep hole 使煤样中游离瓦斯增多，吸附瓦斯减少，需要更长时 Pe splitting Explson in Hgh Gas and Lov Pem eability Coal 间达到吸附动态平衡. Seam[Dissernticn.Huaimn Anhui University of Science& (3)振动使煤体内的裂隙增加并扩展，当振动 Technobgy 2003 强度达到一定值时，煤体内能够形成较大范围的连 (宋贤生.高瓦斯低透性煤层深孔松动预裂爆破增透技术研 究[学位论文】.淮南：安徽理工大学，2003) 通裂隙网，使煤体强度降低，更易失稳 [11]HeXQ RheokgicalDynam icsofCoalorRock ContaningGas (4)在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下， Xuzhoy China Unive rsity ofMning&Techno kgy Press 1995 煤与瓦斯突出的危险性大大增加. (何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学.徐州：中国矿业大学出版 社，1995) 参考文献 [12 HeXQ Wang EY Nie B et al Coal or Rock Rheology I]Yu QX GasDisaster Preention n Mne Xuzhay Chim Univer E kctomagnetism Dynam ics Beijing Science Press 2003 sity ofM ning Technobgy Press 1992 (何学秋，王恩元，聂百胜，等.煤岩流变电磁动力学北京：科 (俞启香.矿井瓦斯防治.徐州：中国矿业大学出版社.1992) 学出版社，2003) I2 Laa R D Bolziny J Management of outburst n underground 【l3 Ne B$He XQ Chen W X et a]Electronagnetic em iss知 coalmines Int J ConlGeol 1998.35(1-4):83 characteristics andm echan ism of the de pmation and fracture of [3 CaiCG W ang YA Qualitative and quantita tive anapysis of gen coal//mtema tional Yoing Stholr Sm posim on RockMechan ics emal regulrit of coal and gas outhurst J China Saf Sci 2004 14 2008 Beijing2008925
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 式中, Krc为静态断裂韧性, N·m -3/2. 从以上分析可知, 振动将使煤体内的大量裂隙 更易扩展失稳, 这也正是振动诱导煤与瓦斯突出发 生的重要原因. 3 讨论 在煤与瓦斯突出发生的很多事例中, 振动对含 瓦斯煤体的干扰引起煤与瓦斯突出事故占了很大比 例 .根据上面的分析可知, 振动作用煤体后, 将增加 煤体应力改变煤体的应力状态, 并能促使吸附瓦斯 大量解吸, 使游离瓦斯压力升高.煤体裂隙大大发 育, 在裂隙扩展的同时会产生电磁场 [ 12--13] , 电磁场 同样会加速瓦斯的解吸和释放, 使瓦斯压力的快速 升高.在采掘工作面的前方卸压区内煤体受振动作 用, 强度降低, 承受瓦斯压力和煤体产生的侧压的能 力降低, 同时卸压区内由于应力的降低, 煤体渗透率 升高, 而在应力集中区内煤体的渗透率在高应力作 用下降低, 这使得煤体内的瓦斯流动受阻, 瓦斯压力 梯度剧增, 使煤与瓦斯突出事故极易发生 .因此, 很 多煤与瓦斯突出事故都是由振动引起的. 4 结论 ( 1)在振动作用下煤对瓦斯的吸附量有一定程 度的减少, 吸附能力降低. ( 2)振动延长了煤样达到吸附平衡的时间;吸 附平衡压力与未加振动相比有所升高 .这说明振动 使煤样中游离瓦斯增多, 吸附瓦斯减少, 需要更长时 间达到吸附动态平衡 . ( 3)振动使煤体内的裂隙增加并扩展, 当振动 强度达到一定值时, 煤体内能够形成较大范围的连 通裂隙网, 使煤体强度降低, 更易失稳 . ( 4)在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下, 煤与瓦斯突出的危险性大大增加. 参 考 文 献 [ 1] YuQX.GasDisasterPreventioninMine.Xuzhou:ChinaUniversityofMining＆TechnologyPress, 1992 (俞启香.矿井瓦斯防治.徐州:中国矿业大学出版社, 1992 ) [ 2] LamaRD, BodzionyJ.Managementofoutburstinunderground coalmines.IntJCoalGeol, 1998, 35( 1 -4 ):83 [ 3] CaiCG, WangYA.Qualitativeandquantitativeanalysisofgeneralregularityofcoalandgasoutburst.JChinaSafSci, 2004, 14 ( 6 ) :109 (蔡成功, 王佑安.煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究. 中国安全科学学报, 2004, 14( 6 ):109) [ 4] LitwiniszynJ.Amodelfortheinitiationofcoal-gasoutbursts.Int JRockMechMinSciGeomechAbstr, 1985, 20( 1) :39 [ 5] RenW J, DuGL, PanYS.Theexpermentalstudyofrockburst preventionthroughvibrationinducingcrevasseincoalmass.JFuxinMinInst, 1997, 16( 6 ) :687 (任伟杰, 杜广林, 潘一山.振动对煤体裂隙分布和力学性能的 影响.阜新矿业学院学报, 1997, 16 ( 6) :687 ) [ 6] RenWJ, PanYS, SongSL.Theexperimentalstudyofthecoalmasscrevassegrowingaftercoalmassvibratedwithdifferentfrequence.JLiaoningTechUniv, 1998, 17( 6 ):565 (任伟杰, 潘一山, 宋绍楼.振动频率对煤体裂隙发育影响的试 验研究.辽宁工程技术大学学报, 1998, 17( 6) :565) [ 7] JiangYD, ZhaoYX, SongYQ, etal.Analysisofblastingtremorimpactonroadwaystabilityincoalmining.ChinJRockMech Eng, 2005, 24( 17 ):3131 (姜耀东, 赵毅鑫, 宋彦琦, 等.放炮震动诱发煤矿巷道动力失 稳机理分析.岩石力学与工程学报, 2005, 24( 17 ) :3131) [ 8] YuBF, WangYA.TheTechnicalManualsofCoalandGasDisasterPreventionandUse.Beijing:CoalIndustryPress, 2000 (于不凡, 王佑安.煤与瓦斯灾害防治及利用技术手册.北京: 煤炭工业出版社, 2000) [ 9] LiuJ.TheOutburstPreventionTechnologyofLong-holePre-splittingBlastingintheLowPermeabilityOutburstCoalSeam[ Dissertation] .Huainan:AnhuiUniversityofScience＆ Technology, 2003 (刘健.低透气性突出煤层深孔预裂控制爆破防突的技术研究 [ 学位论文] .淮南:安徽理工大学, 2003 ) [ 10] SongXS.TheImprovingPermeabilityTechnologybyDeep-hole Pre-splittingExplosioninHighGasandLowPermeabilityCoal Seam[ Dissertation] .Huainan:AnhuiUniversityofScience＆ Technology, 2003 (宋贤生.高瓦斯低透性煤层深孔松动预裂爆破增透技术研 究[ 学位论文] .淮南:安徽理工大学, 2003) [ 11] HeXQ.RheologicalDynamicsofCoalorRockContainingGas. Xuzhou:ChinaUniversityofMining＆ TechnologyPress, 1995 (何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学.徐州:中国矿业大学出版 社, 1995) [ 12] HeXQ, WangEY, NieBS, etal.CoalorRockRheology ElectromagnetismDynamics.Beijing:SciencePress, 2003 (何学秋, 王恩元, 聂百胜, 等.煤岩流变电磁动力学.北京:科 学出版社, 2003) [ 13] NieBS, HeXQ, ChenW X, etal.Electromagneticemission characteristicsandmechanismofthedeformationandfractureof coal//InternationalYoungScholarSymposiumonRockMechanics 2008.Beijing, 2008:925 · 152·