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 ComparisonofthetimetotheadsorptionequilibriumforQi￾dongcoalsamples 图 8 祁东煤样吸附平衡时间对比实验结果 Fig.8 ComparisonofthetimetotheadsorptionequilibriumforQi￾dongcoalsamples 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·