瓦斯学术：含瓦斯软硬组合煤体相关研究进展

看点导读

随着煤炭开采深度的增加，开采条件逐渐恶化，煤与瓦斯突出灾害的发生频率与强度提高。同时，构造煤与原生煤形成的组合煤体在地层中广泛存在。研究表明，构造煤的存在是突出发生的必要条件，煤体的失稳破坏是突出发生的必然阶段。因此，研究组合煤体的失稳对预防含构造煤的煤与瓦斯突出具有重要意义。本期瓦斯学术主要分享由卢守青等人合作完成，分别发表在《中国矿业大学学报》和《采矿与安全工程学报》上与含瓦斯软硬组合煤体相关的两篇学术论文。

推荐文献：

[1]卢守青,刘永富,孙建中,等.初始应力状态及路径对含瓦斯软硬组合煤体失稳的影响[J].中国矿业大学学报,2024,53 (4):751-762.

[2]卢守青, 张永亮, 撒占友, 等. 软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据[J]. 采矿与安全工程学报, 2019, 36(3): 583-592.

拓展文献：

[1]   余伟健, 潘豹, 李可, 等. 岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律[J]. 煤炭学报, 2022, 47(3): 1155-1167.

[2]   伍永平, 闫壮壮, 罗生虎, 等. 煤岩组合体应力传递与强度特征倾角效应[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(1): 105-116.

考虑初始应力状态，以原生煤和构造煤形成的软硬组合煤体为研究对象，分析其在3种应变情况下的主应力变化，得到考虑初始应力状态的界面不协调变形及附加应力的表达式，结合摩尔-库伦强度准则评判了组合煤体的强度特征及破坏形式；依据煤体参数讨论3种不同应力路径对组合煤体失稳过程的影响；分析初始应力及应力变化对附加应力的影响并对组合煤体失稳的预防提出了相应建议。

假设组合煤体中的2种煤体均为各向同性介质，两者因水平界面的黏聚力紧密相连。在初始状态下组合体受到的外部应力为σ_z>σ_y =σ_x ，瓦斯压力为p。由于单元体尺寸较小，原生煤与构造煤的初始应力状态相差不大。受到开采扰动后，组合煤体受到的外部应力变为σ'_z>σ'_y =σ'_x ,瓦斯压力变为p'。

图1 组合煤体赋存结构及受力状态

对于远离界面的煤体，其主应力为3个方向的外力与瓦斯压力的差值。且远离界面处的原生煤体和构造煤体受到的主应力相同。界面处的煤体不仅受外部应力的影响还会受到界面附加应力的影响。界面附加应力是由2种煤体应变差异与界面约束共同导致的，组合煤体的应变差异与附加应力如图2所示。

图2 组合煤体应变情况

图3 应变情况A及应变情况B组合体破坏形式

图4 应变情况C组合体破坏形式

煤体失稳的各种影响因素中，应力是较为重要的一个。受开采扰动的影响，煤体会经历极其复杂的应力变化过程，当前研究多从3种路径来进行分析，其分别对应图5中的3个点处煤体经受的应力变化。图中距开采工作面足够远的煤体(A点右侧)处于初始应力状态，未受到开采扰动影响。随着工作面向右推进，初始应力状态的煤体逐渐变化为A点所处的应力，经受的应力变化为水平应力不变垂向应力增大。随着工作面继续推进，煤体应力状态向B点应力状态变化，应力变化可看作水平应力减小垂向应力不变。开采巷道下方临近煤体的应力状态从初始应力逐渐变化为C点的应力状态，应力变化为水平应力减小垂向应力增加。作者正是基于这3种应力路径来研究组合体失稳的。

图5 开采扰动引起的煤体应力状态变化

图6 水平应力不变垂向应力增加下组合煤体强度

图7 水平应力减小垂向应力不变下组合煤体强度

图8 水平应力减小垂向应力增加下组合煤体强度

研究发现水平应力减小垂向应力增加的应力路径下组合煤体最容易出现破坏。与水平应力不变垂向应力减小的应力路径相比，该应力路径发生破坏时的垂向应力减小了23.6%；与水平应力减小垂向应力不变的应力路径相比，该应力变化破坏时所需卸载的水平应力减小了53.5%。在水平应力减小垂向应力不变的路径下首先出现破坏的是远离界面的构造煤体，其次是界面处原生煤，在其余2种应力变化下首先出现破坏的是界面原生煤，其次是远离界面的构造煤体。分析认为在水平应力减小垂向应力不变的路径中，应力变化引起的附加应力较小，对界面原生煤强度减弱幅度较小，因此强度较低的构造煤体先破坏。而在另外2种路径中垂向应力变化引起了更大的界面附加应力，极大地减弱了界面原生煤的最小主应力及强度，使其先于低强度构造煤体发生破坏。为验证上述理论分析的可靠性，利用Comsol模拟水平应力不变垂向应力增加条件下软硬复合煤体的失稳破坏过程。

图9 数值模型示意

图10 组合煤体应力-应变曲线及失稳过程

下面通过煤体莫尔圆的变化来详细分析组合煤体的失稳过程：

图11 水平应力不变垂向应力增加下莫尔圆的变化

图12 水平应力减小下莫尔圆的变化

图13 组合煤体赋存结构及受力状态

考虑初始应力状态使煤层突出危险性增加，且垂向应力变化对附加应力的影响更大，使得界面原生煤体更容易出现破坏。因此提出，对组合煤体失稳的预防首先应从减小煤体初始应力状态，尤其是垂向应力的方面进行考虑。同时，合理选择开采方式对组合煤体的强度也存在较大影响，但该影响需结合现场具体条件进行分析。

图14 组合体强度及不协调变形量

图15 开采扰动引起的煤体应力状态的变化

煤与瓦斯突出过程的复杂性阻碍了人们对瓦斯突出机理的探索，为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况，采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究。

数值模拟采用Comsol多场耦合软件，其中应力应变本构方程采用Solid模块进行求解，而瓦斯渗流和瓦斯扩散方程采用PDE模块进行求解。模型的几何尺寸为x=100 m，y=100 m和z=43 m，其中模型上部和下部分别为20m厚的岩石，中间则为3 m后的煤层。开挖的巷道高度为3 m，宽度也为3 m，水平每次开挖5 m。具体见图16和表1。

图16 几何模型与边界条件

表1 模型参数列表

本次数值模拟拟定了5种情景模式，煤层厚度为3 m，构造煤分层厚度为1 m。具体如图17所示。

图17 不同情景模式

本次为了提高耦合求解的效率，将实际采掘过程简化为如下几步：第1步，煤岩体初始应力场和变形场的求解；第2步，初次开挖5m巷道采掘应力场和变形场的求解；第3步，考虑开挖影响的排放8h后瓦斯场求解；第4步，考虑瓦斯排放影响再次开挖5m时采掘应力场和变形场的求解。

图18 巷道前方煤体裂隙瓦斯压力和基质

瓦斯压力分布

图19 巷道前方煤体x方向水平应力分布情况

图20 巷道前方煤体塑性区分布情况

图21 巷道前方煤体塑性区体积

图22 巷道前方煤体的最大塑性变形

煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯和煤体抵抗强度三者的综合作用下发生的，煤体的弹性能和瓦斯膨胀能均促进煤与瓦斯的突出，本文定义为突出能量；而在瓦斯突出过程还要消耗一部分能量，主要包括煤体破碎功、煤体搬运功和煤体的动能，然而煤体的搬运功和动能并不是突出过程中一定要有的消耗能量，在煤与瓦斯突出过程中当突出能量大于破碎功时，就会有煤体失稳突出的风险，因此本文的耗散能量主要指的是破碎功。本文将巷道前方破坏区域内煤体的突出能量与耗散能量的比值定义为突出判据，当突出判据小于1时，巷道前方没有突出危险性；当突出判据等于1时，巷道前方煤体处于发生突出与不突出的临界值状态；当突出判据大于1时，具有突出危险性，并且该值越大突出危险性也越大。突出判据的计算公式如下：

式中  V_p为巷道前方煤体的塑性破坏区域体积，m³。

图23 组合煤体赋存结构及受力状态

图24 原生煤和构造煤的突出失稳情况

煤与瓦斯突出的防治措施，主要可以分为区域措施和局部措施，区域瓦斯防治措施可以实现煤层在大范围内消除突出危险，但是并不能排除区域措施在个别地点失效，此时补充实施局部瓦斯突出防治措施，确保所有地点均实现消突的目的。原生煤和构造煤组合体瓦斯突出的防治措施见图25。

图25 原生煤和构造煤组合体瓦斯突出防治措施