对地下工程岩石和瓦斯突出中的一些问题的讨论

对地下工程岩石和瓦斯突出中一些问题的讨论鲜学福辜敏姜永东2006年11月主要内容1在岩石突出、瓦斯突出认识上的分歧（差异）2岩石突出、瓦斯突出的实例及规律3炸药爆破在诱导岩石突出、瓦斯突出中的作用的讨论4岩巷掘进岩石突出、瓦斯突出发生条件的讨论5小结1在岩石突出、瓦斯突出认识上的分歧岩石、瓦斯突出包括了岩石突出、瓦斯与岩石一起的突出，它们不仅发生在采矿工程中的岩巷掘进，也发生在隧道与其他地下工程施工的相应工程地质环境中。其中的疑难问题有了答案，但尚存在争议。山口梅太郎提出，无论是金属矿还是煤矿开采均有岩石突出。金属矿的岩石突出是由于以应变能形式积蓄于围岩中的能在岩石突出瞬间被释放而形成的。金属矿的岩石突出多发生在大深度，常发生在母岩和矿石都较硬的矿体中，与金属矿相比煤矿的岩石突出发生在较浅深度。K．palm等人根据1855～1995年世界采矿工程中发生的70000多次瓦斯与岩石一起突出指出，初期突出物质是气体，有：CH4、CO2、N2气。喷出的岩石有：砂岩、岩盐、云母片岩、泥灰岩等。磯部俊郎提出，除瓦斯突出、岩石突出两种极端情况外，大多数突出是存在于两种极端情况的中间。应力和瓦斯共同作用的程度有各种各样的组合。岩石突出有地震，大的瓦斯突出却没有地震；在日本旧住友奔别煤矿采掘记录到砂岩突出约100次，突出的孔洞呈现了像瓦斯突出那样的形状。И.В.Бобров等认为，岩石突出的起因是由于地质构造过程产生的并保存在砂岩中的高应力瞬间释放；И.В.Николин等否认现代构造运动引起的构造应力的存在，认为突出的原因是岩石由于弹性恢复变形而发生的破坏和在一定时间内变形速度的变化；С.Н.ОсиповН.Е.Волошин认为，岩石突出地点有很高的水平应力，只能是现代构造运动的结果。И.В.Николин等人的观点是，顿巴斯深部矿井中的岩石和瓦斯突出，只发生在进行爆破工作的时候。С.Н.Осипов等人指出，工作面迅速推进时，即使没有放炮，也可能发生突出。前苏联马凯耶夫煤矿安全研究所和基辅工学院的专家把炸药爆破看作是决定部分岩体应力重新分布的因素；乌克兰科学院地质工程力学所一批专家根据现场的试验提出，突出时岩石的破坏决定于爆破的动力场叠加在静压应力场上磯部俊郎认为，岩石突出和瓦斯突出都是以岩石破坏为先导，破坏波及到全体的情况时，这种岩石或矿层的部分将被分割成细小的碎片；如发生了岩石内部的粉碎圈，则在粉碎圈范围内的岩石或矿层的强度就显著降低，变成近似于所谓的无应力圈。Г.М.Крюков、С.К.Мангуш研究了任何巷道形成突出孔洞时岩体中积蓄的弹性变形势能的变化、爆破传给突出危险带的能量、突出时抛掷破坏岩石的动能、突出孔洞中瓦斯膨胀的作用能，最终的结论是岩石突出的主要能源是压缩瓦斯的能量。磯部俊郎讨论了突出时岩石的破碎速度问题，提出坚硬岩石是高速破碎、软弱岩石缓慢破碎。从上面的论述可见，还有一些重要科学问题需要在更深层次上加以研究，这些问题就是：（1）岩石突出、瓦斯突出之前，在岩体中有无近似无应力圈的存在，无应力圈怎样确定；（2）岩石突出、瓦斯突出是否可以统筹起来加以研究，怎样来表述岩石突出、瓦斯突出以及处于二者之间一个广泛区域中间状态发生条件的判别；（3）突出是地下工程施工遇见的一种局部岩体破裂形式，破裂发展过程又是怎样的，爆破及其它激发条件的作用如何；（4）突出预测、预报和防治的途径。2.岩石突出、瓦斯突出实例及规律（1）突出实例突出实例一（岩石突出）见图1图1《顿涅茨》煤管局《彼得洛夫斯克－深》矿井岩石和瓦斯突出突出实例二（岩石突出）见图2图2《彼得洛夫斯克—深》矿井掘进井底运输平巷爆破引起的岩石突出突出实例三（岩石突出），见图3图3高尔洛夫斯克《煤仓》矿发生的一次运输平巷砂岩突出突出实例四（岩石和瓦斯突出），见图4图4捷克《斯塔瑞奇》矿发生的一次岩石和瓦斯突出突出实例五（瓦斯和岩石突出），见图5图5发生在前西德的一次瓦斯与岩石突出（2）岩石突出、瓦斯突出的孔洞图6《彼得洛夫斯克—深》矿井巷道中岩石突出孔洞轴的分布图（3）岩石突出、瓦斯突出的一般规律瓦斯突出具有以下的共同规律：•突出多发生在高应力地区或地质构造变动地区；•不像煤与瓦斯突出可以自发的产生，普遍的突出都是由岩石爆破引起；•无论是岩石性的瓦斯突出（即瓦斯突出）或者是瓦斯性的岩石突出（即岩石突出）都有瓦斯的参与；•根据统计分析，突出时都要形成一定形状的孔洞，孔洞的形态、位置与采矿时的地应力分布、岩性、局部地质构造变动有关；•突出的能量主要来源于岩石的弹性变形能的恢复，孔隙中储存的瓦斯的膨胀能；•爆破在突出中主要起诱导作用，作用的机理还有待于更进一步的研究。3炸药爆破在诱导岩石突出、瓦斯突出中的作用的讨论（1）炸药爆破的影响范围爆炸应力波主要是：冲击波、应力波和地震波，如图7所示图7爆炸应力波及其作用范围冲击波作用范围离爆炸源约为炮孔半径的3～7倍，以超声速传播，使岩石发生塑性变形和粉碎。压缩应力波波速等于岩石声速，可导致岩石破坏或产生残余变形，作用范围大，可达120～150rb。地震波传播速度等于声速，只能引起岩石质点的弹性振动和扩大岩石的裂隙，作用范围在150rb之外矿井常用炮眼直径在35～48mm范围内，若以此来估算，爆炸应力波的最大作用范围应在6.4～7.4m以外。根据稳定性系数表达式以及其计算方法，以白皎煤矿的资料为基础分析了在埋深1000m和1400m的砂岩中掘进平巷时巷道掘进头周围岩体的断裂失稳区，如图8～17所示。（2）岩巷掘进头附近形成的断裂失稳区的预测图8-1巷道所处的地层图图8-2巷道三维有限元网格划分图8计算岩体结构和巷道三维有限元网格划分图图9-1巷道纵剖面图和6个分析面图9-2巷道横断面图图9巷道掘进剖面和断面图（a）step1（b）step2图10断面A围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区（a）未开挖(b)step1(c)step2图11断面B围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区(a)未开挖(b)step1（c）step2图12断面C围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区(a)未开挖(b)step1（c）step2图13断面D围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区(a)未开挖(b)step（c）step2图14断面E围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区(a)未开挖(b)step1（c）step2图15断面F围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区（b）step2图16巷道开挖中轴线纵剖面围岩体中的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区step1图17在约1400m埋深一次开挖巷道全断面的稳定性系数等值线分布和断裂失稳区在图10～图17上巷道周围的岩体中均标注了稳定性系数的等值线，根据稳定性系数R的定义，R≥1.0岩体处于稳定状态；R＜1.0时则处于非稳定状态。据此，可以认为：R＜1.0的等值线圈定的区域为岩体断裂失稳区。除因地质构造影响形成不同位置的突出孔洞外，图1、图2、图3和图6所示的突出孔洞的形状和位置基本上均与预测的岩巷掘进头附近形成的断裂失稳区结果有相当的对应关系。就有理由认为，岩巷掘进的突出孔洞不是在爆破时形成的，而是与高地应力形成的断裂失稳区有关。（3）炸药爆破在岩巷掘进中诱导岩石和瓦斯突出的作用用炸药爆破方法掘进岩巷产生的爆炸应力波，在矿用炮眼的直径下，大多数均可达到岩巷掘进形成的断裂失稳区。冲击波将使炮孔壁周围52.5至122.5mm或72至148mm范围内的岩石粉碎或塑性变形；压缩应力波衰减后的地震波也能使压缩应力波影响范围之外的2625至3600mm以远的岩石产生弹性振动和扩大裂隙。即使是爆炸应力波在巷道周围岩体中形成的断裂失稳区因岩石已破裂传播的距离有所减小和影响的程度有所减弱，其作用也会改变断裂失稳区中岩石的弹性参数和强度以及扩大、增多岩石中的裂隙；如果是含瓦斯岩层，则会使包含于其孔隙中的瓦斯释放出来。但是，爆炸应力波瞬间即逝，所以它并不能改变外载应力条件。4岩巷掘进岩石突出、瓦斯突出发生条件的讨论（1）岩石突出、瓦斯（和岩石）突出的功能平衡关系一个含瓦斯体腔（这里指岩石断裂失稳区）中被破坏了的岩石材料的比内能（这里指一个单位体积中储存的能量）表示成由破坏了含瓦斯变形岩石材料的变形能、重力势能和气体状态甲烷膨胀能组成，即：（1）在不含瓦斯的条件下，（1）式可以写成：（2）N1N2N3N123NNNN12NNN以和表示不同条件阻力做的功，则岩石、瓦斯（和岩石）突出的功能关系可表示成：(3)和（4）AA120NNA1230NNNA（2）岩石突出的临界条件和抛出初速度岩石突出，即不考虑包含于岩石孔裂隙中微量瓦斯的作用。如上述图3所示情况，其巷道工作面中的甲烷含量为0.25％，低于允许的值很多，正符合（2）式的条件。12NNN图18为图3所示巷道的AB断面可以将这种孔体等效为一个倾斜搁置在巷道断面上前方右侧岩体中的短圆柱体。圆柱体圆断面的半径为r，柱长为L，其体积。下面取1单位长度的柱体来研究。2VrL重力势能在与水平面成角方向上所做的功，以表示，则（5）2N22sinNrl断裂失稳区1单位长度柱体破坏了的岩石剩余弹性变形势能就可以表示成：（7）1N23222211(12)()2rNBE再把（5）和（7）式代入（3）式，在临界条件下，有：（8）23222221(12)()sin2rABrlE（8）式左边的A是阻力功，它可以写成断裂失稳区1单位长度破坏了岩石柱体周界面积与剪应力的乘积再乘，如果岩石的强度准则采用则可得：于是，圆周长，柱高为一个单位长度的柱面积就为，这个面积产生的阻力就为。此阻力所做的阻力功为：（9）l122I(1)0＋kч=2r21rF21Frч01222()(1)rlIkA222100()()0JIIIk01II把（9）式代入（8）式，并取（5）式和（9）式中的为一个单位长度，泊松比得发生岩石突出的第一个条件：（10）l0.52312222211220(1)(1)()4()2(1)sinrBEIkr前面的分析表明，爆破只能改变巷道掘进形成的断裂失稳区破坏了岩石的弹性模量和泊松比，并不能改变外载主应力的大小，今若设先前的弹性模量和，则（3）式中的（11）E2322222121(12)()sin2rNNBrlE根据（3）式，若，则必有剩余的能量使断裂失稳区中的岩石发生突出。剩余能量运移断裂失稳区中单位长度破坏了岩石柱体所做的动力功，可以表示。于是，由（3）、（8）和（11）式可得岩石突出抛出的初速度：（12）120NNA21tvrsgt232221[()2()]()2tEEBEEtvEES因速度不能为负，因此，（12）式分子项中的必须大于零，于是得出岩石突出的第二个条件：（13）tv()2()EEBEE2EEEEB（3）瓦斯（和岩石）突出的临界条件和抛出初速度以图5为例（图19）来讨论。突出时涌出大量的瓦斯，突出孔洞为近似于顶为锅状的圆柱体。圆柱的轴线与水平线也成一的夹角。这种性质的瓦斯与砂岩突出大致类似于煤与瓦斯突出，不过应当考虑断裂失稳区被破坏了的含气砂岩剩余弹性变形势能在突出中的作用。下面亦取1单位长度的柱体来研究。图19为图5所示巷道的АД剖面同上，由公式(4)知，在临界条件下的阻力功可以表示成（14）可以把写成（15）（16）式中，表示含气岩石的有效应力；表示含气岩石的弹性模量、泊松比和对应的值（17）2N123ANNN22sinNrl22221123(12)()2gggrNBE123,,,,gggEBB23lnkPNR