冲击地压和煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中遇到的两种最为典型的动力灾害。在浅部开采时，两种灾害相互作用不甚显著，通常表现为单一的成灾模式，国内外学术界也通常将冲击地压和煤与瓦斯突出作为两个独立的方向平行开展研究，并取得了一定的成果[1-4]。然而，随着煤矿进入深部开采，矿井地应力增高，瓦斯压力增大，地温升高，涌水量增大，开采扰动增强，煤体透气性降低，瓦斯难以预抽。与此同时，深部煤岩体的性质也与浅部明显不同，其力学行为呈现非线性，岩体变形表现出脆-延转化特性、流变特性和扩容性质。瓦斯复杂的赋存环境和非线性的力学特征使深部煤岩体更加接近由稳态向非稳态的临界，导致冲击地压、煤与瓦斯突出较浅部开采时更为严重，同时，两种灾害间的相互作用开始显现并呈加剧态势，表现出两种灾害相互影响、相互诱导、相互强化，耦合致灾，出现了冲击地压、瓦斯突出复合灾害(以下简称复合灾害)。

国内外许多学者对冲击地压和煤与瓦斯突出的相互作用进行了研究。前苏联学者佩图霍夫等[5]提出将冲击地压和瓦斯突出两种现象放在一起进行统一研究;阿维尔申等[6]根据冲击地压发生前后伴随瓦斯体积分数升高的现象，提出了是冲击地压诱导了瓦斯体积分数的升高，还是瓦斯体积分数的升高诱导了冲击地压，亦或二者皆有之的质疑;K OGIEGLO等[7]研究了矿山震动对瓦斯体积分数的影响;在我国，章梦涛等[8]提出了煤岩体变形系统失稳破坏的统一判据，建立了冲击、突出的统一失稳理论，但没有考虑冲击地压和煤与瓦斯突出之间相互影响、相互作用的关系;张福旺等[9]结合平煤十矿“11·12”复合灾害事故，分析了复合灾害的影响因素和发生条件;孙学会等[10]以抚顺老虎台矿为工程背景，对复合灾害的发生条件、灾害类型和力学机制开展了初步探索;李铁等[11-12]对冲击地压和瓦斯的相关性进行了探讨，并对三软煤层复合灾害的力学机制进行了分析;王振等[13-14]研究了冲击地压和煤与瓦斯突出在孕育发生阶段的诱导转化条件，但没有对复合灾害的发生机理做出完整、充分的解释;高忠红[15]研究了孤岛工作面冲击与突出的耦合规律及预测技术;潘一山等[16]对复合灾害的类型进行了划分，提出了将复合灾害进行一体化预测和防治的理念，但没有针对不同类型的复合灾害机理展开研究。上述研究主要是对冲击地压和煤与瓦斯突出的相关性进行解释，对于复合灾害机理深入系统的研究较少，基于此，笔者试验研究了瓦斯对煤体冲击倾向性的影响，以圆形巷道为例，研究了复合灾害的临界应力及影响因素，并针对不同复合灾害类型对其发生机理进行了探讨。

1 瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性影响试验

1.1 试验介绍

瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响对复合灾害的发生起着不可忽视的作用。为研究瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响规律，设计了不同瓦斯压力下有效围压为0的煤岩体压缩试验。

试验所选用的煤样取自阜新矿业集团有限公司某矿某工作面，阜新矿区采深大、煤岩应力和瓦斯压力高，具备复合灾害危险性。将所取煤块运至实验室后，严格按照煤岩力学试验规程要求，通过切割机将大块煤岩切割为长50 mm，宽50 mm,高100 mm的长方体试样。

本试验利用气体密封试验缸将原煤试件封存其中。试验前先用真空泵抽去试件孔隙中的空气，然后再充入一定压力的N2，直到吸附饱和为止，一般吸附时间在48 h以上，然后将试验缸放在试验机上，利用密封试验缸的压头对煤样试件进行单轴加压。由于煤样的饱和吸附作用，试验过程中煤样内部瓦斯和密封空腔内游离瓦斯的压力差为零，即有效围压为零，类似于常规的单轴压缩试验，更加符合测定煤岩体力学性质和冲击倾向性的标准。试验瓦斯压力设置为4个级别，分别为0，1,2和3 MPa，每种情况至少做5个试件，取5个试件平均值作为测试结果。试验系统如图1所示。

1.2 瓦斯对煤体力学性质的影响

1.2.1 瓦斯对煤岩体抗压强度的影响

图2为煤样抗压强度与瓦斯压力关系的曲线，从图2可以看出，煤样的单轴抗压强度随瓦斯压力的增加呈现出逐渐减小的趋势。煤岩体强度越低，其失稳破坏越容易发生，因此瓦斯的作用加速了煤岩体失稳破坏的进程。煤岩体的单轴抗压强度随着瓦斯压力的增加而减小的原因是:瓦斯的存在减小了煤岩体内部裂隙间的摩擦因数，降低了煤岩体内部裂隙的张力，导致煤岩体颗粒间的作用力减弱，降低了煤岩体被破坏时所需要的能量，从而降低了煤岩体的强度。

1.2.2 瓦斯对煤岩体弹性模量的影响

图3为煤岩体的弹性模量随瓦斯压力的变化曲线，从图3可以看出，随着瓦斯压力的增大，煤岩体的弹性模量逐渐降低。弹性模量能够反映煤岩体抵抗变形的能力。煤岩体颗粒吸附瓦斯气体分子后，瓦斯气体分子附着于煤岩体颗粒表面和颗粒空间中，减弱了煤岩体颗粒之间的黏结力，宏观表现为使煤岩体弹性模量降低。

1.2.3 瓦斯对煤岩体峰值应变的影响

图4为煤岩体峰值应变随瓦斯压力的变化曲线，从图4可以看出，在峰前阶段，随着瓦斯压力的增高，煤样的峰值应变逐渐减小，即无瓦斯或瓦斯含量较低的煤岩体需要很大的变形量才能达到屈服强度或峰值强度，较难达到破坏。而瓦斯含量较高的煤岩体，在较小的变形情况下即达到屈服强度或峰值强度，说明高瓦斯煤岩体更容易发生破坏。分析其原因，由于瓦斯的存在，填补了煤岩体中的孔裂隙空间，在煤样受到压缩作用变形的过程中，瓦斯会对煤岩体产生反作用力，从而对煤岩体的变形起到了阻碍作用，瓦斯压力越大，这种阻碍作用就越强。因此，对同样孔隙度的煤岩体来说，在破坏前，吸附了高压瓦斯的煤岩体，其发生的塑性变形会随瓦斯压力的增加而减小。

1.3 瓦斯对煤岩体冲击倾向性影响分析

由于瓦斯压力对煤岩体抗压强度的影响已在1.2.1节中讨论过，所以本节重点对瓦斯压力对煤岩体动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数3个冲击倾向性指标的影响进行分析。

动态破坏时间、冲击能量指数和弹性能量指数随瓦斯压力的变化如图5所示。从图5(a)可以看出，煤岩体的动态破坏时间随着瓦斯压力的增加而增加。这是因为，瓦斯的存在，增加了煤岩体的延性，使得煤岩体应力-应变峰后曲线变缓，因此煤岩体发生脆断破坏的时间，即动态破坏时间增加。从图5(b)，(c)中可以看出，冲击能量指数和弹性能量指数均随瓦斯压力的增加而降低。这是因为不含瓦斯的情况下，煤岩体外部的压力由煤岩体骨架独自承担，而煤岩体吸附瓦斯后，则由瓦斯压力和煤岩体骨架共同来承担外部的压力，这就减少了煤岩体中积聚的弹性能，降低了发生冲击的可能性。

从不同瓦斯压力下煤岩体冲击倾向性结果可知，瓦斯压力为0 MPa时，煤样的动态破坏时间为427 ms，具有弱冲击倾向;煤样的弹性能量指数为1.39，无冲击倾向;煤样的冲击能量指数为4.38，具有弱冲击倾向;煤样的单轴抗压强度为8.92 MPa，具有弱冲击倾向。因此综合考虑以上4个冲击倾向性指标，可以判定瓦斯压力为0 MPa时，煤样具有弱冲击倾向性。同理，可以判定瓦斯压力为1，2，3 MPa时，煤样无冲击倾向，且所测得的冲击倾向性指标依次更加远离冲击危险。以上分析表明，煤岩体中瓦斯的存在，降低了煤岩体的冲击倾向性。

2 圆形巷道复合灾害解析分析

2.1 临界载荷

2.1.1 力学模型及基本假定

设均质、连续、各向同性的瓦斯煤层内圆形巷道的半径为a，已进入塑性变形阶段，产生的塑性软化区半径为b，在较远R(R≫a)处，煤层瓦斯压力为p0，巷道周边的瓦斯压力为pi，无支护，将煤岩体应力简化为应力为σ0的均匀应力场，力学模型如图6所示。取单位长度进行计算，模型可以看作是以中心线为对称轴的轴对称平面应变问题。为了方便计算，选择极坐标系进行求解，以巷道中心为原点，建立极坐标r，θ。

笔者在建立方程时引入如下假设:① 瓦斯在煤岩体中的渗流规律在微段压力梯度上符合Darcy定律;② 瓦斯视为理想气体，渗流为等温过程;③ 煤岩处于弹性变形阶段;④ 含瓦斯煤岩体被单相的瓦斯气体所饱和;⑤ 固体骨架的有效应力遵循修正的太沙基公式;⑥ 有效应力系数和渗透系数均为常数，且弹性区域无水平位移。

2.1.2 基本方程的建立

根据有效应力原理可知，有效径向应力分量和有效环向应力分量分别为因此用有效应力表示的平衡微分方程为

(1)

其中，α为有效应力系数;p为瓦斯压力。α,p均为r的函数。令则

(2)

几何方程

(3)

弹性区内本构关系

(4)

其中，εr为径向应变;εθ为环向应变;γrθ为剪应变;u为径向位移;其中E为煤的弹性模量，ν为泊松比。

塑性软化区内满足

(5)

式中，D为损伤变量;其中φ为内摩擦角。

2.1.3 求解方法

在弹性区内，巷道围岩只发生弹性变形，由式(2)～(4)得

(6)

由边界条件得

(7)

式中，为u0关于r的一阶导数;为满足方程式(6)的特解。

当载荷增加时，巷道周边开始出现损伤，满足令R→∞得

∞

(8)

当σ0>σ01时，巷道围岩出现塑性软化区。设软化区内(a≤r≤ρ)煤岩体不可压缩，则

εr+εθ+εz=0

(9)

其中，εz为z方向上的应变。即

(10)

解为所以等效应变因塑性软化区和弹性区交界处满足εi=εc，得则等效应变为

(11)

其中，εc为峰值强度对应的应变;C为系数。所以损伤变量

(12)

将式(12)，(5)代入平衡方程(2)，得

(13)

设弹性区与塑性软化区交界处的径向有效应力为得

(14)

式中,σr0为式(13)的特解。

由边界条件得塑性软化区半径应满足的方程

(15)

弹性区内(r≥b)，由式(6)，(7)，(8)和边界条件得

(16)

式中,

r=b处为初始损伤D=0，即则

(17)

将式(17)代入式(15)，得

(18)

为确定以上推导过程中的2个特解u0(r),σr0(r)，需要知道函数f1(r)的具体表达式，而f1(r)与有效应力系数α、渗透系数K有关。为简化计算，取有效应力系数和渗透系数均为常数。单位时间流过单位长度半径为r的柱面瓦斯流量

(19)

由边界条件

(20)

解得

(21)

(22)

(23)

令得方程(6)，(23)的特解

u0=B4rln r

(24)

(25)

代入式(18)得

(26)

由扰动响应判别准则得临界塑性软化区半径b*满足

(27)

代回式(26)得临界载荷

(28)

对于考虑瓦斯作用的圆形巷道模型，当煤岩体应力超过临界应力时，系统失稳发生复合灾害。

2.2 参数影响分析

由式(28)可知，巷道复合灾害发生时对应的临界煤岩体应力主要受到瓦斯压力、煤岩体强度、降模量与弹性模量之比和内摩擦角的影响。下面分析煤层瓦斯压力p0、巷道周边瓦斯压力pi、煤岩体强度σc和降模量与弹性模量之比λ/E对临界煤岩体应力的影响。

2.2.1 瓦斯压力对临界煤岩体应力的影响

对于式(28)，取pi=1 MPa，σc=10 MPa，E/λ=0.67，内摩擦角φ=4°，ν=0.25，α=0.9，则煤层瓦斯压力p0与临界煤岩体应力的关系如图7所示。从图7可以看出，煤层瓦斯压力对临界煤岩体应力的影响较小。对于式(28)，取p0=1.5 MPa,σc=10 MPa，E/λ=0.67，φ=45°，ν=0.25，α=0.9，则巷道周边瓦斯压力pi与临界煤岩体应力的关系如图8所示。从图8可以看出，巷道周边瓦斯压力越大，系统发生复合灾害所需的临界煤岩体应力越小，即越容易发生动力灾害。

2.2.2 煤岩体强度对临界煤岩体应力的影响

对于式(28)，取p0=1.5 MPa，pi=1 MPa,E/λ=0.67，φ=45°，ν=0.25，α=0.9，则煤岩体强σc 与临界煤岩体应力的关系如图9所示。从图9可以看出，随着煤岩体强度的增大，系统发生复合灾害所需的临界煤岩体应力呈非线性增大的趋势，这与强度理论相符合。临界煤岩体应力的增加趋势随着煤岩体强度的增加而变缓。

2.2.3 冲击倾向性对临界煤岩体应力的影响

降模量与弹性模量之比λ/E可以反映煤岩体的脆性，λ/E越大，煤岩越脆，λ/E越小，煤岩的脆性越弱。同时，在煤岩体应力-应变曲线中，λ/E与冲击能量指数KE，即峰前面积与峰后面积的比值近似相等。因此，λ/E可以作为判别冲击倾向性的指标。取pi=1 MPa，σc=10 MPa,φ=45°，ν=0.25，α=0.9，则降模量与弹性模量之比λ/E和临界煤岩体应力的关系如图10所示。从图10可以看出，临界煤岩体应力随降模量与弹性模量之比的增加呈先减小后增大的趋势，当λ/E<1.2时，临界煤岩体应力随λ/E的增大而减小，当λ/E>1.2时，临界煤岩体应力随λ/E的增大而增加。分析其原因，对于脆性较弱的不具备冲击倾向的煤岩体，随着λ/E的增大，煤岩体更接近具有冲击倾向性，更易发生复合灾害，因此，复合灾害的临界煤岩体应力减小。随着煤岩体逐渐具备了冲击倾向，煤岩体脆性越大，系统发生复合灾害所需的临界煤岩体应力也越大，同时发生的灾害也越猛烈。

3 复合灾害发生机理

3.1 突出-冲击型复合灾害发生机理

突出-冲击型复合灾害多发生在如图11(a)所示的情况，煤岩体中小的冲击导致煤岩体及其共生岩体产生大量的裂隙，给瓦斯的解吸膨胀提供了构造条件，外部流入的弹性能又为瓦斯解除煤岩体的约束提供了能量条件，而瓦斯解吸膨胀内能的释放又促进了煤岩体的进一步破碎，从而为搬运突出物质提供了能量和载体，便可诱发煤与瓦斯突出，发生在平顶山十矿、十二矿的几起复合灾害都属于这种情况。突出-冲击型复合灾害发生的第2种情况为煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造，冲击打破其瓦斯溢出通道，瓦斯将突然膨胀，容易发生煤与瓦斯突出，如图11(b)所示。突出-冲击型复合灾害发生的第3种情况如图11(c)所示，当煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)时，在较高的应力作用下，底板两端容易首先发生塑性破坏并扩容，而此时高弹性模量岩层没有发生塑性破坏，因此扩容膨胀应力σV施加于高弹性模量岩层产生水平挤压应力σH，使底板趋于发生向上弹性屈曲，造成煤岩体正常瓦斯溢出通道被封闭。同时，局部煤岩体受压产生裂隙，孔隙压力降低，使吸附瓦斯解吸为游离瓦斯。一旦底板承受的应力达到其抗折强度而发生破断冲击，将打通被压实煤岩体的瓦斯溢出通道，由此诱导煤与瓦斯突出，新义煤矿“7·11”复合灾害就属于这种情况。顶板冲击地压诱导煤与瓦斯突出的机理与此相类似，只不过主动作用来自顶板的向下屈曲。

3.2 冲击-突出型复合灾害发生机理

冲击-突出型复合灾害多发生在存在软硬煤相间或者相互包裹情况的煤岩体中，如图12(a)所示。在外界作用力扰动前，软硬煤组成一个相对平衡系统，一旦此系统遇到开采、爆破等外界扰动的作用时，处于煤与瓦斯突出危险的软煤容易在附加应力的作用下失稳发生突出，而软煤的突出又会促进整个系统的失稳，可能发生冲击地压，进而发生冲击-突出型复合灾害，沿沟煤矿“11·8”复合灾害就属于这种情况。冲击-突出型复合灾害还经常发生在另一种情况，在突出过程中，破碎煤岩体的抛出形成了较大的空顶面积，则容易导致厚层坚硬顶板发生较大范围的垮断冒落，进而诱发顶板断裂型冲击地压，如图12(b)所示。

4 结 论

(1)随着瓦斯压力的增大，煤样的抗压强度降低，弹性模量减小，峰值应变减小。瓦斯的存在降低了煤岩体自身的能量指标，从而降低了煤岩体的冲击倾向性。

(2)存在一个临界载荷，当煤岩瓦斯系统实际所受载荷超过临界载荷时，系统就会在外界扰动的作用下失稳发生复合灾害。圆形巷道复合灾害的临界煤岩体应力随着巷道周边瓦斯压力的增大而减小，随煤岩体强度的增大而增大，随降模量和弹性模量之比的增大呈现先减小后增大的趋势。

(3)冲击-突出型复合灾害多发生在软硬煤相间或者相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤体的抛出形成较大的空顶面积等情况。突出-冲击型复合灾害多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或者煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况。

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