爆破激發(fā)煤瓦斯突出的研究

摘　要　本文分析和探討了爆破激發(fā)煤瓦斯突出的原因。并利用突變理論中的雙尖點(diǎn)突變模型，研究了爆破振動(dòng)對(duì)煤瓦斯突出的誘導(dǎo)，指出當(dāng)擾動(dòng)力幅和擾動(dòng)頻率達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)引起煤體結(jié)構(gòu)振幅的突跳，從而誘發(fā)煤瓦斯突出；擾動(dòng)頻率與煤體結(jié)構(gòu)的自振頻率之比小于是爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的必要條件。
　　關(guān)鍵詞　爆破　煤瓦斯突出　突變理論

COAL GAS OUTBURST INDUCED BY BLASTING

Liu Baoxian　Xian Xuefu　Liu Xinrong
(Chongqing University)
Zhao Shihai
(Chongqing Civil Air Defence Office)

　　Abstract：The reason of coal-gas outburst induced by blasting is analyzed,and how the vibration caused by blasting induces coal-gas outburst has been discussed by means of the model-tip mutation double in mutation theory.It is obtained that when disturbance frequency and amplitude amount to certain value,fierce jump of the amplitude of coal structure will occur,thus coal-gas outburst is induced.The ratio of disturbance frequency to self-vibration frequency of coal structure is below is essential condition of coal-gas outburst induced by vibration caused by blasting.
　　Keywords：Blasting，Coal-gas outburst，Mutation theory

1　引　言

　　煤瓦斯突出，是礦井中的一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，也是威脅煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)重自然災(zāi)害。在我國(guó)，絕大多數(shù)煤瓦斯突出是放炮后發(fā)生的^{〔1〕〔2〕}。造成突出的原因相當(dāng)復(fù)雜，但爆破對(duì)煤瓦斯突出的誘發(fā)是一個(gè)很重要的因素。因此，分析和闡明爆破對(duì)煤與瓦斯突出誘導(dǎo)機(jī)理就尤為重要。

2　煤瓦斯突出激發(fā)和發(fā)展條件

　　實(shí)驗(yàn)研究表明，決定煤和瓦斯突出的因素，只可能存在于煤—巖石—瓦斯體系之中。煤和瓦斯突出，是在地應(yīng)力、包含在煤中的瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用下產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象。其中地應(yīng)力和瓦斯是發(fā)動(dòng)與發(fā)展突出的動(dòng)力，而煤的物理力學(xué)性質(zhì)是阻礙突出發(fā)生的因素。B.B.霍多特^〔1〕研究指出，除了煤層埋藏深度、瓦斯壓力、瓦斯含量、煤的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等明顯的條件外，煤和瓦斯突出的激發(fā)和發(fā)展條件還有：1)外部因素作用于煤層，使巖石或煤層本身的潛能轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐墓Φ乃俣却笥谂R界狀態(tài)(第一類破壞)的發(fā)展速度，因而表現(xiàn)為工作面附近煤層地帶的第二類破壞；2)煤層在高應(yīng)力、高瓦斯壓力和積蓄潛能地帶暴露，使分層中的能量足以破壞該分層和暴露下一個(gè)分層，激起自發(fā)破壞向煤體深處發(fā)展。3)第二類破壞的發(fā)展速度和破碎程度，足以不斷形成瓦斯放散表面和能使煤懸浮的瓦斯流。

3　爆破對(duì)煤瓦斯突出激發(fā)

　　根據(jù)以上的煤瓦斯突出的激發(fā)和發(fā)展條件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和理論分析，可得出爆破對(duì)于煤瓦斯突出的誘導(dǎo)和作用主要表現(xiàn)在：爆破使巷道“瞬間”進(jìn)入深部煤體，四周煤巖的應(yīng)力狀態(tài)突然改變，煤體由三向受力突然改為雙向或單向，煤體強(qiáng)度驟減；深部煤體突然暴露，引起煤體中集聚的高壓瓦斯?jié)撃苎杆俎D(zhuǎn)化和釋放，形成很高的瓦斯壓力梯度和強(qiáng)大的瓦斯流，破壞并拋擲煤體；爆破迫使地應(yīng)力應(yīng)力峰不斷移向煤體內(nèi)部，繼續(xù)破壞深部煤體；爆破瞬間的震動(dòng)能，特別是在煤體內(nèi)反射回來(lái)的拉伸波的波動(dòng)能，對(duì)煤體有極大的破壞作用；由于炸藥爆炸產(chǎn)生許多徑向裂隙，促使了煤瓦斯的解吸，增加了煤體的破碎，并且會(huì)使煤體在突然暴露時(shí)初始釋放的瓦斯膨脹能有所增加；爆破震動(dòng)將明顯減少煤體內(nèi)部層理面之間、煤體與頂?shù)装褰缑骈g的摩擦力。

4　爆破振動(dòng)對(duì)煤瓦斯突出的誘導(dǎo)

　　突變理論是研究失穩(wěn)的有效手段。本節(jié)擬用突變理論對(duì)爆破振動(dòng)誘導(dǎo)煤瓦斯突出進(jìn)行初步探討。

4.1　爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的分析模型

　　試驗(yàn)表明，煤巖體在荷載作用下都表現(xiàn)出不同程度的非線性。將含瓦斯煤體結(jié)構(gòu)看成一非線性振動(dòng)系統(tǒng)，爆破振動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)力假設(shè)是按簡(jiǎn)諧變化的，為Acosω_t，A為振動(dòng)力的力幅，ω為擾動(dòng)頻率，如圖1所示。則煤體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

圖1　爆破振動(dòng)擾動(dòng)煤體結(jié)構(gòu)的分析模型

式中：m為煤體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；阻尼力，在此假設(shè)是速度的線性函數(shù)=μ；f(u)為回復(fù)力，本文為了反映煤體結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的非線性特性，同時(shí)為了讓回復(fù)力—變形曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，設(shè)回復(fù)力與變形有如下關(guān)系：

f(u)=K(u+βu³)　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

所以得

　　　　　　　　　　　　　　　(3)

令　μ/m=2η，K/m=ω²₀，Kβ/m=α,A/m=B
則　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

上式中：ω₀為結(jié)構(gòu)的自振頻率；η為阻尼比；μ為粘滯阻尼系數(shù)；K為結(jié)構(gòu)的彈性剛度；α為結(jié)構(gòu)的非線性系數(shù)，當(dāng)α＞0時(shí)，系統(tǒng)的剛度隨變形的增加而加強(qiáng)，為漸硬彈簧；當(dāng)α=0時(shí)，系統(tǒng)為線性振動(dòng)系統(tǒng)；當(dāng)α＜0時(shí)，系統(tǒng)的柔度隨變化增加而加強(qiáng)，為漸軟彈簧。

4.2　爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的雙尖點(diǎn)突變模型

　　由于外擾動(dòng)是按簡(jiǎn)諧變化的，所以設(shè)式(4)的解為

u=Hcos(ω_t+φ)　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

代入(4)得

　　　　　　　　　　　　(6)

將(6)式展開(kāi)，并略去三次諧波得

　　　　　　　　　　　　　(7)

由式(7)得

　　　　　　　　　　　　　(8)

對(duì)上式作微分同胚變換，可得系統(tǒng)的平衡曲面方程：

X³+pX+q=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)

此式即為標(biāo)準(zhǔn)的尖點(diǎn)突變流形方程^〔3〕。

對(duì)式(9)求導(dǎo)得

3X²+p=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)

對(duì)式(10)求導(dǎo)得

6X=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(11)

由式(9)、(10)、(11)得尖點(diǎn)為(ω₁,A₁)、(ω₂,A₂)

由式(9)、(10)得分歧點(diǎn)集為

4p³+27q²=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)

圖2　爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的雙尖點(diǎn)突變模型

置時(shí)，煤體結(jié)構(gòu)振幅將隨之發(fā)生突跳，從而誘發(fā)煤瓦斯突出。并且，只有p＜0時(shí)，煤體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)才可能成為非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，才有可能發(fā)生煤瓦斯突出，所以：

即：　
　　所以，激擾頻率與煤體結(jié)構(gòu)的自振頻率之比小于是爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的必要條件。

5　結(jié)　論

　　(1)爆破激發(fā)煤瓦斯突出的原因，首先是由于應(yīng)力狀態(tài)的瞬間改變及其引起的煤體強(qiáng)度迅速降低，以及爆破瞬間的震動(dòng)能對(duì)煤體的破壞和爆破震動(dòng)促進(jìn)瓦斯解吸等因素綜合促成煤瓦斯突出條件的成熟。
　　(2)爆破振動(dòng)也是誘導(dǎo)煤瓦斯突出的一個(gè)很重要的因素。
　　(3)當(dāng)擾動(dòng)力幅和擾動(dòng)頻率達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)引起煤體結(jié)構(gòu)振幅的突跳，從而誘發(fā)煤瓦斯突出。
　　(4)擾動(dòng)頻率與煤體結(jié)構(gòu)的自振頻率之比小于是爆破振動(dòng)誘發(fā)煤瓦斯突出的必要條件。

〔作者簡(jiǎn)介〕　劉?？h　重慶大學(xué)博士研究生
　　鮮學(xué)福　重慶大學(xué)教授　博士生導(dǎo)師
　　劉新榮　重慶大學(xué)講師
　　趙世?！≈貞c市人防辦公室工程師　碩士
劉保縣(重慶大學(xué)　400044)
鮮學(xué)福(重慶大學(xué)　400044)
劉新榮(重慶大學(xué)　400044)
趙世海(重慶市人防辦公室　400015))

參考文獻(xiàn)

〔1〕　于不凡，煤和瓦斯突出機(jī)理，北京：煤炭工業(yè)出版社，1985
〔2〕　孫重旭等，炮采炮掘工作面煤與瓦斯突出的特點(diǎn)與防治，煤炭工程師，1998(3)∶19～22
〔3〕　P.T.桑德斯，災(zāi)變理論入門(mén)，上?？茖W(xué)文獻(xiàn)出版社，1983