第３７卷第１期重庆大学学报Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１２０１４年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪａｎ．２０１４
ｄｏｉ：１０．１１８３５／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ ５８２Ｘ．２０１４．０１．０１４
煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响
蒋长宝，尹光志，许 江，彭守建，李文璞
（重庆大学ａ．煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；
ｂ．复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆４０００４４）
摘 要：运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”，进行了恒定瓦斯压力和围压条件下，不同原始含水率含瓦斯煤样全应力
应变整个过程中，煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。
关键词：煤与瓦斯突出；含水率；全应力液
收稿日期：２０１３ ０８ ０３
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２０１１ＣＢ２０１２０３）；国家自然科学基金资助项目（５１２０４２１７，５１３７４２５６）；国家科技重大专项资助项目（２０１１ＺＸ０５０３４ ００４，２０１１ＺＸ０５０４０ ００１ ００５）；煤矿灾害动力学与控制
国家重点实验室自主研究课题（２０１１ＤＡ１０５２８７ ＭＳ２０１２１２）；中央高校基本科研业务费资助项目
（ＣＤＪＺＲ１２２４００５４）；
作者简介：蒋长宝（１９８２ ），男，博士，重庆大学副教授，硕士生导师，主要从事采矿工程与安全工程方面的研究，（Ｅ ｍａｉｌ）ｊｃｂ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
ｓｅａｍｓ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｏｒｉｇｉｎａｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｏａｌｓｅａｍｓｉｓ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｒｉｓｋｏｆｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｂｅｃｏｍｅｓ．Ｓｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｏａｌｓｅａｍｃａｎｂｅｔｒｅａｔｅｄａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｊｕｄｇｍｅｎｔｓｏｆｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｃｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔ；ｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ；ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒａｉｎ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｓｏｌｉｄ ｌｉｑｕｉｄ ｇａｓｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｍｉｎｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
煤与瓦斯突出是煤矿井下一种破坏性巨大的动
力灾害，国内外业界人士从煤与瓦斯突出机理［１ ６］、
煤与瓦斯突出预测［７ １３］、煤与瓦斯突出矿井的管
理［１４］、煤与瓦斯突出治理［１５ １８］等方面进行了广泛的
研究。在治理煤与瓦斯突出突出方面：ＤíａｚＡｇｕａｄｏ
和ＧｏｎｚáｌｅｚＮｉｃｉｅｚａ［１５］研究指出可以通过煤层注水
霸气网名大全和开采保护层降低突出煤层的危险性。在煤层注水
治理煤与瓦斯突出的机理方面：蒋承林［１６］通过不同
含水率煤样力学试验和理论分析，认为其是煤层强
度降低，塑性增强，并不是由于水对煤体内的瓦斯的
封堵作用；刘建新等［１７］通过数值模拟的方法研究认
为其是煤层强度降低，塑性增强，瓦斯涌出量降低；
刘明举等［１８］通过现场试验认为煤层注水改变了工
作面前方应力分布，并使煤层瓦斯含量降低。文献
［１６］做不同含水率煤样全应力
应
变过程中的运移规律。采煤现场的煤层都是含瓦斯
状态的，因此有必要进行不同含水率含瓦斯煤样全
应力
应变过程中气体渗流
试验的实验设备不多，笔者利用自主研发的“含瓦斯
煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”，开展了不同
含水率含瓦斯煤样全应力
行全应
应变瓦斯渗流试验。本试验共做了５组，１５个试件，具体情况见表１。
表１ 试验煤样物理参数
翻译英文
煤样含水率／公众号平台登录
％
煤样尺寸／ｍｍ
直径高
干密度／
（ｇ·ｃｍ－３）
１２０４３ＤＲ－１０．００５０．９１００．７１．２５７
１２０４３ＤＲ－２２．４６５１．１１００．７１．２４２
１２０４３ＤＲ－３４．３６５１．１１００．７１．２３２
１２０４３ＺＲ－１０．００５１．１１００．３１．２５９
１２０４３ＺＲ－２２．３０５１．０９９．５１．２６１
１２０４３ＺＲ－３４．４０５１．１９９．６１．２５６
１２０４３ＳＬ－１０．００５１．１１００．９１．１９０
１２０４３ＳＬ－２２．４６５１．１１００．４１．１８６
１２０４３ＳＬ－３４．９２５１．１１０１．４１．１８３
１３０６１ＺＲ－１０．００５１．１１００．９１．２５１
１３０６１ＺＲ－２２．７９５１．０１００．５１．２５７
１３０６１ＺＲ－３４．８４５１．１１０１．７１．２４８
１３０６１ＳＬ－１０．００５１．１１０１．４１．１６９
１３０６１ＳＬ－２２．７３５１．１１０３．８１．１７１
１３０６１ＳＬ－３３．６８５１．１１００．９１．１６８
２ 试验结果及分析
由于５组煤样所得煤样力学特性和瓦斯渗流规律与煤样含水率之间的关系一致，因此仅对１组煤样的试验结果做详细分析。
２．１ 不同含水率含瓦斯煤样力学特性分析
根据试验结果，可以得到恒定瓦斯压力和围压条件下，３种含水率含瓦斯煤样的全应力
应变曲线
从图３可以看出，在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增加，煤样的三轴抗压强度减小，三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大。从表２可以得到煤样含水率从０．００％增加到４．９２％，三轴抗压强度减小了２１．５５％、三轴抗压强度处轴向应变增大了２３．００％、横向应变的绝对值增大了２１．８７％、体积应变的绝对值增大了１７．７８％、弹性模量减小了３７．４４％。表明随着煤样含水率的增大，煤样的强度减小，塑性增强，承受变形的极限增大。在突出准备阶段，破坏煤体的基本动力是弹性潜能释放转化的动能。其能量大小与煤体的弹性有关，煤体弹性越大，工作面附近的弹性潜能越大，工作面突出的危险性越大。随着煤样含水率的增加，煤样的塑性增强。煤样的弹性潜能更多的消耗于煤体缓慢的塑性变形，使煤体内部能量及时消耗、减少能量聚积，避免突然释放。另外，在煤巷掘进的条件下，工作面前方总存在着一个破裂带，破裂带中应力较低，瓦斯易于泄漏，靠近工作面处的部分煤体已经失去突出危险，并且阻碍着后续煤体的突出，这部分失去突出危险的煤体所处的范围就是卸压带。随着瓦斯的泄漏，卸压带的长度是逐渐增加的。一般来说，煤层内破裂带的长度与煤岩的厚度及强度有关［１６］。煤岩的强度越低，破裂带的长度也越大，相应地，卸压带的长度也越大，即工作面前方阻挡有突出危险煤体的卸压带越长，突出就越不易发生。因此，从来力学特性方面来看，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。
表２ １２０４３犛犔煤样试验结果
煤样含水率／
％
三轴抗压
强度／ＭＰａ
三轴抗压强度时
轴向应变／
％
横向应变／减肥的茶
％
体积应变／
％
弹性模量／
ＧＰａ
甲烷有效渗透率／ｍＤ
初始值最小值
三轴抗压
强度时
１２０４３ＳＬ－１０．００１３．９２４６．１６０－３．９３７－１．７１５２．７１９２．６９２１．５１６２．０１９１２０４３ＳＬ－２２．４６１２．７７８６．８２２－４．３７８－１．９３４１．８９４２．４９５１．３０５１．６７５１２０４３ＳＬ－３４．９２１０．９２４７．５７７－４．７９８－２．０２０１．７０１１．８２２０．８６０１．３７８说明：表２中“含水率为０．００％”时的煤样的甲烷有效渗透率即煤样的绝对渗透率，这里看作煤样的甲烷有效渗透率的一种特殊情况。３９
第１期 蒋长宝，等：煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响
本试验中给煤样加水的过程没有改变煤样的原始结构，而在采煤现场给煤层高压注水会改变煤的原始结构。煤层中的裂隙在高压水的作用下进一步张开，煤层的强度降低更多，塑性增强更多。因此，从来力学特性方面来看，经过高压注水后的煤层在开采中更加不易发生煤与瓦斯突出。
２．２ 不同含水率含瓦斯煤样瓦斯渗流分析
根据试验结果，可以得到恒定瓦斯压力、恒定围压时，３种含水率含瓦斯煤样的全应力
应变瓦斯渗流曲线小鱼的尾巴像什么
从图４可以看出，在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增大，在全应力
应变阶段，随着煤层含水率的增加，煤层的瓦斯有效渗透率都是减小的。从瓦斯对煤与瓦斯突出的影响来说，促使发生煤与瓦斯突出的瓦斯能减小了，发生煤与瓦斯突出危险性也随之降低。煤体是否煤与瓦斯突出决定于煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能，初始释放瓦斯膨胀能越大，煤与瓦斯突出越可能发生［１６］。一方面，根据Ф．И．切尔诺夫［１７］提出的假说，煤层里的水通过裂隙、大孔、中孔渐进入过渡孔、微孔中，煤体内吸附瓦斯应该被大部分封存煤体内，这样会使煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能比较小，不易引起煤与瓦斯突出。另一方面，当煤体被开挖后，工作面前方煤层里的游离瓦斯与工作面游离瓦斯存在压力梯度，游离瓦斯会有向工作面流动的趋
势，但由于水进入煤体后，部分孔隙和裂隙被水封堵，这将减小可供游离瓦斯流动的通道，也将会使煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能比较小，不易引起煤与瓦斯突出。因此，从瓦斯在煤层中流动方面来看，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。
本试验给煤样加水过程没有破坏煤样的原始结构，与采煤现场煤层高压注水不一样。在采煤现场煤层高压注水的过程中煤体遭到破裂，裂隙增加，在给煤层高压注水初期，煤层释放的瓦斯反而增加，但在煤层注水后期煤层瓦斯涌出量又会降低［１７ １８］。这是因为给煤层高压注水有两方面的作用，一方面，水对工作面附近的煤层裂隙和孔隙的封堵作用，另一方面，高压注水使煤体裂隙进一步张开，并产生新的裂隙。在给煤层注水初期，高压注水使煤体裂隙进一步张开，并产生新的裂隙的作用占主导地位，引起瓦斯涌出量增大。随着水慢慢进入煤层的孔隙和裂隙后，水对工作面附近的煤层裂隙和孔隙的封堵作用慢慢增大，又使瓦斯涌出量减小。因此，从瓦斯在煤层中流动方面来看，给煤层高压注水不一定会降低决定煤层是否发生煤与瓦斯突出的初始释放瓦斯膨胀能，要具体看高压注水对瓦斯在煤层中流动两方面的影响，孰强孰弱。
综上分析可知，煤层的原始含水率对煤层是否会发生煤与瓦斯突出有重大影响，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。煤层所处井田的地质构造、顶底板岩石的情况和水文地质情况的不同，必将使赋存其中的煤层的含水率不同。因此，笔者认为可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。
３ 结 论
１）在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增加，煤样的三轴抗压强度减小，弹性模量减小，三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大。
２）在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增大，在全应力
４）煤层的原始含水率对煤层是否会发生煤与瓦斯突出有重大影响。煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。参考文献：
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工伤伤残鉴定
ａｇａｉｎｓｔｏｕｔｂｕｒｓｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
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ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅ
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（编辑 郑 洁）
５９
第１期 蒋长宝，等：煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响
