煤巷掘进突出危险性分析

元计算

煤巷放炮掘进几何模型如图1示，煤层抗拉强度 = 0.6MPa，初始瓦斯压力 = 1.22MPa，地应力为9MPa量级（埋深约360m）。

1.8m´1.8m ( u8 H! \5 r; B

开挖

煤巷

7.2m

7.2m

19.5m 6 s/ {5 ?+ G& y4 W$ F/ U+ d. v

顶板 ( U2 }, k  v6 h! P7 f, t

煤层

底板 % n: \9 l" K4 k+ h& C% R

; R6 ?- j9 w) f

图1  煤巷放炮掘进几何模型（煤巷有支护）

计算参数为

气体：瓦斯粘性系数 ，瓦斯密度

煤层：煤样孔隙率                煤样渗透率

吸附常数

杨氏模量期望值      杨氏模量的Weibell模数

抗剪强度期望值     抗剪强度的Weibell模数

抗拉强度 = 0.6MPa               抗拉强度的Weibell模数

气固耦合：有效应力系数

导出量：渗流特征时间

原始瓦斯含量 ＝22.7kg/m3 ~ 28m3/m3

计算第1到22步为第一阶段，历时9.75´105秒（11.28天），形成初始场，排放瓦斯~6方。第23步时放炮开挖，发生瓦斯突出，煤岩体中心剖面破裂区域如图2~7所示。图中颜色表示破坏标记 的计算值，当 大于+1为拉伸破坏区（包含瓦斯压力的贡献），小于-1为剪切破坏区（与瓦斯压力无关）。

, \' R3 M4 j% ]' Z5 s4 l' j图2  煤巷放炮掘进前中心剖面的损伤破坏分布

（上隅角和正壁面附近煤体破裂最严重，支护前端顶煤有破裂）

炮掘

图3  煤巷放炮掘进步中心剖面的损伤破坏分布

炮掘

图4  煤巷放炮掘进第10非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

（浅到红色为拉伸破裂区，深蓝色为剪切滑移破裂带，向前方和上方发展）

炮掘 * _# o$ [8 g* ?# a

图5  煤巷放炮掘进第20非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

炮掘 ! ]& F& V3 u3 X& X

8 K% r1 w# L  g9 _图6  煤巷放炮掘进第40非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

图7  煤巷放炮掘进第81非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

由图可见，演化到第20非平衡步后，以拉伸破裂为特征的瓦斯突出阵面推进趋缓，剪切滑移带仍在发展。

图8~9为煤巷掘进前和放炮瞬间的瓦斯压力分布。

图8  煤巷放炮掘进前中心剖面的瓦斯压力分布

炮掘 $ J3 E$ i" d7 u$ Q

图9  煤巷放炮掘进步中心剖面的瓦斯压力分布

煤巷放炮掘进时，工作面新煤壁发生明显滑移，在上隅角往里的煤体中形成剪切滑移带，如图10所示。

炮掘 2 a( t$ d, @0 w

煤层 4 E4 }! d0 @' H8 ]

底板 3 i' d% m0 q9 \5 S

顶板 8 T6 s$ }4 n2 `

开挖形成的新煤壁

尚未支护的顶煤 5 j6 I: G1 W4 t" B' a' L! p: w

已支护的顶煤

剪切滑移带 ) w1 R4 w# T" F. Y' Y4 C5 @: P

新煤壁前方的破裂区

: k' u( j$ X2 N; ]  F图10  煤巷放炮掘进第40非平衡步中心剖面的煤岩变形状态

   

自然排放瓦斯11天多，仅释放瓦斯5.6m3。相对于该煤层约18m3/m3的瓦斯含量，排放量还少。计算显示，炮掘进尺已接近原始瓦斯压力区，突出危险性很大。该次煤巷炮掘瓦斯突出粉化煤量约14m3。抛煤速度约为31m/s，突出波超压约20kPa。