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

开挖

煤巷

7.2m 4 o% x) \' B- ~  k

7.2m ! |/ Z2 o& e2 {  C+ e9 M

19.5m ! H8 E; O3 u; ^9 K% z& H/ Z: J6 c

顶板

煤层

底板 9 }6 h% B" u( n; l

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）。

0 h4 f8 H5 l& v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

0 k3 @3 s& u# N& E/ L# Y4 o/ v图3  煤巷放炮掘进步中心剖面的损伤破坏分布

炮掘 7 L. u8 ?3 r9 h$ R! j

1 I. M% B7 f  b, T! M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

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

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

5 s$ u4 M+ O, Z: T5 u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。

) @0 {( J, z) Z图8  煤巷放炮掘进前中心剖面的瓦斯压力分布

炮掘 ; G  D4 t+ @/ ?6 h3 T3 M+ ], N

: {) L7 a. x/ e& w9 w5 Y) Z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

煤层 ) Z0 I9 ~; m3 J# x0 ?) `0 j2 J

底板 9 B9 v8 n, v! V9 z; C

顶板 - q2 R, B9 X3 `

开挖形成的新煤壁 ' v% C- p/ ]4 ?# L. G, ]) [0 i) _

尚未支护的顶煤 / P+ n! ?" V' ]7 F  i" N

已支护的顶煤   `. Y9 u2 V8 }% U  ~

剪切滑移带

新煤壁前方的破裂区 ! X3 J' G+ s9 I( R- F& C

' G" Y, W7 ]$ o3 ~7 e7 b& E2 v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。