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 - e1 ?# @7 r2 K" r! \

开挖

煤巷

7.2m

7.2m

19.5m : f8 r0 W/ y, \, e$ b4 q3 a# Z; ?

顶板 # v5 m+ h- O# [3 [: K/ i

煤层

底板   i( Q4 \; y6 X5 h6 r" Z

) q$ H' A' a6 Z$ x$ G& N& }' @& ]

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）。

! @  \/ x3 \; A% q# N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 6 L( t. V9 a5 Y/ R  ]4 h

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 7 N( O; G" T. ~5 M" M

8 l) _8 Y/ x9 ]: f% K" G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

& f7 X$ A$ u$ s, y4 \+ k& q; O- ^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

6 Q5 B; y, `5 N2 b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。

! T+ ^) f* _6 U! Z图8  煤巷放炮掘进前中心剖面的瓦斯压力分布

炮掘

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 8 J; t( i' G  g  w. ]

底板 9 ~) i2 V9 b4 y4 A6 K

顶板

开挖形成的新煤壁

尚未支护的顶煤 & L& h8 @7 V7 s$ q% k( @/ Q9 B

已支护的顶煤 ! ]0 F% D* b) l. Y; i

剪切滑移带 ; j6 c9 j8 q/ H# Z! y2 f

新煤壁前方的破裂区

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。