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 9 Z  d4 D# k! W' R

开挖 : A- @8 L8 I/ M- v

煤巷 * B5 W) v( M- |& k) j. [$ M

7.2m

7.2m 3 y) v) E% o5 `4 l" q

19.5m

顶板 ( {5 t2 p1 d8 @1 u* C+ |; ^! R% O

煤层

底板 2 D/ ?# M8 U3 ?$ t/ d" B& t4 e

& K! A! C$ W  r$ t- U) p

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）。

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

" l4 E5 L! r% @- |5 y# C图3  煤巷放炮掘进步中心剖面的损伤破坏分布

炮掘 , v/ {" T/ g1 V# v9 H

5 f* i' G. S3 ~+ r& x9 z5 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 $ N! f0 p4 d! [4 @# x% |0 U

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 - l6 @" U5 I. y! d% k

- y  X9 h  O1 ]/ z9 ~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 i, R* ~* A: t' {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

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 + C% |/ |. u: @

煤层

底板 8 i4 a+ V7 D1 o

顶板

开挖形成的新煤壁

尚未支护的顶煤 8 y, R$ U! t* ]& I

已支护的顶煤 8 g2 K7 K! \- ?/ z

剪切滑移带 ; P  O4 }; j9 Q. ?7 c

新煤壁前方的破裂区 ! ~# @; f* H7 o

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。