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 3 J' Z9 n7 h- X0 T1 X( |7 X( Q* r( E

开挖 5 [' o7 y% K8 _

煤巷

7.2m

7.2m

19.5m - n% h% E" H: g

顶板 8 G" p: x: u& I

煤层 9 l- R9 e5 Z  s3 b% Y  d

底板 ! E( R" M; B5 R. Q

2 O/ \, v( n3 y4 I3 m8 f- k  j) y* G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）。

8 |; p9 r4 f: k  S8 q& Y# y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 ; t- T" w& g3 K7 c1 ~1 ^

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 : b" w6 r1 `& C0 ~5 K9 |+ n9 t9 N

+ L  W  P4 {% y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

  G3 }4 ~5 Z7 f) P( H9 ]% l0 f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

0 G- |$ D1 l& o$ H% W* a- @( a8 l- e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 ; G( t) @9 B0 o( w9 \; J" c4 E

煤层 % U$ G5 `: K0 F- [& u

底板 3 f7 S" |7 y6 P

顶板 ) y2 V* f9 Z" I$ q. L3 N& D  t2 ~

开挖形成的新煤壁 & {; r2 m6 G# g

尚未支护的顶煤 . E: R& `8 k; l" x0 r6 q

已支护的顶煤 1 j  A/ f3 B* @# V8 `: Q9 `' I

剪切滑移带

新煤壁前方的破裂区 9 f2 p7 F. e+ }' |- A

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。