煤巷掘進突出危險性分析

元計算

煤巷放炮掘進幾何模型如圖1示，煤層抗拉強度 = 0.6MPa，初始瓦斯壓力 = 1.22MPa，地應力為9MPa量級（埋深約360m）。

1.8m´1.8m

開挖 * ]/ @( q: n* R! B3 x& I% \9 _

煤巷

7.2m # _, c; O' p+ I* {; V* Y

7.2m $ C+ ~, J( b) ]6 `5 M6 @0 [/ h

19.5m / a- a* |/ }0 o$ W( v; o& ?. U

頂板 / \' |* ?1 }9 |  L

煤層 8 m! z9 a' K9 \% l

底板

; a2 \' R1 t! X

圖1  煤巷放炮掘進幾何模型（煤巷有支護）

計算參數為

氣體：瓦斯粘性系數 ，瓦斯密度

煤層：煤樣孔隙率                煤樣滲透率

吸附常數

楊氏模量期望值      楊氏模量的Weibell模數

抗剪強度期望值     抗剪強度的Weibell模數

抗拉強度 = 0.6MPa               抗拉強度的Weibell模數

氣固耦合：有效應力系數

導出量：滲流特征時間

原始瓦斯含量 ＝22.7kg/m3 ~ 28m3/m3

計算第1到22步為第一階段，歷時9.75´105秒（11.28天），形成初始場，排放瓦斯~6方。第23步時放炮開挖，發生瓦斯突出，煤巖體中心剖面破裂區域如圖2~7所示。圖中顏色表示破壞標記 的計算值，當 大于+1為拉伸破壞區（包含瓦斯壓力的貢獻），小于-1為剪切破壞區（與瓦斯壓力無關）。

' W$ q  X5 n# F9 u8 b( g- v; ~圖2  煤巷放炮掘進前中心剖面的損傷破壞分布

（上隅角和正壁面附近煤體破裂最嚴重，支護前端頂煤有破裂）

炮掘

( I0 w# {" Y( `! v* @圖3  煤巷放炮掘進步中心剖面的損傷破壞分布

炮掘

5 z8 Q& v5 L" J7 v圖4  煤巷放炮掘進第10非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

（淺到紅色為拉伸破裂區，深藍色為剪切滑移破裂帶，向前方和上方發展）

炮掘

. h; r! W6 [6 J8 x" V8 a- H! K圖5  煤巷放炮掘進第20非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

炮掘

圖6  煤巷放炮掘進第40非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

- U$ }: ?( E9 z/ B' b* l& A: d; ~圖7  煤巷放炮掘進第81非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

由圖可見，演化到第20非平衡步后，以拉伸破裂為特征的瓦斯突出陣面推進趨緩，剪切滑移帶仍在發展。

圖8~9為煤巷掘進前和放炮瞬間的瓦斯壓力分布。

. }! ^: `+ b! H4 N+ u圖8  煤巷放炮掘進前中心剖面的瓦斯壓力分布

炮掘 / n  ~# D' z9 [* v% J( [& `

圖9  煤巷放炮掘進步中心剖面的瓦斯壓力分布

煤巷放炮掘進時，工作面新煤壁發生明顯滑移，在上隅角往里的煤體中形成剪切滑移帶，如圖10所示。

炮掘 6 V1 A' D! h( q1 U3 P

煤層 ' y6 b2 h+ w# Z8 d. Y( e

底板

頂板 7 ~! B$ }+ h. V$ d4 Z# u+ i8 ^

開挖形成的新煤壁 2 H) i/ ]& k: A1 k7 M$ u' t3 q, D

尚未支護的頂煤

已支護的頂煤 ) _) M' v: v# ^4 f

剪切滑移帶 ; T) i: s$ e6 g$ v  T

新煤壁前方的破裂區 : @9 C" j7 _; ?5 L5 ~3 `

圖10  煤巷放炮掘進第40非平衡步中心剖面的煤巖變形狀態

   

自然排放瓦斯11天多，僅釋放瓦斯5.6m3。相對于該煤層約18m3/m3的瓦斯含量，排放量還少。計算顯示，炮掘進尺已接近原始瓦斯壓力區，突出危險性很大。該次煤巷炮掘瓦斯突出粉化煤量約14m3。拋煤速度約為31m/s，突出波超壓約20kPa。