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 9 s, [9 ]2 S; u6 D  R

開挖

煤巷 , W: n2 ^$ w2 P

7.2m

7.2m

19.5m

頂板

煤層

底板 - _3 g* a/ |# `

6 W& K1 h0 {4 L3 d' C* A% A2 D0 M% g

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）。

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 9 ?* l" H4 n) K: h: O

圖3  煤巷放炮掘進步中心剖面的損傷破壞分布

炮掘 . F' ?+ K2 o! m. z* k$ P

' C7 [, h$ Z+ \& B! k* U% S) u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

3 N0 ^$ X5 B% }# G9 z7 ]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 ! b3 e6 v4 A6 Q; C3 |9 e; `" w

( A% ~, h3 I9 R) T" K, x3 t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

; q! o; c' f, _+ k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。

4 }7 a( i0 Q( _) M圖8  煤巷放炮掘進前中心剖面的瓦斯壓力分布

炮掘 $ B8 G% A: n- c$ y  Z

8 A# t- ]/ W( L$ Y4 J$ U8 @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 0 b- p% [5 o) n

煤層 1 S  j/ o, k/ t

底板 # E; X5 E1 f6 S1 Y: h" G7 m, Q1 r

頂板 4 C8 {' H/ M" ]+ C0 O5 O# a  x, P

開挖形成的新煤壁 7 e0 F1 ^, N0 R+ a2 l* u8 K

尚未支護的頂煤

已支護的頂煤

剪切滑移帶

新煤壁前方的破裂區

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。