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 5 F6 ~- {9 C9 ~# K5 e9 M9 T

开挖 2 P+ Y6 E3 X# ~6 z

煤巷 + U8 m) o) u* q7 n! v" ^0 J

7.2m ! n! y6 Y  z6 x% q6 Q

7.2m

19.5m 6 }( J1 v& G5 e3 W

顶板

煤层 - s& e: R' p2 J- I

底板

- @! Z2 U1 r7 J8 U& `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）。

& r+ K! G  H6 \. Y9 |7 x2 c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 , Q( ]4 W. [6 W0 i2 L2 J

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 $ L; n- D) N1 _  P* p6 r3 Q6 Y  o

: g! L5 U% k& ?" l* q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 + I1 l, C1 C/ H8 `

( {) y* v8 r  g* @# `& b; j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

3 u" l* {2 U! `( [. E7 ^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 6 ]; ^1 l. U' ?/ L- f! z0 v, H+ P

8 T% X* S& w6 U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 * e- P5 D/ Q# X* I0 l7 n; f

煤层

底板 9 R$ z8 W; S4 J& J5 c

顶板 ' ^- H' Z4 t: B: N

开挖形成的新煤壁

尚未支护的顶煤

已支护的顶煤 " b  K1 }8 a* C6 i5 U

剪切滑移带

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。