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

煤巷

7.2m ' Q: ]& w/ o. ]8 Q/ W+ d

7.2m

19.5m

頂板 + x5 ]" {& Z" I1 i1 w6 I8 e& n

煤層 ) S2 |. O( z- r9 @) h

底板 0 x/ |0 X. i. H' n

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）。

( n! G7 {* a- u* j3 t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

% E- ~/ v. {+ e- J7 i圖3  煤巷放炮掘進步中心剖面的損傷破壞分布

炮掘 ( Z% l' X  Q5 I5 S) m

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 & ]6 s% B2 ?. p) G" E

/ D  {6 B3 h- ?, E" }6 r1 ]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

* a' R5 l9 s$ O; i9 r' ^! w( n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。

圖8  煤巷放炮掘進前中心剖面的瓦斯壓力分布

炮掘 3 m) c& K4 L2 W2 \2 ]8 f

6 {( ^" o% {* I% g( K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

煤層 & ?. m. k1 r) L

底板 + l" u) Q* K. h- l$ ?( q8 V1 }

頂板

開挖形成的新煤壁

尚未支護的頂煤 5 e. K# C) a( Z+ K8 z

已支護的頂煤 & r6 T6 G0 h0 @) B

剪切滑移帶

新煤壁前方的破裂區 # S9 y( y" |3 h/ g

! Q+ O1 E5 J+ G5 o2 ^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。