劉錫明 王水林 李 堅(jiān) 吳 林 田穎澤

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué)瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

水力掏槽防突中槽硐圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析★

劉錫明1,2王水林1李 堅(jiān)1吳 林1田穎澤1

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué)瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

在分析試驗(yàn)區(qū)水力掏槽措施參數(shù)的基礎(chǔ)上，從槽硐徑向半徑與地應(yīng)力關(guān)系、槽硐徑向半徑與瓦斯內(nèi)力關(guān)系、掏槽深度與應(yīng)力變化關(guān)系、槽硐軸向深度與瓦斯內(nèi)力關(guān)系等角度，深入分析其在突出厚煤層中快速掘進(jìn)的防突機(jī)理，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證了水力掏槽快速掘進(jìn)防突技術(shù)在突出厚煤層應(yīng)用的優(yōu)越性，為突出厚煤層礦區(qū)應(yīng)用該措施提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

水力掏槽，煤與瓦斯突出，掘進(jìn)工作面

1 研究基礎(chǔ)

1)理論基礎(chǔ)。

水力掏槽防突技術(shù)是以“綜合作用假說”[1]為基礎(chǔ)的，針對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理絕大多數(shù)人認(rèn)為是由地應(yīng)力、瓦斯內(nèi)力以及煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合因素作用的結(jié)果。隨周世寧院士與何學(xué)秋博士提出：“含瓦斯煤層是一種流變介質(zhì)”[2]理論后，在“綜合作用假說”中增加了時(shí)間因素。

2)應(yīng)用基礎(chǔ)。

水力掏槽快速掘進(jìn)防突技術(shù)已經(jīng)在河南焦煤集團(tuán)[3]突出厚煤層中試驗(yàn)成功，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得非常大的效益。利用煤科院唐山分院研制的SQBK可控?cái)[動(dòng)液壓水槍，在16 MPa～20 MPa高壓水射流作用下，可在13 min～20 min內(nèi)，在前方煤壁掏出一個(gè)寬0.8 m～1.2 m，高1.2 m～1.7 m，深10 m～32 m的槽硐。

水力掏槽防突技術(shù)的特點(diǎn)：

a.槽硐徑向半徑大；

b.槽硐軸向深度大；

c.掏槽速度快；

d.安全性高。

以下分別從槽硐徑向半徑、軸向深度、掏槽速度與突出因素的關(guān)系進(jìn)行深入分析。

2 槽硐徑向半徑與應(yīng)力關(guān)系

2.1 槽硐徑向半徑與地應(yīng)力關(guān)系

為了便于計(jì)算分析，可把槽硐形狀等效成一個(gè)圓形孔硐?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)不同槽硐半徑對(duì)其周圍煤體卸壓帶影響范圍進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖1所示。

通過曲線擬合，突出煤體內(nèi)槽硐半徑與瓦斯有效排放半徑的關(guān)系為：

(1)

R2=0.994 5

(2)

其中，R1為槽硐等效半徑，m；R2為槽硐周圍煤體瓦斯有效排放半徑，即有效影響半徑，m。

通過等效面積換算，可把矩形槽硐斷面等效成R1≈0.6m的圓形斷面，并由圖1可計(jì)算出，對(duì)應(yīng)槽硐半徑其周圍煤體有效影響半徑(卸壓帶厚度)為R2≈4.3m。根據(jù)槽硐實(shí)際尺寸、槽硐等效半徑、周圍煤體有效影響半徑、巷道斷面尺寸分析槽硐作用范圍，如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，隨槽硐深度加大其周圍煤體徑向影響范圍也隨之變小，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，掏槽前，前方煤體處于應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。高壓水射流掏槽時(shí)，前方煤體在高壓水射流作用下被剝離，并在短時(shí)間內(nèi)形成槽孔，形成槽孔后，周圍煤體在煤體瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下繼續(xù)垮落，使槽孔尺寸繼續(xù)擴(kuò)大，最終形成槽硐。槽硐成型過程即是煤體應(yīng)變過程，也是應(yīng)力重組的過程。槽硐周圍煤體在高壓水射流[4-6]、瓦斯壓力梯度、損傷累計(jì)和弱化[7]的作用下，產(chǎn)生離層、裂隙、彎曲變形，使煤體由彈性介質(zhì)向塑性介質(zhì)轉(zhuǎn)變，并沿徑向擴(kuò)大，即塑性區(qū)域逐漸增大。同理，地應(yīng)力隨煤體性質(zhì)轉(zhuǎn)變逐漸減小，且減小范圍沿徑向向外迅速擴(kuò)展，最終在槽硐周圍形成一定厚度的卸壓保護(hù)帶。

2.2 槽硐徑向半徑與瓦斯內(nèi)力關(guān)系

瓦斯內(nèi)力是突出的關(guān)鍵因素，在煤體固定空間不變的情況下，減小瓦斯內(nèi)力的途徑只能是減少煤體內(nèi)瓦斯含量。在以上掏槽過程中，由槽硐周圍煤體塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大可知，在煤體應(yīng)變過程中，瓦斯迅速向槽硐空間排放，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，掏槽時(shí)和掏槽后的瓦斯排放量可達(dá)掏槽有效影響區(qū)域內(nèi)瓦斯總量50%左右[3]，且排出的噸煤瓦斯量遠(yuǎn)大于原煤瓦斯含量[8]。由此現(xiàn)象可證明，在掏槽時(shí)和掏槽后短時(shí)間內(nèi)，涌出的瓦斯絕大多數(shù)是槽硐周圍煤體裂隙帶賦存瓦斯。由圖1可知，隨槽硐徑向半徑增大槽硐周圍煤體裂隙帶范圍也增大，同時(shí)，該范圍內(nèi)賦存瓦斯涌出量也增加，即周圍煤體瓦斯內(nèi)能逐漸減少，作用在槽硐周圍的瓦斯內(nèi)力也逐漸減小。

2.3 槽硐徑向半徑與瓦斯排放通道的關(guān)系

短時(shí)間內(nèi)瓦斯排放量是減小槽硐周圍煤體瓦斯內(nèi)力的關(guān)鍵，而影響煤體短時(shí)間內(nèi)瓦斯排放量的主要外因是瓦斯排放通道的大小。水力掏槽中瓦斯排放通道是指槽硐及其煤體內(nèi)裂隙，且隨排放通道尺寸增大瓦斯排放阻力減小，短時(shí)間內(nèi)瓦斯排放量增大。

當(dāng)槽硐徑向半徑較大時(shí)，一方面，在煤體瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下垮落下來的煤體，在較大的槽硐空間內(nèi)被持續(xù)排放的瓦斯和水流沖出，瓦斯排放通道保持暢通。另一方面，由圖1可知，隨槽硐尺寸增大周圍煤體影響范圍增大的同時(shí)，卸壓帶中裂隙尺寸也相應(yīng)擴(kuò)大。同理，瓦斯排放阻力減小，且不易堵塞，使瓦斯能夠在短時(shí)間內(nèi)被大量排放。

當(dāng)槽硐徑向半徑較小時(shí)，垮落下來的煤體就會(huì)在槽硐中堆積，縮小槽硐有效斷面面積，同時(shí)卸壓帶中裂隙尺寸也相應(yīng)減小。不但增大瓦斯排放阻力減小瓦斯涌出量，形成“瓶頸效應(yīng)”，且垮落的煤易堵塞通道，阻礙瓦斯排放，形成“瓶塞效應(yīng)”[9]，很難達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)排放大量瓦斯的要求。

3 槽硐軸向深度與應(yīng)力關(guān)系

3.1 掏槽深度與應(yīng)力變化關(guān)系

掏槽過程中，前方煤體在高壓水射流、地應(yīng)力和瓦斯內(nèi)力的作用下垮落、產(chǎn)生裂隙，形成塑性區(qū)域，致使應(yīng)力重組后應(yīng)力集中帶迅速向槽硐軸向前方移動(dòng)。由焦煤礦區(qū)試驗(yàn)可知，槽硐軸向深度一般是10m～32m，且掏槽前槽硐軸向應(yīng)力集中帶是在工作面前方4.5m～6m[3]處。通過試驗(yàn)分析，隨槽硐深度加大其前方煤體影響范圍逐漸縮小，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

3.2 槽硐軸向深度與瓦斯內(nèi)力關(guān)系

通過試驗(yàn)測(cè)定，在整個(gè)掏槽過程中瓦斯涌出量均大于正常涌出量，且峰值后逐漸減小。瓦斯涌出量逐漸減少直接原因是卸壓帶內(nèi)瓦斯通道大、賦存瓦斯解吸量大造成的。掏槽期間、掏槽后瓦斯涌出情況如圖5所示。

瓦斯排放速度與煤體內(nèi)瓦斯內(nèi)能(瓦斯內(nèi)力)變化成反比，即瓦斯排放速度越大，煤體內(nèi)瓦斯內(nèi)能越小。由圖5可知：掏槽前，瓦斯排放量處于穩(wěn)定狀態(tài)；掏槽過程中，前3min～5min內(nèi)，槽硐周圍煤體瓦斯涌出量急劇上升達(dá)到峰值27.28m3/min，而后15min～25min內(nèi)，瓦斯涌出量又迅速下降到掏槽前程度。由此可以推斷，掏槽開始短時(shí)間內(nèi)槽硐就接近應(yīng)力集中帶位置，瓦斯大量涌出，隨槽硐深入，由于影響范圍逐漸減小，煤層透氣性降低，致使瓦斯涌出量也隨之減小，因此，整個(gè)掏槽過程，瓦斯內(nèi)力隨瓦斯涌出量變化呈現(xiàn)先迅速減小后逐漸增大的趨勢(shì)，掏槽后瓦斯內(nèi)力大小逐漸回歸到掏槽前狀態(tài)并趨于平衡。

4 措施與最小卸壓帶厚度關(guān)系

掏槽速度作用有兩個(gè)方面：1)掏槽速度直接決定巷道掘進(jìn)速度，速度快可緩解采掘比例失調(diào)問題；2)掏槽速度是突出條件的外因。根據(jù)煤巷中煤與瓦斯突出的條件[10-12]可知，發(fā)生突出的最小卸壓帶厚度為：

(3)

其中，X0為卸壓帶厚度；m為煤層厚度；A0為側(cè)壓系數(shù)；φ為煤體內(nèi)摩擦角；σT為抗拉強(qiáng)度；σy為地應(yīng)力；σ0為單軸抗壓強(qiáng)度；p為瓦斯壓力；C為煤層或軟分層的粘結(jié)力。

由式(3)可知，煤與瓦斯突出與卸壓帶的厚度有關(guān)，當(dāng)?shù)貞?yīng)力、瓦斯內(nèi)力一定時(shí)，卸壓帶厚度越小，越容易發(fā)生突出，且存在最小臨界值X0。掏槽前，煤體處于動(dòng)態(tài)平衡，卸壓厚度X前>X0；水力掏槽過程中，由槽硐尺寸與地應(yīng)力、瓦斯內(nèi)力關(guān)系可知，卸壓帶厚度隨掏槽深入逐漸減小。掏槽過程和掏槽后瓦斯排放量占到影響區(qū)域內(nèi)瓦斯總量50%左右，說明整個(gè)過程中瓦斯內(nèi)力迅速減小，且瓦斯排放后，煤體在應(yīng)力的作用下體積減小，強(qiáng)度增加，進(jìn)一步加大卸壓帶防護(hù)能力。掏槽過程中，措施突出指標(biāo)效檢超標(biāo)率為4.84%，效檢不突出準(zhǔn)確率為100%[3]，說明雖然卸壓帶厚度逐漸減小，但其厚度X措施>X0。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上水力掏槽技術(shù)分析，結(jié)合礦區(qū)突出厚煤層特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1)由于槽硐尺寸大，致使周圍煤體卸壓半徑達(dá)到4.3m，超過厚煤層下臨界線，且掏槽過程中，瓦斯卸壓帶厚度一直保持X措施>X0，為煤層防突提供防御基礎(chǔ)。

2)掏槽過程中，徑向、軸向應(yīng)力集中帶移動(dòng)速度較快，為槽硐周圍煤體減緩?fù)怀鰬?yīng)力。

3)由于槽硐和卸壓帶裂隙尺寸大，煤體排放瓦斯阻力小，且通道不易堵塞，為瓦斯能在短時(shí)間內(nèi)排放提供條件。

4)由于措施影響范圍大，煤體瓦斯在短時(shí)間內(nèi)排放量大，致使瓦斯內(nèi)力下降和煤體強(qiáng)度增加迅速，為槽硐周圍煤體減小應(yīng)力的同時(shí)增強(qiáng)卸壓帶防御強(qiáng)度。

[1] 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2] 何學(xué)秋.含瓦斯煤巖流變動(dòng)力學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[3] 焦作煤業(yè)集團(tuán)科研所.嚴(yán)重突出煤層快速掘進(jìn)防突技術(shù)研究(研究報(bào)告)[R].2002.

[4] 倪紅堅(jiān)，王瑞和.高壓水射流射孔過程及機(jī)理研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(9)：29-32.

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Stress and strain analysis of surrounding rock of the hole of hydraulic cutting for outburst prevention★

LIU Xi-ming1,2WANG Shui-lin1LI Jian1WU Lin1TIAN Ying-ze1

(1.SchoolofSafetyEngineering,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China; 2.NationalCentralLaboratoryofHydrocarbonGasTransportationPipelineSafety,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

On the basis of parameter analysis of hydraulic cutting of experimental area, the outburst prevention mechanism of rapid excavation in outburst thick coal seam is deeply analyzed from the relationship between radial radius of hole and ground stress, between radial radius of hole and intrinsic gas energy, between cutting depth of hole and stress change, between axial depth of hole and intrinsic gas energy, etc. The superiority of hydraulic cutting technique apply to outburst thick coal seam is verified by data statistic, which provided the theoretical foundation and experience for the measure apply to outburst thick coal seam mining area.

hydraulic cutting， coal and gas outburst， heading face

1009-6825(2014)30-0064-03

2014-08-18★：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：11553090)

劉錫明(1975- )，男，碩士，講師； 王水林(1992- )，男，在讀本科生； 李 堅(jiān)(1992- )，男，在讀本科生； 吳 林(1992- )，男，在讀本科生； 田穎澤(1992- )，男，在讀本科生

TD713

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