金珠鵬， 郭鵬飛， 孫廣義， 黃 夏

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院，哈爾濱 150022;2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著礦井開采深度不斷增加，礦山壓力顯著增大，極易造成煤與瓦斯突出，而沖擊地壓與瓦斯異常涌出現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對生產(chǎn)人員和設備的安全危害極大。國內(nèi)外關于煤與瓦斯突出的研究主要集中在煤與瓦斯突出的成因、機理、危險性評價，突出過程的能量變化及突出對巷道造成的損害等方面[1－2]。由于煤與瓦斯突出形成的沖擊波能量巨大，煤塵與瓦斯的兩相混合關系復雜，以及突出過程中瓦斯?jié)舛?、受力變化監(jiān)測困難等原因，目前，我國乃至世界對煤與瓦斯突出后的災害防控的研究較少，而且煤與瓦斯突出的機理仍處于假說階段，影響因素隨機性又大，要控制其發(fā)生，尚有很大的難度。筆者結合平煤六礦地質(zhì)條件，分析煤與瓦斯突出規(guī)律，并研制一種擋突裝置，通過數(shù)值模擬方法確定擋突裝置最佳安裝位置，以實現(xiàn)將煤與瓦斯突出控制在一定范圍內(nèi)的目的，為煤與瓦斯突出災害的防治提供新的思路和方法。

1 地質(zhì)概況與突出強度分類

1.1 地質(zhì)概況

平煤六礦地質(zhì)構造比較簡單，井田內(nèi)地層出露較差，主要開采煤層為庚20、己16－17、己15、戊9 －10、戊8、丁56和丙3，其中，庚20、己16 －17、己15、戊9－10、戊8、丁56煤層為全區(qū)可采煤層。丁56煤層之上自下而上依次分布有二疊系五(丁)煤段、二疊系六(丙)煤段、二疊系八、九(乙、甲)煤段頂板砂巖孔隙裂隙含水層，二疊系平頂山砂巖孔隙裂隙含水層，三疊系劉家溝組砂巖含水層，第四系松散孔隙含水層。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖和泥巖，老頂為砂質(zhì)泥巖或細～中粒砂巖，局部可見炭質(zhì)泥巖和泥巖，偽頂，開采煤層平均厚度1.66 m。煤層總體走向為 300°，西部轉(zhuǎn)為 270°～280°，傾角5°～20°，多數(shù)為 12°。

1.2 突出強度分類

煤與瓦斯突出是煤礦最嚴重的災害之一。在煤礦地下采掘過程中，煤與瓦斯突出的發(fā)生具有突發(fā)性、破壞性，它能在數(shù)分鐘甚至數(shù)秒內(nèi)，從煤(巖)壁內(nèi)向采掘工作空間突然噴出大量煤(巖)和瓦斯[1]，短時間內(nèi)摧毀井巷設施，破壞礦井通風系統(tǒng)，使井巷充滿瓦斯和煤(巖)拋出物，從而造成人員窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸與火災事故等。

當圍巖內(nèi)部積聚足夠的彈性能時，彈性能瞬間釋放，將煤、巖、瓦斯以極高的速度拋出[2]。按照煤與瓦斯突出的強度可以將突出分為小型、中型、次大型、大型、特大型五類(表1)。

表1 煤與瓦斯突出強度的分類Table 1 Classification of coal and gas outburst intensity

2 煤與瓦斯突出規(guī)律

2.1 采深與突出量的關系

突出次數(shù)和強度隨采掘深度的增加而增加是突出的普遍規(guī)律。結合平煤集團工程項目，對平煤集團所屬主要礦井近年突出災害數(shù)據(jù)進行搜集、整理、分析，得到采深與一次突出煤量、一次突出瓦斯量[3]，如表 2 所示。

表2 突出的次數(shù)、煤和瓦斯統(tǒng)計Table 2 Times，amount of coal and gas outburst statistics

根據(jù)表2，運用LINGO數(shù)值軟件，舍去離散參數(shù)較大的數(shù)據(jù)，采用麥夸特法(Levenberg－Marquardt)和通用全局優(yōu)化算法分別擬合采深與一次突出煤量、一次突出瓦斯量之間的關系，結果如圖1所示。

采深與突出的煤、瓦斯之間的關系擬合公式分別見式(1)、(2)，最佳擬合度分別為 0.957 62、0.899 34。

式中:H——煤礦開采深度，m;

m——一次突出發(fā)生時突出的煤，t;

V——一次突出發(fā)生時突出的瓦斯體積，m3。

由以上分析可知，隨著煤礦開采深度的不斷增加，不僅突出發(fā)生的次數(shù)增多，而且一次突出發(fā)生時突出的煤量和突出的瓦斯量急劇增大。大量的工程實踐表明，相同條件下，地應力較大、構造較復雜的地區(qū)發(fā)生煤與瓦斯突出的次數(shù)較多，突出強度、煤量和瓦斯量較大。

圖1 開采深度與突出煤量及突出瓦斯量的關系曲線Fig.1 Relationship curves between mining depth and coal and gas outburst

2.2 突出強度與煤巖拋出速度的關系

雖然在不同復雜地質(zhì)條件下煤與瓦斯突出發(fā)生的強度、次數(shù)等有很大不同，但基于“突出發(fā)生是彈性能的釋放”這一理論，瓦斯突出強度與煤巖等拋出物的初始拋出速度之間存在著必然的聯(lián)系。前蘇聯(lián)學者杰列佐夫卡做過大量工程實測，實測數(shù)據(jù)[4]如表3所示。

表3 杰列佐夫卡煤層部分突出碎煤拋出的速度Table 3 Data of chealea pertsovka seam outburst coal throwing velocity part

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，運用數(shù)值軟件，采用麥夸特法(Levenberg－Marquardt)和通用全局優(yōu)化算法擬合突出強度與煤巖等拋出物初始拋出速度(v)之間的關系，函數(shù)曲線如圖2所示。其定量關系式見式(3)，擬合度為0.832 94。

式中:m1——突出發(fā)生時拋出物的質(zhì)量，m1=mρ1+Vρ2，t;

ρ1、ρ2——突出固體物和氣體平均密度，kg/m3。

在突出過程中v是一個變量，受巷道空間限制，突出量越大，就需要將突出物拋向更遠位置，需要的動能就越大，碎煤拋出的速度也就越大。

圖2 突出強度與拋出物初始速度的關系曲線Fig.2 Relationship curves of strength and ejectamenta initial velocity

由式(1)～(3)可得到采深與煤與瓦斯突出時突出物拋出速度的關系。由于不同地質(zhì)條件下煤與瓦斯突出的數(shù)量與采深的關系各不相同，因此，該分析具有一定的局限性。

2.3 突出物沿巷道傳播的規(guī)律

碎煤的拋出功就是碎煤拋出時的動能，即

式中:Ek——煤巖的拋出功，J。

碎煤拋出時的動能在突出過程中轉(zhuǎn)換為煤體的破碎功、碎煤在巷道中的移動功，以及突出煤與瓦斯流撞擊巷道壁、支架和其他障礙物的摩擦熱、震動、聲響等能量[5－8]。碎煤在巷道中的移動功是碎煤拋出時動能的一部分，碎煤拋出后移動的路徑越直，途中障礙越少，在巷道中的移動功所占比例就越大[9－10]。在巷道的自由空間，碎煤在巷道中的移動功(A)可大致按下式計算:

式中:s0——移動的距離，m;

m2——移動質(zhì)量，t;

f——碎煤與巷道之間的摩擦因數(shù)，一般取0.5;

α——巷道傾角，研究巷道為平巷，取0°。

假設巷道為寬b、高h的矩形斷面，突出物的堆積坡度為β，突出物堆積密度為ρb，則突出物的移動功可按式(6)進行計算，堆積物示意見圖3。

圖3 突出物堆積示意Fig.3 Schematic diagram of prominent accumulation

突出前，井下巷道空氣流速相對突出氣流的初壓為 0，此時狀態(tài)參數(shù)為空氣壓力 p0、密度 ρ0[9－10];波陣面上的參數(shù)為壓力p1、密度ρ3、氣流速度u1，則有

式中:k——氣體壓縮系數(shù);

c0——聲速，m/s;

v0——沖擊波正面的速度，m/s。

在不考慮其他能量損失時，瓦斯膨脹對空氣介質(zhì)做功應等于突出發(fā)生后瓦斯由于壓力從煤體中解析出來所做的功[11]，即

式中:x'——突出點距波陣面的距離，m;

ps——瓦斯膨脹壓力，MPa;

C1——積分常數(shù)。

聯(lián)立式(4)～(8)，可得在突出沖擊范圍內(nèi)某一位置沖擊波能量:

由上述分析可以看出，煤與瓦斯突出后，產(chǎn)生的煤粉與瓦斯由于具有較高的速度和初壓，迅速膨脹，并以很高的速度沖擊壓縮巷道內(nèi)的空氣，使其壓力、密度和溫度突然升高，緊靠著煤與瓦斯突出分界面的氣體首先受壓，然后這層受壓的氣體又壓縮下一層相鄰的氣體，使下一層氣體壓力升高，層層壓縮，就形成了壓縮波[12－14]。

3 擋突裝置與數(shù)值模擬

3.1 擋突裝置

煤與瓦斯突出的初始速度越大，破壞性、威脅性越大，因此，對煤與瓦斯突出發(fā)生時產(chǎn)生的煤與瓦斯沖擊波進行適當控制，可以減小突出沖擊波的破壞力，最終將煤與瓦斯突出控制在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過大量實驗研究，課題組研制出一種既具備較高的強度、又具備一定的柔性的擋突裝置。

擋突裝置四周由工字鋼組成，構成擋突裝置的整體框架。內(nèi)部以抗壓抗剪強度高不易發(fā)生應力集中的H型鋼為主要材料，設計多個網(wǎng)狀的、不均勻的鋼構架，以形成擋突裝置的泄壓窗口，引導煤與瓦斯分層泄壓，增大沖擊波在流動過程中的摩擦擋力。泄壓窗大小的主要設計原則是，突出沖擊流既能使擋突裝置順利落下，又不會損壞后幾道擋突裝置的結構，最終達到有效泄壓的預期效果。在擋突裝置兩側(cè)依次加蓋防塵網(wǎng)和平行四邊形鋼絲網(wǎng)，增加擋突裝置的整體強度，并在擋突裝置上裝上冷卻劑配合使用(在煤與瓦斯突出發(fā)生后，溫度的降低能夠大大降低突出沖擊波的能量)。

擋突裝置的主體結構如圖4所示，現(xiàn)場安裝效果如圖5所示。

圖4 擋突裝置主體結構Fig.4 Main structure design of blocking arrangement

一般在突出工作面前方適當距離處設置3～5套擋突裝置。當煤與瓦斯突出發(fā)生后，利用沖擊波的沖擊力使擋突裝置依次落下，依靠各道擋突裝置的自身強度和支撐力減小突出沖擊波的破壞力，最終將煤與瓦斯突出控制在一定范圍內(nèi)。在設計擋突裝置時，應在合適的位置分梯次擋突，實現(xiàn)分節(jié)擋突，節(jié)節(jié)抵抗，以減輕突出所造成的人員傷亡及對巷道、設備的損壞，減小事故造成的損失[15]。擋突裝置也應設計一定的泄壓窗，既保證擋突效果又不損壞擋突裝置[16]。

圖5 擋突裝置剖面Fig.5 Profile of WBO

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 流固耦合模型

采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對擋突裝置的結構進行流固耦合強度分析。煤與瓦斯突出發(fā)生后，瓦斯與煤巖組成的流體遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。

質(zhì)量守恒定律:

式中:t——時間，s;

ff——體積力矢量;

ρf——流體密度，kg/m3;

v——流體速度矢量，

τf——剪切力張量，τf=(μ▽·v －p)I+2μe;

p——流體壓力，MPa;

I——損傷張量;

μ——動力黏度，Pa·s;

動量守恒定律:

固體守恒方程可以由牛頓第二定律導出:

式中:ρs——固體密度，kg/m3;

σs——柯西張量;

a——固體域當?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

流體總焓(Htot)方程為

式中:T——二階張量;

λ——導熱系數(shù)，W/(m·K);

SE——能量源項。

采用COMSOL耦合分析分離解法中的單向(one－way)耦合方式對固體結構進行分析，其特點是，不需要耦合流固控制方程，而是按設定順序在同一求解器或不同求解器中分別求解流體控制方程和固體控制方程。在單向耦合分析計算中，耦合交界面的數(shù)據(jù)傳遞是單向的，通過流固交界面(FS Interface)將CFD對流體分析計算的結果傳遞給固體域，待此時刻的收斂達到要求，再進行下一時刻的計算，依次求得最終結果。

3.2.2 關鍵參數(shù)與網(wǎng)絡劃分

由上述分析可知，只有當擋突裝置安裝在適當?shù)奈恢脮r才能發(fā)揮其最佳的擋突效果。為了進一步確定擋突裝置的最佳安裝位置，結合平煤集團天安六礦丁56采區(qū)工作面采深以及式(1)～(9)計算突出發(fā)生的強度和突出時拋出物到達擋突裝置時的速度。并根據(jù)該礦地質(zhì)資料及實驗室測定結果確定該礦巷道巖石力學參數(shù)，則煤巖楊氏模量為2.6×106MPa，泊松比為0.72，平均密度為2 700 kg/m3。

擋突裝置網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation

3.2.3 結果分析

將擋突裝置分別設置在距突出地點8、12、15 m處，通過數(shù)值模擬分析最佳的安裝距離。數(shù)值模擬結果如圖7、8所示。

對比圖7、8可知，當擋突裝置沒有泄壓窗時，擋突裝置的變形和受力自中間開始向四周逐漸降低;隨著安裝距離的減小，擋突裝置受到的應力、發(fā)生的應變逐漸增大;當擋突裝置安裝在距突出地點8 m時，擋突裝置受到的壓力較大，其發(fā)生的應變較大，且足以使擋突裝置的整體擋突性能遭到破壞;當擋突裝置安裝在距突出地點15 m時，擋突裝置整體性能受到的影響較小，但擋突效果急劇降低，未能充分發(fā)揮擋突裝置的擋突優(yōu)勢。因此，當擋突裝置安裝

4 結論

圖7 不同安裝距離時的應力分布Fig.7 Stress distribution of different installation distance

圖8 不同安裝距離時的應變情況Fig.8 Strain of different installation distance

在距突出地點12 m時較為合適。為減小擋突裝置的整體變形、增大擋突裝置強度、避免擋突裝置因局部失效帶來的整體失效，在擋突裝置的中部加設工字鋼梁或加厚鋼板，利用特殊材料提高H型鋼腹板的強度，從而提升擋突裝置的整體性能。

(1)平煤六礦采深與煤與瓦斯突出強度、拋出物拋出速度和沿巷道傳播規(guī)律之間存在著非線性關系。

(2)為減小煤與瓦斯突出造成的生命財產(chǎn)損失，研制一種新?lián)跬谎b置。擋突裝置的合理安裝位置為距突出地點12 m處。

(3)利用擋突裝置可將煤與瓦斯突出影響范圍封閉在一定區(qū)域內(nèi)。該裝置的研究不僅為煤與瓦斯突出災害的防治提出了新的思路和方法，而且對煤礦透水災害的防治具有一定的參考價值。

[1]張靈華.采掘工作面煤與瓦斯突出防控技術研究[D].淮南:安徽理工大學，2010.

[2]程五一，劉曉宇，王魁軍，等.煤與瓦斯突出沖擊波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律的研究[J].煤炭學報，2004，29(1):57－60.

[3]程衛(wèi)民，王 剛，張 睿，等.煤與瓦斯突出形成沖擊波的災變損害[D].青島:山東科技大學，2008:61－65.

[4]文光才.煤與瓦斯突出能量的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30(6):1－9.

[5]孫振武，代 進，楊春苗，等.礦山井巷和采場沖擊地壓危險性的彈性能判據(jù)[J].煤炭學報，2007，32(8):794－798.

[6]孫 葉，譚成軒，孫煒鋒，等.煤瓦斯突出研究現(xiàn)狀及其研究方向探討[J].地質(zhì)力學學報，2008，14(2):117－133.

[7]孫東玲，胡千庭，苗法田.煤與瓦斯突出過程中煤－瓦斯兩相流的運動狀態(tài)[J].煤炭學報，2012，37(3):452－458.

[8]胡千庭，趙旭生.中國煤與瓦斯突出事故現(xiàn)狀及其預防的對策建議[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39(5):1－6.

[9]馮 彬，周愛桃，徐新華，等.煤與瓦斯突出強度與沖擊波超壓關系研究[J].礦業(yè)工程研究，2011，26(2):22－26.

[10]郝 宇.煤與瓦斯突出沿井巷傳播規(guī)律研究[J].煤炭技術，2009，28(11):74－76.

[11]劉澤華，任新鋒，時文杰.煤與瓦斯突出拋擲物密度實測[J].陜西煤炭，2009(1):63－64，71.

[12]張春華，劉澤功，李堯斌，等.深部礦井煤與瓦斯突出特性數(shù)值模擬研究[J].煤炭科學技術，2009，37(8):49－52.

[13]王路軍，李守國，高 坤，等.關于煤與瓦斯突出的數(shù)值模擬[J].煤炭安全，2008(10):4－6.

[14]顏愛華，徐 濤.煤與瓦斯突出的物理模擬和數(shù)值模擬研究[J].中國安全科學學報，2008，18(9):37－42.

[15]李利萍，潘一山.煤與瓦斯突出瓦斯射流數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術大學學報，2007，26(S1):98－100.

[16]程衛(wèi)民，王 剛，周 剛，等.煤與瓦斯突出后對防突風門破壞的數(shù)值模擬[J].重慶大學學報，2009，32(3):314－318.