劉錫明,　周　靜,　武立斌

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022;2.雙鴨山建龍集團 建龍礦業(yè)有限公司, 黑龍江 雙鴨山 155100)

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突出煤層槽硐周圍煤體的應(yīng)力與應(yīng)變

劉錫明1,周靜1,武立斌2

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022;2.雙鴨山建龍集團 建龍礦業(yè)有限公司, 黑龍江 雙鴨山 155100)

為研究水力掏槽技術(shù)在突出煤層中實現(xiàn)快速掘進，分析槽硐周圍煤巖的應(yīng)力與應(yīng)變、煤體彈性模量與豎固性系數(shù)的關(guān)系。利用ANSYS有限元軟件建立水力掏槽槽硐數(shù)值模型,分析槽硐橫向、豎向剖面周圍煤巖體應(yīng)力、應(yīng)變云圖。結(jié)果表明:槽硐周圍煤體在應(yīng)力重組作用下,徑向、軸向應(yīng)力集中帶均向深部移動;距離槽硐不同位置測點,煤體應(yīng)力、應(yīng)變均呈規(guī)律性變化;同一剖面上距離槽硐中心徑向距離越大,煤巖位移量、應(yīng)變、應(yīng)力變化越小;距離槽口軸向距離越大,煤巖位移量、應(yīng)變、應(yīng)力變化越大,但是超過一定距離后,又逐漸減小?，F(xiàn)場實驗結(jié)果驗證了理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

突出煤層; 水力掏槽; 應(yīng)力; 應(yīng)變

0　引　言

水力掏槽技術(shù)是利用高壓水射流連續(xù)破碎煤體、釋放大量瓦斯、改善煤體應(yīng)力狀態(tài)實現(xiàn)防突的新技術(shù)[1]。該技術(shù)在焦作煤業(yè)集團的應(yīng)用取得了十分顯著的效果[2-4]。截至目前,眾多學(xué)者對水力掏槽技術(shù)在突出煤層中快速卸壓防突的機理作了研究,但均未給出詳細、明確的解釋。若要更好地利用水力掏槽技術(shù),需深入分析水力掏槽防突機理、槽硐尺寸與煤層賦存的關(guān)系、槽硐周圍煤巖應(yīng)力與應(yīng)變變化等。為此，筆者從理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗三方面分析槽硐對周圍煤巖應(yīng)力、應(yīng)變的影響。

1　理論分析

1.1應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

實施水力掏槽措施后,槽硐周圍煤巖承受的三向平衡應(yīng)力受到破壞,應(yīng)力重新分布,集中應(yīng)力帶向煤體深部及兩側(cè)推移,導(dǎo)致工作面附近煤體和頂板分別在水平方向與垂直方向發(fā)生較大位移。取槽硐周圍測點到深部不動點之間煤體作為實驗煤柱。掏槽過程中煤柱深部一端不動,測點一端向槽硐移動。這一過程可假設(shè)為:深部端點不動,測點一端向深部壓縮,壓縮量與測點向槽硐移動位移量相等。對煤體進行均質(zhì)同性彈性假設(shè),應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律:

σ=ε×E,

(1)

式中:σ——煤的應(yīng)力,MPa;

ε——煤的應(yīng)變;

E——彈性模量,MPa。

通過現(xiàn)場實驗,測定測點應(yīng)變值ε,帶入式(1)可計算出該點應(yīng)力變化。結(jié)合煤體的應(yīng)力與應(yīng)變曲線(應(yīng)力變化用應(yīng)力變化值與煤體的最大抗壓強度的比值來表示,即Δσ/Δσmax)來確定槽硐周圍的塑性破壞區(qū),以考察水力掏槽的卸壓效果[5]。具體判斷方法為:認為破裂自周邊向煤體內(nèi)部發(fā)展,如果掏槽2 h后[1],煤體應(yīng)力變化達到抗壓強度,為進入塑性破壞階段的煤體,包括這些煤體的區(qū)域即為卸壓區(qū);未達到抗壓強度的煤體處于彈性狀態(tài)。1.2煤體彈性模量與堅固性系數(shù)的關(guān)系

對于突出危險性煤體,測定彈性模量E是非常困難的。根據(jù)文獻[6]煤巖彈性模量E與單軸抗壓強度σc之間的關(guān)系可以較好地擬合成曲線,即

(2)

而煤體單軸抗壓強度σc與煤的堅固性系數(shù)f之間的關(guān)系又可表示為

σc=10f,

(3)

將式(3)代入式(2)得

E=3 980f1.49。

(4)

2　數(shù)值模擬

2.1槽硐周圍煤巖體參數(shù)

以黑龍江省某煤礦30#煤層為例,研究水力掏槽槽硐周圍煤體的應(yīng)力應(yīng)變。該煤層地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件簡單,平均厚度15 m,采深100 m,瓦斯質(zhì)量體積為16.06 m3/t,主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。煤層上覆巖土層厚度分別為黃土層10 m、礫石層30 m、石灰系層15 m、灰?guī)r層30 m。

表1　煤層主要力學(xué)參數(shù)Table 1　Main mechanical parameters of coal seam

2.2有限元模型

2.2.1模型尺寸

實際水力掏槽的尺寸為寬1.0 m、高1.5 m、深20.0 m。為完整分析槽硐周圍煤體應(yīng)力、應(yīng)變,模型尺寸設(shè)為長40 m、寬30 m、高100 m。由于模型是對稱圖形,為節(jié)約分析運算時間,將模型從槽硐中間豎直平分,文中僅分析二分之一網(wǎng)格模型。

2.2.2邊界條件

(1)位移邊界條件

模型尺寸較大,可充分分析槽硐上部和水平方向煤體應(yīng)力、應(yīng)變。由于槽硐位于煤層中下部位置,對下部煤體的影響較小,故不予考慮。設(shè)定上邊界和槽硐周圍為自由面,Ux≠0,Uy≠0,即上邊界、水平方向沒有位移約束;下邊界取Ux=Uy=0,即為全約束條件。

(2)應(yīng)力邊界條件

由于地應(yīng)力遠大于瓦斯內(nèi)力,故在模型上施加載荷時僅考慮上覆巖層自重應(yīng)力。模型上部應(yīng)力邊界相當于上覆巖層自重應(yīng)力G,G=ΣρgH,其中,ρ為上覆巖層密度,g為重力加速度,H為巖層厚度。

2.2.3網(wǎng)格劃分

煤層和巖層均為非線性材料,則物理模型單元選為186[7-8]。根據(jù)煤巖層參數(shù)、槽硐尺寸、邊界條件建立數(shù)值幾何模型,定義材料屬性,并進行網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖1所示。

圖1　模型網(wǎng)格劃分Fig. 1　Mesh generation of model

2.3結(jié)果分析

先后對數(shù)值模型進行煤巖重力加載和煤層中瓦斯內(nèi)力加載,并進行受力分析[9-11]。槽硐軸向應(yīng)力、應(yīng)變剖面如圖2、3所示;槽硐徑向應(yīng)變、應(yīng)力剖面如圖4、5所示。

圖2　槽硐軸向x、y、z三向應(yīng)力云圖Fig. 2　Axial x、y、z direction stress nephogram of hole

圖3　槽硐軸向應(yīng)變及等效應(yīng)力云圖Fig. 3　Axial strain and equivalent stress nephogram of hole

圖4　槽硐徑向應(yīng)變及等效應(yīng)力云圖Fig. 4　Radial strain and equivalent stress nephogram of hole

由圖2、5可以看出,槽硐徑向應(yīng)力最小,軸向應(yīng)力最大。說明徑向煤巖塑性范圍比軸向大,即卸壓范圍徑向大于軸向;同時說明應(yīng)力重組動態(tài)平衡后,槽硐軸向深部易形成應(yīng)力集中帶。軸向應(yīng)力剖面圖中,x、y方向應(yīng)力均大于z向應(yīng)力,說明槽硐z向煤巖受到煤巖重力和瓦斯內(nèi)力較大。

由圖3、4可以看出,y方向應(yīng)變大于x方向應(yīng)變。說明由于受煤巖自重和瓦斯內(nèi)力作用,槽硐上部煤巖應(yīng)變較大,即塑性區(qū)上部范圍大于水平方向范圍。

圖5　槽硐徑向x、y、z三向應(yīng)力云圖Fig. 5　Radial x、y、z direction stress nephogram of hole

3　現(xiàn)場實驗

水力掏槽措施實施后,槽硐逐漸收縮,主要表現(xiàn)為兩幫煤體趨向合攏明顯,且位移量隨煤的堅固性系數(shù)f減小而增大。實驗以巷道壁為基準,分別設(shè)計測孔和測點,掏槽前,在掘進工作面上距離巷道壁1 m左右范圍內(nèi),打鉆掏出多個測孔,并在各個測孔內(nèi)距離槽口4.5、6.0、7.0、8.0、10.0 m處安設(shè)位移計,然后掏槽并在槽硐形成120 min后,即應(yīng)力重組完成后,分析測孔內(nèi)位移計的數(shù)據(jù),計算位移量、應(yīng)變ε、σ/(γH)及σ/σmax。實驗測定結(jié)果如圖6、7所示。

圖6　距槽硐口不同位置徑向剖面上不同測點的位移量與應(yīng)變Fig. 6　Displacement and strain of different point in radialsection of different position from hole entrance

圖7　距槽硐口不同位置徑向剖面上不同測點的σ/(γH)、σ/σmaxFig. 7　σ/(γH) and σ/σmax of different point in radialsection of different position from hole entrance

由現(xiàn)場測定結(jié)果可知,槽硐周圍煤體在徑向上位移量、應(yīng)變ε、σ/(γH)及σ/σmax四個參數(shù)均隨測點距槽硐中心位置距離增大而減小;在槽硐軸向上四個參數(shù)基本上隨距槽口距離減小而增大。現(xiàn)場實驗、理論分析與ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

4　結(jié)　論

(1)掏槽后槽硐周圍煤體在應(yīng)力重組作用下,徑向、軸向應(yīng)力集中帶都向深部移動。

(2)槽硐不同位置徑向、軸向剖面上,不同測點煤巖位移量、應(yīng)變、應(yīng)力呈規(guī)律變化:同一剖面上距離槽硐中心徑向距離越大,煤巖位移量、應(yīng)變、應(yīng)力變化越小;距離槽口軸向距離越大,煤巖位移量、應(yīng)變、應(yīng)力變化越大,但是超過一定距離后,又逐漸減小。

(3)現(xiàn)場實驗與理論分析、ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

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(編輯荀海鑫)

Stress and strain observed in coal body around slots produced by hydraulic cutting technology in outburst coal seams

LIUXiming1,ZHOUJing1,WULibin2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.Jianlong Group of Shuangyashan, Jianlong Mining Co.Ltd., Shuangyashan 155100, China)

This paper is meant to investigate the mechanism behind the outburst protection using hydraulic cutting technology, as is required for more rapid excavation in outburst coal seam. The specific investigation is best attained by analyzing the relationship between stress and strain, and between elastic modulus of coal and consistent coefficient; developing the numerical model for the holes produced by hydraulic cutting technology using ANSYS finite element software; and analyzing the law underlying the change in the stress and strain occurring in the coal and rock mass around the transverse and vertical sections of holes. The results show that under the action of recombined stress induced by cutting, coal body around is exposed to the radial and axial stress concentrated zone moving to deeper place; a larger radial distance from the hole center on the same profile means a smaller change in the displacement, strain, and stress observed in coal and rock, of the coal; and a larger axial distance from the hole entrance implies a bigger displacement, strain, and stress occurring in coal and rock, which tends to decrease gradually beyond a certain distance. Field experimental results verify the accuracy of theoretical analysis and numerical simulation.

outburst coal seam; hydraulic cutting; stress; strain

2014-11-10

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11553090)

劉錫明(1975-)，男，河北省滄縣人，講師，碩士，研究方向：煤層氣綜合利用、礦山安全，E-mail：lxming-2003@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.001

TD713

2095-7262(2015)01-0001-05

A