卸压槽防突措施模拟施验研究.pdf

第 23 卷 第 22期 岩石力学与工程学报 23223790～3793 2004年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.， 2004 2003 年 9 月 19 日收到初稿，2003 年 11 月 13 日收到修改稿。 作者 蔡成功 简介男， 43 岁，硕士，1983 年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专业，现为高级工程师，主要从事煤与瓦斯突出方面的研究工作。 卸压槽防突措施模拟试验研究 蔡成功 河南理工大学资源与材料工程系 焦作 454159 摘要 通过模型简化，建立了卸压槽数值模拟力学模型，模拟了多个技术方案的卸压槽开挖，得出了开挖卸压槽 后煤体位移、破坏模式及合理的技术方案。在数值分析基础上，设计研制了开挖连续卸压槽装置，并在井下进行 了实际开挖试验。数值分析和开挖试验表明，卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，合理的槽型为两帮竖槽。 关键词 采矿工程，煤与瓦斯突出，卸压槽，数值模拟，防突措施 分类号 TD 713.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200422-3790-04 SIMULATION AND TESTING STUDY ON OUTBURST PREVENTION MEASURE OF PRESSURE-RELIEF SLOTS Cai Chenggong Department of Resource and Material Engineering，Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454159 China Abstract Base on simplified model，a mechanical model is established to simulate cutting pressure-relief slots. The numerical simulation on multiple schemes is conducted. Coal seam displacements，failure mode and reasonable technical scheme are obtained. A device of cutting pressure-relief slots is designed according to the results， and cutting test is conducted in mining survey. Simulation and cutting test results show that pressure- relief slots efficiently relieves stress and drains out gas and the reasonable shape of pressure-relief slots is two-side slots. Key words mining engineering，coal and gas outbursts，pressure-relief slot，numerical simulation，outburst prevention measure 1 引 言 煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的严重自 然灾害之一，严重威胁着煤矿的生产安全。为了有 效防治突出，国内外研究提出了超前钻孔、松动爆 破、水力冲孔等各种防突措施，取得了一定的防突 效果，但各种措施不仅工程量大，严重制约掘进速 度，而且无一例外的是，在采取了防突措施后，都 发生过突出事故。同时，目前煤巷掘进应用的各种 防突措施大多是针对炮掘工艺提出的，与机掘工艺 不相适应。卸压槽防突措施尽管其对煤体卸压和排 放瓦斯效果充分，但由于无专用开挖装备，所以一 直未得到广泛应用。综掘机掘进工艺为开挖卸压槽 提供了技术途径。因此，研究利用掘进机自身动力 驱动和控制的开挖卸压槽装备、工艺及其防突作用 机理，无论是对有效防治煤与瓦斯突出，还是对提 高矿井机械化水平和经济效益，都具有重要的现实 意义，对煤与瓦斯突出机理的研究也有所稗益[1]。 2 卸压槽开挖方法 为了开挖连续卸压槽，针对 ELMA 煤巷掘进机 研制了专用开槽装置图 1。装置外径 140 mm，长 第 23卷 第 22期 蔡成功. 卸压槽防突措施模拟试验研究 3791 1 700 mm，截割部长 700 mm，为提高实用性，采 用等强度梁原理设计，同时对截割头及中心钻进行 了改造。开挖卸压槽时，卸下中心钻，将开槽装置 直接插入截割头中心孔内，用固定螺栓固定，利用 掘进机自身动力进行卸压槽开挖。掘进和开挖卸压 槽掘进机工作状态见图 2。 1端头 2截齿 3螺旋叶片 4固定键 图 1 开槽装置 Fig.1 Cutting device of pressure-relief slots a 掘进时工作状态 b 开挖卸压槽时工作状态 1中心钻 2截割头 3掘进机 4开槽装置 图 2 掘进和开挖卸压槽时掘进机工作状态 Fig.2 Operation conditions of roadheader at tunneling and cutting pressure-relief slots 3 卸压槽合理参数的数值模拟 3.1 模拟范围及力学参数确定 3.1.1 模型简化 掘进工作面煤体处于 3 向应力状态，开挖卸压 槽后其位移主要表现为槽的水平和垂直位移，沿巷 道掘进方向变形相对较小[1]。同时，大量突出事例 表明，突出前工作面煤体一般无大变形发生，可 以认为突出前煤体处于线弹性小变形状态[2 ，3]。 因 此，本文将开挖卸压槽时的工作面煤体简化为已知 初始应力场条件下模拟开挖的平面应变问题。 3.1.2 数值模拟范围 掘进巷道宽 3.5 m，高 2.5 m，取巷道尺寸的 6 倍作为模拟范围[4]，即取宽 21 m，高 15 m。根据对 称性，取模拟范围的一半，即宽 10.5 m，高 15 m。 3.1.3 力学参数 试验地点为焦作煤业集团九里山矿 13081 工作 面，煤层厚 5.86 m，有严重煤与瓦斯突出危险。煤 层顶、底板均为砂岩，岩层力学性质见表 1。 表1 数值模拟力学参数 Table 1 Mechanical parameter for numerical simulation 粘聚力 c/MPa 内摩擦角 ϕ / 层别 弹性 模量 /MPa 抗压 强度 /MPa 初始 残余 抗拉强度 /MPa 初始 残余 泊松比 密度 γ /gcm －3 砂岩 10 000 36.00 5.4004.380 01.50 45.0 39.00 0.27 2.65 煤 1 400 4.36 0.4330.346 40.36 32.6 26.08 0.30 1.45 3.2 力学模型及边界条件 图 3 为力学模型。AB 边为巷道中心，只有垂直 位移，无水平位移；当模型取“足够大”时，CD 边也只有垂直位移，无水平位移；而底部 BC 边简 化为固定边；顶部 AD 边因砂岩顶板较好，可以认 为在卸压槽开挖前后应力无变化，只有位移的变化， 于是，此边作为作用外载荷的自由边，将地层应力 作为外载荷作用于此边上。 图 3 数值模拟力学模型及单元划分 Fig.3 Mechanical model and meshing for numerical simulation 3.3 模拟开挖方案 开挖方案如图 4，分别模拟开挖水平槽、中央 竖槽、两帮竖槽、组合槽 4 个技术方案，实际计算 取一半。开挖卸压槽宽度为 150 mm。 a 水平槽 b 中央竖槽 c 两帮竖槽 d 组合槽 图 4 模拟开挖方案 Fig.4 Simulation of cutting schemes P0 D A C B 砂岩 砂岩 煤层 巷道 卸压槽 1 700 mm 700 mm 1 2 3 4 1 2 3 3 2 4 3792 岩石力学与工程学报 2004年 3.4 数值方法 采用 NCAP-2D 非线性弹塑性有限元分析程序 进行数值模拟分析。离散化见图 3，在巷道断面位 置单元加密。模拟分 2 步，首先计算原岩应力场， 然后进行模拟开挖。 3.5 数值模拟结果及分析 3.5.1 塑性区范围及破坏形式 就塑性区范围而言，组合槽的塑性区范围最大 图 5，其次为两帮竖槽，水平槽和中央竖槽的塑性 区范围小，且控制巷道两帮范围明显不足。 a 水平槽 b 中央竖槽 c 两帮竖槽 d 组合槽 图 5 卸压槽塑性区范围 Fig.5 Plastic zone of pressure-relief slots 开挖水平槽后，在槽顶底部出现拉应力拉裂破 坏区，往外为压应力剪切破坏区，且破坏区主要沿 槽的两角方向发展；中央竖槽大部分塑性区呈剪切 破坏，仅有槽外侧中部煤体个别单元发生拉应力破 坏；两帮竖槽槽外侧塑性区形态与中央竖槽基本相 似，但由于开两条竖槽，两槽中间煤体发生塑性破 坏，因此塑性区范围较中央竖槽大得多；开挖组合 槽后，水平槽上、下方，竖槽右侧多个单元煤体发 生拉应力拉裂破坏，拉应力破坏区范围在各种槽形 中是最大的， 并出现多种破坏形式， 外为剪切破坏。 所有的拉应力破坏几乎均发生在煤层内。 3.5.2 开槽后卸压槽周围煤、岩体变形 开槽后，巷道顶、底板煤岩层位移模式为顶板 下沉和底板鼓起图 6。由图6 可以看出，组合槽的 位移量最大，明显大于其他 3 种槽形，最大顶板下 沉量达 77 mm，已发生塑性破坏，最大底鼓量达 25 mm， 也是各种槽形中最大的； 水平槽的位移量仅次 于组合槽，最大顶板下沉量达 43 mm，最大底鼓量 也达 18 mm；两帮竖槽的顶板下沉量与水平槽相差 不大但底鼓量小得多。中央竖槽的顶板下沉量最小， 无底鼓现象发生。 图 6 开挖卸压槽后顶、底板位移量变化 Fig.6 Roof and floor displacements after cutting pressure- relief slots 开槽后煤、岩层位移的另一个特点是竖槽槽两 侧煤体向槽中央合拢。图 7 给出了中央竖槽和两帮 竖槽槽两侧煤体合拢量。由图中曲线可以看出， 中央竖槽和两帮竖槽位移模式基本相同，最大位 移量达 57 mm。随着远离卸压槽，煤体的位移量越 来越小，在距槽 1.5 m以后，出现少量的压缩变形。 图 7 竖槽两侧煤体位移变化 Fig.7 Displacements of coal seams on two sides of vertical slot 综合上述分析，可以认为组合槽对煤岩体的卸 压效果最好，其次为两帮竖槽和水平槽，中央竖槽 的卸压范围不够，效果较差。确定现场试验的槽型 为组合槽和两帮竖槽。 －30 －15 0 15 30 45 60 75 1 2 3 4 5 6 7 8 距槽距离/m 组合槽 水平槽 两帮竖槽 中央竖槽 底板底鼓量/mm 顶板下沉量/mm 0 －10 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 距槽距离/m 位移量/mm 中央竖槽 两帮竖槽 0 第 23卷 第 22期 蔡成功. 卸压槽防突措施模拟试验研究 3793 4 井下开挖工艺试验 在工作面首先进行两帮竖槽开挖试验。开挖分 3 个循环进行，每循环进刀 0.5 m，工艺简单，槽形 规则图 8。卸压槽变形主要为槽两帮煤体合拢，且 槽中央变形量大于槽上、下两端的变形量，平均变 形量为 45～60 mm表 2，与数值模拟结果接近，说 明数值模拟参数选择合理，模拟结果可信。 图 8 两帮竖槽实际开挖情况 Fig.8 Cutting conditions of vertical slots on two sides 表2 卸压槽变形量 Table 2 Displacements of the pressure-relief slots 槽型 原始槽宽/mm 最终槽宽/mm 平均变形量/mm 上帮竖槽 170 125 45 下帮竖槽 145 85 60 组合槽试验在开挖水平槽时，由于突出煤层煤 质松软，在开挖第 2，3 刀时，对先前开挖出的卸压 槽破坏作用大，成槽效果较差图 9。同时，槽顶部 煤体冒落严重，对煤体扰动大，易诱导煤与瓦斯突 出。因此，在试验矿井松软煤层条件下，很难开挖 出规则的水平槽，故无法开挖出组合槽。 开槽前测定 3 个钻孔初始瓦斯流量为 2.44～ 4.36 L/min，开槽后距槽2 m位置钻孔初始瓦斯流量 为 30.78 L/min，是开槽前最大流量 4.36 L/min 的 图 9 水平槽试验 Fig.9 Test of horizontal slots 7.06 倍。同时，在开槽过程中及开槽后 3 h 内，掘 进工作面较正常情况下多排放 180 m3的瓦斯量。因 此，可以认为卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，起 到了较好的防突作用。 5 结 论 通过数值模拟分析和实际开挖试验，可以得到 以下初步结论 1 有限元数值模拟分析表明，开挖卸压槽后， 卸压槽周围煤、岩体发生塑性位移和破坏，破坏方 式有拉应力拉裂破坏、压应力剪切破坏以及拉压组 合破坏方式。 2 数值模拟和井下实际开挖结果表明，组合 槽的位移量和塑性区范围最大，其次为两帮竖槽。 在具有严重突出危险的煤层中无法开挖出规则的水 平槽条件下，合理的槽型为两帮竖槽。 3 卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，能够起 到较好的防突效果。 参 考 文 献 1 林柏泉，周世宁. 煤巷卸压槽及其防突作用机理的初步研究[J]. 岩 土工程学报，1995，17332～38 2 周维垣. 高等岩石力学[M]. 北京水利电力出版社，1989 3 徐小荷，余 静. 岩石破碎学[M]. 北京煤炭工业出版社，1984 4 张德兴. 有限元素法新编教程[M]. 上海同济大学出版社，1989 2 100 145～170 1500 单位mm 2 000 1 500 单位mm