突出煤層掘進(jìn)工作面槽硐突出能量分析

劉錫明 劉敏慧 秦憲禮 張曉宇

1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022

2.黑龍江科技大學(xué)外語系，哈爾濱 150022

3.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022

1 概述

在突出煤層應(yīng)用水力掏槽快速掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)工作面的槽硐中會(huì)存在小的煤與瓦斯突出產(chǎn)生，為了水力掏槽措施能在黑龍江省礦區(qū)應(yīng)用，根據(jù)礦區(qū)煤層賦存特點(diǎn)、地質(zhì)條件、開采等情況，針對(duì)水力掏槽槽硐突出的能量進(jìn)行深入分析，從而找出誘發(fā)槽硐突出的主要能量來源。為更好的改善水力掏槽措施適應(yīng)黑龍江省礦區(qū)開采條件，提供理論基礎(chǔ)。

2 槽硐突出能量轉(zhuǎn)換分析

槽硐中煤與瓦斯突出能量轉(zhuǎn)換與巷道中突出相似，突出能量主要為煤體中瓦斯內(nèi)能、頂?shù)装鍙椥詽撃芎兔后w彈性潛能，在整個(gè)突出過程中，突出能量主要轉(zhuǎn)換為對(duì)突出孔洞煤體的破碎做功、噴出破碎煤體的移動(dòng)功和煤瓦斯流與障礙物摩擦做功等能量。

關(guān)于突出能量的計(jì)算，有很多學(xué)者進(jìn)行了討論[1，2]，綜合考慮，本文中突出能量關(guān)系可表達(dá)為：

式中，W ——突出噸煤煤體產(chǎn)生能量，kJ/t；

W1——突出噸煤煤體彈性潛能，kJ/t；

W2——突出噸煤煤體瓦斯內(nèi)能，kJ/t；

3 煤體彈性潛能分析

煤體彈性潛能在突出過程中的主要作用是破碎煤體和增加煤體溫度，同時(shí)，為煤體釋放瓦斯內(nèi)能創(chuàng)造條件。

突出前，煤體處于原始應(yīng)力狀態(tài)，作用在煤體質(zhì)點(diǎn)上的三向應(yīng)力是相等的[3]；在煤體破裂階段，由于煤體彈性變形能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瓦斯內(nèi)能，瓦斯內(nèi)能在這個(gè)階段發(fā)揮作用很小，可以忽略不計(jì)，煤體彈性變形能的能量主要轉(zhuǎn)換為煤體破碎和摩擦生熱兩個(gè)方面，同時(shí)由于應(yīng)力集中帶前移，為了進(jìn)一步達(dá)到應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡，煤體彈性潛能逐漸做功釋放，直至煤體破碎彈性潛能消耗完為止。由于突出時(shí)間短，變形能轉(zhuǎn)化為摩擦內(nèi)能較少，主要是轉(zhuǎn)化為破碎煤體做功，因此，槽硐中突出過程煤體彈性變形能可用三向應(yīng)力表示：

式中，W1——突出單位體積煤煤體彈性潛能，MJ/t；

E ——煤的彈性模量，MPa；

μ——煤的泊松比；

σ1、 σ2σ3——分別為三個(gè)方向的主應(yīng)力，MPa。

通過對(duì)黑龍江省礦區(qū)煤樣力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，煤的彈性模量E 為280MPa，煤的泊松比μ取0.3，煤體容重為1.51t/m3。三個(gè)方向主應(yīng)力σ1=σ2=σ3受槽硐煤體自重和地質(zhì)構(gòu)造力影響，由于黑龍江省礦區(qū)平均開采深度在500～600m，地質(zhì)條件復(fù)雜，可考慮應(yīng)力集中系數(shù)為2，即σ1=σ2=σ3=2× 0.025× 500=27.5MPa。由公式（2）可計(jì)算掘進(jìn)工作面槽硐周圍煤體噸煤彈性潛能為：

即槽硐周圍煤體噸煤彈性潛能為1073kJ/t。

4 煤體瓦斯內(nèi)能分析

煤體破碎后，煤體彈性變形能消耗殆盡，對(duì)煤體做功基本結(jié)束，由于煤體破碎后，產(chǎn)生大小不一的裂縫，為瓦斯涌出提供前提條件，即瓦斯內(nèi)能開始做功。在瓦斯涌出過程中，一部分瓦斯內(nèi)能進(jìn)一步破壞煤體并擴(kuò)展裂縫空間；另一部分瓦斯內(nèi)能對(duì)破碎的煤做功向外部空間拋出[4]。在瓦斯內(nèi)能做功階段，瓦斯內(nèi)能等于瓦斯向外部空間做功與煤體增加的表面能。

噸煤瓦斯內(nèi)能可按下式計(jì)算[5]：

式中：W2——突出噸煤瓦斯內(nèi)能，MJ/t；

V ——參與突出過程做功的噸煤瓦斯涌出量，m3/t；

p1——煤拋出后工作面瓦斯壓力，MPa；

p1——突出前煤層瓦斯壓力，MPa；

n——過程指數(shù)。

參與突出過程做功的噸煤瓦斯涌出量V可接近于煤層內(nèi)游離瓦斯含量，一般為煤層含量的10～20%，取10%。煤拋出后工作面瓦p斯壓力可按大氣壓計(jì)算，p0可取0.1Mpa，煤層瓦斯壓力1均值為0.83MPa，噸煤瓦斯含量為28m3/t。從多數(shù)突出實(shí)例來看，突出的全過程接近絕熱過程，過程指數(shù)n近似取1.25[6]即可。由公式（3）可得，槽硐周圍煤體噸煤瓦斯內(nèi)能為：

即槽硐周圍煤體平均噸煤瓦斯內(nèi)能為590kJ/t。

5 頂?shù)装鍙椥詽撃芊治?/h2>

彈性潛能大小關(guān)鍵影響因素是彈性體彈性模量的大小。彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。巖體彈性模量可以按照體積應(yīng)變進(jìn)行分析，彈性模量E 、體積應(yīng)力P 和體積應(yīng)變的關(guān)系為：

式中，E ——彈性模量，MPa；

P ——作用在巖體上的壓強(qiáng)，MPa；

(? dV )——巖體體積減少量，m3；

V——巖體原來體積，m3。

對(duì)相同體積巖石、煤試件做三向應(yīng)力測試，巖石相對(duì)于煤的應(yīng)變(? dV V)非常小，通過公式（4）可知，巖石的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤的彈性模量；同時(shí)，水力掏槽槽硐位置一般設(shè)置在煤層中心，槽硐邊緣距離頂?shù)装?.5～1m，與頂?shù)装宕嬖谝欢ê穸鹊拿簩樱运μ筒蹖?duì)頂?shù)装宓挠绊懴鄬?duì)較弱。由于頂?shù)装灞旧韽椥阅Ａ枯^大且受到外力P較小，因此，槽硐突出時(shí)，頂?shù)装鍙椥詽撃芸梢院雎圆挥?jì)。

由公式（1）可知，黑龍江省礦區(qū)突出煤層應(yīng)用水力掏槽防突措施中，掘進(jìn)工作面槽硐周圍煤體突出總能量為：W= W1+ W2+ W3= 1073 + 590 +0 =1663kJ/t。

6 結(jié)語

（1）從上述分析可知，由于槽硐尺寸相對(duì)整個(gè)巷道斷面尺寸小得多，所以槽硐對(duì)周圍煤體影響范圍也相對(duì)較小，即槽硐突出總能量較小。

（2）三種能量中，煤體彈性潛能最大，瓦斯內(nèi)能相對(duì)較小，主要原因是黑龍江省礦區(qū)平均采深較大，地應(yīng)力大，煤體瓦斯?jié)B透率小造成的。

（3）頂?shù)装鍙椥詽撃茉诓垌贤怀鲋袔缀醪黄鹱饔?，主要原因是槽硐設(shè)置在煤層中心位置，距離頂?shù)装遢^遠(yuǎn)，槽硐的影響對(duì)頂?shù)装宓淖饔煤苄。?，頂?shù)装鍖?duì)槽硐的反作用力也很小，可以忽略不計(jì)。

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