水力掏槽防突中槽硐圍巖應力應變分析★

劉錫明 王水林 李 堅 吳 林 田穎澤

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究國家級專業中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

水力掏槽防突中槽硐圍巖應力應變分析★

劉錫明1,2王水林1李 堅1吳 林1田穎澤1

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究國家級專業中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

在分析試驗區水力掏槽措施參數的基礎上，從槽硐徑向半徑與地應力關系、槽硐徑向半徑與瓦斯內力關系、掏槽深度與應力變化關系、槽硐軸向深度與瓦斯內力關系等角度，深入分析其在突出厚煤層中快速掘進的防突機理，并通過數據統計驗證了水力掏槽快速掘進防突技術在突出厚煤層應用的優越性，為突出厚煤層礦區應用該措施提供理論基礎和實踐經驗。

水力掏槽，煤與瓦斯突出，掘進工作面

1 研究基礎

1)理論基礎。

水力掏槽防突技術是以“綜合作用假說”[1]為基礎的，針對煤與瓦斯突出機理絕大多數人認為是由地應力、瓦斯內力以及煤的物理力學性質綜合因素作用的結果。隨周世寧院士與何學秋博士提出：“含瓦斯煤層是一種流變介質”[2]理論后，在“綜合作用假說”中增加了時間因素。

2)應用基礎。

水力掏槽快速掘進防突技術已經在河南焦煤集團[3]突出厚煤層中試驗成功，并在實際生產中取得非常大的效益。利用煤科院唐山分院研制的SQBK可控擺動液壓水槍，在16 MPa～20 MPa高壓水射流作用下，可在13 min～20 min內，在前方煤壁掏出一個寬0.8 m～1.2 m，高1.2 m～1.7 m，深10 m～32 m的槽硐。

水力掏槽防突技術的特點：

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系進行深入分析。

2 槽硐徑向半徑與應力關系

2.1 槽硐徑向半徑與地應力關系

為了便于計算分析，可把槽硐形狀等效成一個圓形孔硐。現場針對不同槽硐半徑對其周圍煤體卸壓帶影響范圍進行試驗分析，結果如圖1所示。

通過曲線擬合，突出煤體內槽硐半徑與瓦斯有效排放半徑的關系為：

(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可計算出，對應槽硐半徑其周圍煤體有效影響半徑(卸壓帶厚度)為R2≈4.3m。根據槽硐實際尺寸、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。

現場試驗分析，隨槽硐深度加大其周圍煤體徑向影響范圍也隨之變小，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，掏槽前，前方煤體處于應力動態平衡狀態。高壓水射流掏槽時，前方煤體在高壓水射流作用下被剝離，并在短時間內形成槽孔，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垮落，使槽孔尺寸繼續擴大，最終形成槽硐。槽硐成型過程即是煤體應變過程，也是應力重組的過程。槽硐周圍煤體在高壓水射流[4-6]、瓦斯壓力梯度、損傷累計和弱化[7]的作用下，產生離層、裂隙、彎曲變形，使煤體由彈性介質向塑性介質轉變，并沿徑向擴大，即塑性區域逐漸增大。同理，地應力隨煤體性質轉變逐漸減小，且減小范圍沿徑向向外迅速擴展，最終在槽硐周圍形成一定厚度的卸壓保護帶。

2.2 槽硐徑向半徑與瓦斯內力關系

瓦斯內力是突出的關鍵因素，在煤體固定空間不變的情況下，減小瓦斯內力的途徑只能是減少煤體內瓦斯含量。在以上掏槽過程中，由槽硐周圍煤體塑性區逐漸擴大可知，在煤體應變過程中，瓦斯迅速向槽硐空間排放，由現場實測可知，掏槽時和掏槽后的瓦斯排放量可達掏槽有效影響區域內瓦斯總量50%左右[3]，且排出的噸煤瓦斯量遠大于原煤瓦斯含量[8]。由此現象可證明，在掏槽時和掏槽后短時間內，涌出的瓦斯絕大多數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，該范圍內賦存瓦斯涌出量也增加，即周圍煤體瓦斯內能逐漸減少，作用在槽硐周圍的瓦斯內力也逐漸減小。

2.3 槽硐徑向半徑與瓦斯排放通道的關系

短時間內瓦斯排放量是減小槽硐周圍煤體瓦斯內力的關鍵，而影響煤體短時間內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裂隙，且隨排放通道尺寸增大瓦斯排放阻力減小，短時間內瓦斯排放量增大。

當槽硐徑向半徑較大時，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被持續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，卸壓帶中裂隙尺寸也相應擴大。同理，瓦斯排放阻力減小，且不易堵塞，使瓦斯能夠在短時間內被大量排放。

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

3 槽硐軸向深度與應力關系

3.1 掏槽深度與應力變化關系

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

3.2 槽硐軸向深度與瓦斯內力關系

通過試驗測定，在整個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瓦斯內能(瓦斯內力)變化成反比，即瓦斯排放速度越大，煤體內瓦斯內能越小。由圖5可知：掏槽前，瓦斯排放量處于穩定狀態；掏槽過程中，前3min～5min內，槽硐周圍煤體瓦斯涌出量急劇上升達到峰值27.28m3/min，而后15min～25min內，瓦斯涌出量又迅速下降到掏槽前程度。由此可以推斷，掏槽開始短時間內槽硐就接近應力集中帶位置，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，整個掏槽過程，瓦斯內力隨瓦斯涌出量變化呈現先迅速減小后逐漸增大的趨勢，掏槽后瓦斯內力大小逐漸回歸到掏槽前狀態并趨于平衡。

4 措施與最小卸壓帶厚度關系

掏槽速度作用有兩個方面：1)掏槽速度直接決定巷道掘進速度，速度快可緩解采掘比例失調問題；2)掏槽速度是突出條件的外因。根據煤巷中煤與瓦斯突出的條件[10-12]可知，發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為側壓系數；φ為煤體內摩擦角；σT為抗拉強度；σy為地應力；σ0為單軸抗壓強度；p為瓦斯壓力；C為煤層或軟分層的粘結力。

由式(3)可知，煤與瓦斯突出與卸壓帶的厚度有關，當地應力、瓦斯內力一定時，卸壓帶厚度越小，越容易發生突出，且存在最小臨界值X0。掏槽前，煤體處于動態平衡，卸壓厚度X前>X0；水力掏槽過程中，由槽硐尺寸與地應力、瓦斯內力關系可知，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域內瓦斯總量50%左右，說明整個過程中瓦斯內力迅速減小，且瓦斯排放后，煤體在應力的作用下體積減小，強度增加，進一步加大卸壓帶防護能力。掏槽過程中，措施突出指標效檢超標率為4.84%，效檢不突出準確率為100%[3]，說明雖然卸壓帶厚度逐漸減小，但其厚度X措施>X0。

5 結語

由以上水力掏槽技術分析，結合礦區突出厚煤層特點，得出以下結論：

1)由于槽硐尺寸大，致使周圍煤體卸壓半徑達到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。

2)掏槽過程中，徑向、軸向應力集中帶移動速度較快，為槽硐周圍煤體減緩突出應力。

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，為瓦斯能在短時間內排放提供條件。

4)由于措施影響范圍大，煤體瓦斯在短時間內排放量大，致使瓦斯內力下降和煤體強度增加迅速，為槽硐周圍煤體減小應力的同時增強卸壓帶防御強度。

[1] 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[2] 何學秋.含瓦斯煤巖流變動力學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1995.

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[7] 鄧廣哲，朱維申.蠕變裂隙擴展與巖石長時強度效應實驗研究[J].實驗力學，2002，17(2)：177-183.

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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技術研究項目(項目編號：11553090)

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