水力掏槽期間突出能量及沖擊波壓力差分析★

劉錫明 周 靜 徐海梅 武立斌

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

1 問題的提出

水力掏槽措施期間偶爾會有煤與瓦斯突出發(fā)生，造成人員、設(shè)備設(shè)施的破壞。為減少突出的破壞，應(yīng)從突出產(chǎn)生的能量、沖擊波壓力差兩方面深入地分析，探求其影響因素、相互關(guān)系及作用范圍。從而為水力掏槽措施如何安設(shè)設(shè)備、安全設(shè)施位置及通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整提供理論依據(jù)。

2 突出能量分析

槽硐中煤與瓦斯突出能量主要由煤體中煤體彈性潛能、瓦斯內(nèi)能和頂?shù)装鍙椥詽撃芙M成。突出過程中，突出能量主要消耗在煤體破碎、拋出和生熱。噸煤突出能量關(guān)系可表達(dá)為:

其中，W為突出噸煤煤體產(chǎn)生能量，kJ/t;W1為頂?shù)装鍙椥詽撃埽琸J/t;W2為突出噸煤煤體彈性潛能，kJ/t;W3為突出噸煤煤體瓦斯內(nèi)能，kJ/t。

對同體積巖石、煤試件做三向應(yīng)力測試，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 m～1 m左右，與頂?shù)装宕嬖谝欢ê穸鹊拿簩樱刹垌闲秹簬Х秶?］可知，水力掏槽對頂?shù)装宓挠绊懴鄬^弱。因此，槽硐突出時(shí)，頂?shù)装鍙椥詽撃茏饔每梢院雎圆挥?jì)。

實(shí)際上，槽硐突出破碎煤體的主要起始能量是槽硐周圍煤體彈性潛能，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［2］;在煤體破裂階段，由于裂隙很小，煤體內(nèi)游離瓦斯涌出量很少，瓦斯內(nèi)能釋放不出來，所以起主要作用的是煤體彈性潛能。隨應(yīng)力重組槽硐周圍煤體持續(xù)破裂，煤體彈性潛能迅速釋放，直至煤體破碎彈性潛能消耗完為止。因此，槽硐中突出過程煤體彈性變形能可用三向應(yīng)力表示為:

其中，W2為突出單位體積煤煤體彈性潛能，MJ/t;E為煤的彈性模量，MPa;μ為煤的泊松比;σ1，σ2，σ3分別為三個(gè)方向的主應(yīng)力，MPa。

槽硐周圍煤體破碎后，在煤體中產(chǎn)生大小不一的裂縫，為瓦斯膨脹能釋放提供前提條件。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［3］;另一部分瓦斯內(nèi)能對破碎的煤做功向外部空間拋出［4］。在不考慮破碎煤體能量損失的情況下，噸煤瓦斯內(nèi)能為［5］:

其中，W3為突出噸煤瓦斯內(nèi)能，MJ/t;V為參與突出過程做功的噸煤瓦斯涌出量，m3/t;p0為煤拋出后工作面瓦斯壓力，MPa;p1為突出前煤層瓦斯壓力，MPa;n為過程指數(shù)。

根據(jù)實(shí)際礦區(qū)煤層賦存、瓦斯賦存、開采條件等情況進(jìn)行定量分析。以東海煤礦為例，該礦32號煤層平均煤厚1.69 m，采深700 m，瓦斯含量為 16.06 m3/t，煤的容重為 1.51 t/m3。對煤樣做力學(xué)測試可知，彈性模量E=280 MPa，煤的泊松比μ=0.3。突出剛開始參與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15%，煤層瓦斯壓力p1均值為0.79 MPa，煤拋出后工作面瓦斯壓力p0可按大氣壓計(jì)算，取0.1 MPa。一些專家學(xué)者［6-8］認(rèn)為，突出的全過程接近絕熱過程，過程指數(shù)n近似取1.25［1］即可。由于煤層埋藏深、地質(zhì)條件復(fù)雜且受地質(zhì)構(gòu)造力的影響，應(yīng)力集中系數(shù)可取2，即σ1=σ2=σ3=2×0.025×70=35 MPa。由式(1)可得東海煤礦噸煤突出能量為:

3 突出沖擊波壓力差分析

巷道中發(fā)生突出后，沖擊波會在巷道中產(chǎn)生靜壓即沖擊波壓力差。根據(jù)程五一等人［5］對煤與瓦斯突出沖擊波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律的研究可知，突出發(fā)生后，沖擊波在巷道產(chǎn)生的壓力差為:

其中，Δp為突出后沖擊波在巷道中產(chǎn)生的壓力差，MPa;px為距離突出點(diǎn)x波陣面上的壓力，MPa;p0為煤拋出后工作面瓦斯壓力，MPa;δ為系數(shù);W為突出噸煤煤體產(chǎn)生能量，kJ/t;S為沖擊波通道斷面面積，m2;x為距離突出點(diǎn)距離，m。

其中:

其中，k為氣體壓縮系數(shù)，可按下式計(jì)算:

其中，ρ0為空氣密度，取1.2 kg/m3;c0為音速，常溫下可取340 m/s;p0為煤拋出后工作面瓦斯壓力，取105Pa。

則:

代入式(4)可得噸煤能量的沖擊波在巷道產(chǎn)生的壓力差:

若突出煤量為G，則突出沖擊波在巷道中產(chǎn)生的總壓力差為:

由式(5)可知，突出沖擊波在巷道中產(chǎn)生的壓力差與突出煤量成正比，與沖擊波通道斷面面積、距離突出點(diǎn)位置成反比。水力掏槽措施引起的突出沖擊波，最終還是在巷道中體現(xiàn)，因此槽硐突出產(chǎn)生的沖擊波以巷道尺寸分析。

以東海煤礦32號煤層發(fā)生突出為例，巷道斷面面積S=8 m2，則在不同突出等級下，距離突出地點(diǎn)不同位置沖擊波產(chǎn)生的壓力差為:

突出等級在500 t～1 000 t，距離突出點(diǎn)100 m～1 000 m范圍內(nèi)，突出在巷道不同位置產(chǎn)生的壓力差如圖1所示。

圖1 不同突出等級下距突出點(diǎn)距離與其壓力差的關(guān)系

4 結(jié)語

1)突出沖擊波壓力差與突出能量成正比，與距突出點(diǎn)距離成反比。

2)對突出能量、沖擊波壓力差分析，可以計(jì)算出不同突出等級、不同位置的靜壓大小，為突出影響范圍內(nèi)設(shè)施設(shè)計(jì)合理安全距離提供依據(jù)。

［1］焦作煤業(yè)集團(tuán)科研所.嚴(yán)重突出煤層快速掘進(jìn)防突技術(shù)研究［R］.2002.

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［3］景國勛，張 強(qiáng).煤與瓦斯突出過程中瓦斯作用的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(2):169-171.

［4］王 剛，程為民，謝 軍，等.瓦斯含量在突出過程中的作用分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(3):429-433.

［5］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(xué)報(bào)，2004，29(1):57-60.

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［7］牛國慶，顏愛華，劉明舉.煤與瓦斯突出過程中溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23(3):245-248.

［8］張嘉勇，羅欣榮，郭立穩(wěn).瓦斯突出過程中煤體溫度異常變化原因分析［J］.煤炭技術(shù)，2011，30(9):88-89.