突出煤层掘进工作面槽硐突出能量分析

刘锡明 刘敏慧 秦宪礼 张晓宇

1.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨 150022

2.黑龙江科技大学外语系，哈尔滨 150022

3.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022

1 概述

在突出煤层应用水力掏槽快速掘进时，掘进工作面的槽硐中会存在小的煤与瓦斯突出产生，为了水力掏槽措施能在黑龙江省矿区应用，根据矿区煤层赋存特点、地质条件、开采等情况，针对水力掏槽槽硐突出的能量进行深入分析，从而找出诱发槽硐突出的主要能量来源。为更好的改善水力掏槽措施适应黑龙江省矿区开采条件，提供理论基础。

2 槽硐突出能量转换分析

槽硐中煤与瓦斯突出能量转换与巷道中突出相似，突出能量主要为煤体中瓦斯内能、顶底板弹性潜能和煤体弹性潜能，在整个突出过程中，突出能量主要转换为对突出孔洞煤体的破碎做功、喷出破碎煤体的移动功和煤瓦斯流与障碍物摩擦做功等能量。

关于突出能量的计算，有很多学者进行了讨论[1，2]，综合考虑，本文中突出能量关系可表达为：

式中，W ——突出吨煤煤体产生能量，kJ/t；

W1——突出吨煤煤体弹性潜能，kJ/t；

W2——突出吨煤煤体瓦斯内能，kJ/t；

3 煤体弹性潜能分析

煤体弹性潜能在突出过程中的主要作用是破碎煤体和增加煤体温度，同时，为煤体释放瓦斯内能创造条件。

突出前，煤体处于原始应力状态，作用在煤体质点上的三向应力是相等的[3]；在煤体破裂阶段，由于煤体弹性变形能远远大于瓦斯内能，瓦斯内能在这个阶段发挥作用很小，可以忽略不计，煤体弹性变形能的能量主要转换为煤体破碎和摩擦生热两个方面，同时由于应力集中带前移，为了进一步达到应力动态平衡，煤体弹性潜能逐渐做功释放，直至煤体破碎弹性潜能消耗完为止。由于突出时间短，变形能转化为摩擦内能较少，主要是转化为破碎煤体做功，因此，槽硐中突出过程煤体弹性变形能可用三向应力表示：

式中，W1——突出单位体积煤煤体弹性潜能，MJ/t；

E ——煤的弹性模量，MPa；

µ——煤的泊松比；

σ1、 σ2σ3——分别为三个方向的主应力，MPa。

通过对黑龙江省矿区煤样力学测试实验，煤的弹性模量E 为280MPa，煤的泊松比µ取0.3，煤体容重为1.51t/m3。三个方向主应力σ1=σ2=σ3受槽硐煤体自重和地质构造力影响，由于黑龙江省矿区平均开采深度在500～600m，地质条件复杂，可考虑应力集中系数为2，即σ1=σ2=σ3=2× 0.025× 500=27.5MPa。由公式（2）可计算掘进工作面槽硐周围煤体吨煤弹性潜能为：

即槽硐周围煤体吨煤弹性潜能为1073kJ/t。

4 煤体瓦斯内能分析

煤体破碎后，煤体弹性变形能消耗殆尽，对煤体做功基本结束，由于煤体破碎后，产生大小不一的裂缝，为瓦斯涌出提供前提条件，即瓦斯内能开始做功。在瓦斯涌出过程中，一部分瓦斯内能进一步破坏煤体并扩展裂缝空间；另一部分瓦斯内能对破碎的煤做功向外部空间抛出[4]。在瓦斯内能做功阶段，瓦斯内能等于瓦斯向外部空间做功与煤体增加的表面能。

吨煤瓦斯内能可按下式计算[5]：

式中：W2——突出吨煤瓦斯内能，MJ/t；

V ——参与突出过程做功的吨煤瓦斯涌出量，m3/t；

p1——煤抛出后工作面瓦斯压力，MPa；

p1——突出前煤层瓦斯压力，MPa；

n——过程指数。

参与突出过程做功的吨煤瓦斯涌出量V可接近于煤层内游离瓦斯含量，一般为煤层含量的10～20%，取10%。煤抛出后工作面瓦p斯压力可按大气压计算，p0可取0.1Mpa，煤层瓦斯压力1均值为0.83MPa，吨煤瓦斯含量为28m3/t。从多数突出实例来看，突出的全过程接近绝热过程，过程指数n近似取1.25[6]即可。由公式（3）可得，槽硐周围煤体吨煤瓦斯内能为：

即槽硐周围煤体平均吨煤瓦斯内能为590kJ/t。

5 顶底板弹性潜能分析

弹性潜能大小关键影响因素是弹性体弹性模量的大小。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小，它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标。岩体弹性模量可以按照体积应变进行分析，弹性模量E 、体积应力P 和体积应变的关系为：

式中，E ——弹性模量，MPa；

P ——作用在岩体上的压强，MPa；

(− dV )——岩体体积减少量，m3；

V——岩体原来体积，m3。

对相同体积岩石、煤试件做三向应力测试，岩石相对于煤的应变(− dV V)非常小，通过公式（4）可知，岩石的弹性模量远远小于煤的弹性模量；同时，水力掏槽槽硐位置一般设置在煤层中心，槽硐边缘距离顶底板0.5～1m，与顶底板存在一定厚度的煤层，所以水力掏槽对顶底板的影响相对较弱。由于顶底板本身弹性模量较大且受到外力P较小，因此，槽硐突出时，顶底板弹性潜能可以忽略不计。

由公式（1）可知，黑龙江省矿区突出煤层应用水力掏槽防突措施中，掘进工作面槽硐周围煤体突出总能量为：W= W1+ W2+ W3= 1073 + 590 +0 =1663kJ/t。

6 结语

（1）从上述分析可知，由于槽硐尺寸相对整个巷道断面尺寸小得多，所以槽硐对周围煤体影响范围也相对较小，即槽硐突出总能量较小。

（2）三种能量中，煤体弹性潜能最大，瓦斯内能相对较小，主要原因是黑龙江省矿区平均采深较大，地应力大，煤体瓦斯渗透率小造成的。

（3）顶底板弹性潜能在槽硐突出中几乎不起作用，主要原因是槽硐设置在煤层中心位置，距离顶底板较远，槽硐的影响对顶底板的作用很小，同理，顶底板对槽硐的反作用力也很小，可以忽略不计。

[1]文光才. 煤与瓦斯突出能量的研究[J]. 矿业安全与环保，2003，30（6）：1-4.

[2]俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[3]蒋成林，俞启香. 煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究[J]. 煤炭学报，1996，21（2）：173-178.

[4]王刚，程为民，谢军，等. 瓦斯含量在突出过程中的作用分析[J]. 煤炭学报，2011，36（3）：429-433.

[5]程五一，刘晓宇，王魁军等. 煤与瓦斯突出冲击波阵面传播规律的研究[J]. 煤炭学报，2004，29（1）：57-60.

[6]焦作煤业集团科研所. 严重突出煤层快速掘进防突技术研究[R]. 焦作煤业集团科研所，2002.