水力掏槽防突中槽硐围岩应力应变分析★

刘锡明 王水林 李 坚 吴 林 田颖泽

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，黑龙江 哈尔滨 150022)

水力掏槽防突中槽硐围岩应力应变分析★

刘锡明1,2王水林1李 坚1吴 林1田颖泽1

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，黑龙江 哈尔滨 150022)

在分析试验区水力掏槽措施参数的基础上，从槽硐径向半径与地应力关系、槽硐径向半径与瓦斯内力关系、掏槽深度与应力变化关系、槽硐轴向深度与瓦斯内力关系等角度，深入分析其在突出厚煤层中快速掘进的防突机理，并通过数据统计验证了水力掏槽快速掘进防突技术在突出厚煤层应用的优越性，为突出厚煤层矿区应用该措施提供理论基础和实践经验。

水力掏槽，煤与瓦斯突出，掘进工作面

1 研究基础

1)理论基础。

水力掏槽防突技术是以“综合作用假说”[1]为基础的，针对煤与瓦斯突出机理绝大多数人认为是由地应力、瓦斯内力以及煤的物理力学性质综合因素作用的结果。随周世宁院士与何学秋博士提出：“含瓦斯煤层是一种流变介质”[2]理论后，在“综合作用假说”中增加了时间因素。

2)应用基础。

水力掏槽快速掘进防突技术已经在河南焦煤集团[3]突出厚煤层中试验成功，并在实际生产中取得非常大的效益。利用煤科院唐山分院研制的SQBK可控摆动液压水枪，在16 MPa～20 MPa高压水射流作用下，可在13 min～20 min内，在前方煤壁掏出一个宽0.8 m～1.2 m，高1.2 m～1.7 m，深10 m～32 m的槽硐。

水力掏槽防突技术的特点：

a.槽硐径向半径大；

b.槽硐轴向深度大；

c.掏槽速度快；

d.安全性高。

以下分别从槽硐径向半径、轴向深度、掏槽速度与突出因素的关系进行深入分析。

2 槽硐径向半径与应力关系

2.1 槽硐径向半径与地应力关系

为了便于计算分析，可把槽硐形状等效成一个圆形孔硐。现场针对不同槽硐半径对其周围煤体卸压带影响范围进行试验分析，结果如图1所示。

通过曲线拟合，突出煤体内槽硐半径与瓦斯有效排放半径的关系为：

(1)

R2=0.994 5

(2)

其中，R1为槽硐等效半径，m；R2为槽硐周围煤体瓦斯有效排放半径，即有效影响半径，m。

通过等效面积换算，可把矩形槽硐断面等效成R1≈0.6m的圆形断面，并由图1可计算出，对应槽硐半径其周围煤体有效影响半径(卸压带厚度)为R2≈4.3m。根据槽硐实际尺寸、槽硐等效半径、周围煤体有效影响半径、巷道断面尺寸分析槽硐作用范围，如图2所示。

现场试验分析，随槽硐深度加大其周围煤体径向影响范围也随之变小，试验结果如图3所示。

由图3可知，掏槽前，前方煤体处于应力动态平衡状态。高压水射流掏槽时，前方煤体在高压水射流作用下被剥离，并在短时间内形成槽孔，形成槽孔后，周围煤体在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下继续垮落，使槽孔尺寸继续扩大，最终形成槽硐。槽硐成型过程即是煤体应变过程，也是应力重组的过程。槽硐周围煤体在高压水射流[4-6]、瓦斯压力梯度、损伤累计和弱化[7]的作用下，产生离层、裂隙、弯曲变形，使煤体由弹性介质向塑性介质转变，并沿径向扩大，即塑性区域逐渐增大。同理，地应力随煤体性质转变逐渐减小，且减小范围沿径向向外迅速扩展，最终在槽硐周围形成一定厚度的卸压保护带。

2.2 槽硐径向半径与瓦斯内力关系

瓦斯内力是突出的关键因素，在煤体固定空间不变的情况下，减小瓦斯内力的途径只能是减少煤体内瓦斯含量。在以上掏槽过程中，由槽硐周围煤体塑性区逐渐扩大可知，在煤体应变过程中，瓦斯迅速向槽硐空间排放，由现场实测可知，掏槽时和掏槽后的瓦斯排放量可达掏槽有效影响区域内瓦斯总量50%左右[3]，且排出的吨煤瓦斯量远大于原煤瓦斯含量[8]。由此现象可证明，在掏槽时和掏槽后短时间内，涌出的瓦斯绝大多数是槽硐周围煤体裂隙带赋存瓦斯。由图1可知，随槽硐径向半径增大槽硐周围煤体裂隙带范围也增大，同时，该范围内赋存瓦斯涌出量也增加，即周围煤体瓦斯内能逐渐减少，作用在槽硐周围的瓦斯内力也逐渐减小。

2.3 槽硐径向半径与瓦斯排放通道的关系

短时间内瓦斯排放量是减小槽硐周围煤体瓦斯内力的关键，而影响煤体短时间内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体内裂隙，且随排放通道尺寸增大瓦斯排放阻力减小，短时间内瓦斯排放量增大。

当槽硐径向半径较大时，一方面，在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下垮落下来的煤体，在较大的槽硐空间内被持续排放的瓦斯和水流冲出，瓦斯排放通道保持畅通。另一方面，由图1可知，随槽硐尺寸增大周围煤体影响范围增大的同时，卸压带中裂隙尺寸也相应扩大。同理，瓦斯排放阻力减小，且不易堵塞，使瓦斯能够在短时间内被大量排放。

当槽硐径向半径较小时，垮落下来的煤体就会在槽硐中堆积，缩小槽硐有效断面面积，同时卸压带中裂隙尺寸也相应减小。不但增大瓦斯排放阻力减小瓦斯涌出量，形成“瓶颈效应”，且垮落的煤易堵塞通道，阻碍瓦斯排放，形成“瓶塞效应”[9]，很难达到在短时间内排放大量瓦斯的要求。

3 槽硐轴向深度与应力关系

3.1 掏槽深度与应力变化关系

掏槽过程中，前方煤体在高压水射流、地应力和瓦斯内力的作用下垮落、产生裂隙，形成塑性区域，致使应力重组后应力集中带迅速向槽硐轴向前方移动。由焦煤矿区试验可知，槽硐轴向深度一般是10m～32m，且掏槽前槽硐轴向应力集中带是在工作面前方4.5m～6m[3]处。通过试验分析，随槽硐深度加大其前方煤体影响范围逐渐缩小，试验结果如图4所示。

3.2 槽硐轴向深度与瓦斯内力关系

通过试验测定，在整个掏槽过程中瓦斯涌出量均大于正常涌出量，且峰值后逐渐减小。瓦斯涌出量逐渐减少直接原因是卸压带内瓦斯通道大、赋存瓦斯解吸量大造成的。掏槽期间、掏槽后瓦斯涌出情况如图5所示。

瓦斯排放速度与煤体内瓦斯内能(瓦斯内力)变化成反比，即瓦斯排放速度越大，煤体内瓦斯内能越小。由图5可知：掏槽前，瓦斯排放量处于稳定状态；掏槽过程中，前3min～5min内，槽硐周围煤体瓦斯涌出量急剧上升达到峰值27.28m3/min，而后15min～25min内，瓦斯涌出量又迅速下降到掏槽前程度。由此可以推断，掏槽开始短时间内槽硐就接近应力集中带位置，瓦斯大量涌出，随槽硐深入，由于影响范围逐渐减小，煤层透气性降低，致使瓦斯涌出量也随之减小，因此，整个掏槽过程，瓦斯内力随瓦斯涌出量变化呈现先迅速减小后逐渐增大的趋势，掏槽后瓦斯内力大小逐渐回归到掏槽前状态并趋于平衡。

4 措施与最小卸压带厚度关系

掏槽速度作用有两个方面：1)掏槽速度直接决定巷道掘进速度，速度快可缓解采掘比例失调问题；2)掏槽速度是突出条件的外因。根据煤巷中煤与瓦斯突出的条件[10-12]可知，发生突出的最小卸压带厚度为：

(3)

其中，X0为卸压带厚度；m为煤层厚度；A0为侧压系数；φ为煤体内摩擦角；σT为抗拉强度；σy为地应力；σ0为单轴抗压强度；p为瓦斯压力；C为煤层或软分层的粘结力。

由式(3)可知，煤与瓦斯突出与卸压带的厚度有关，当地应力、瓦斯内力一定时，卸压带厚度越小，越容易发生突出，且存在最小临界值X0。掏槽前，煤体处于动态平衡，卸压厚度X前>X0；水力掏槽过程中，由槽硐尺寸与地应力、瓦斯内力关系可知，卸压带厚度随掏槽深入逐渐减小。掏槽过程和掏槽后瓦斯排放量占到影响区域内瓦斯总量50%左右，说明整个过程中瓦斯内力迅速减小，且瓦斯排放后，煤体在应力的作用下体积减小，强度增加，进一步加大卸压带防护能力。掏槽过程中，措施突出指标效检超标率为4.84%，效检不突出准确率为100%[3]，说明虽然卸压带厚度逐渐减小，但其厚度X措施>X0。

5 结语

由以上水力掏槽技术分析，结合矿区突出厚煤层特点，得出以下结论：

1)由于槽硐尺寸大，致使周围煤体卸压半径达到4.3m，超过厚煤层下临界线，且掏槽过程中，瓦斯卸压带厚度一直保持X措施>X0，为煤层防突提供防御基础。

2)掏槽过程中，径向、轴向应力集中带移动速度较快，为槽硐周围煤体减缓突出应力。

3)由于槽硐和卸压带裂隙尺寸大，煤体排放瓦斯阻力小，且通道不易堵塞，为瓦斯能在短时间内排放提供条件。

4)由于措施影响范围大，煤体瓦斯在短时间内排放量大，致使瓦斯内力下降和煤体强度增加迅速，为槽硐周围煤体减小应力的同时增强卸压带防御强度。

[1] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用手册[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

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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★：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(项目编号：11553090)

刘锡明(1975- )，男，硕士，讲师； 王水林(1992- )，男，在读本科生； 李 坚(1992- )，男，在读本科生； 吴 林(1992- )，男，在读本科生； 田颖泽(1992- )，男，在读本科生

TD713

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