矿井煤与瓦斯突出规律及挡突装置数值模拟

金珠鹏， 郭鹏飞， 孙广义， 黄 夏

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022;2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

随着矿井开采深度不断增加，矿山压力显著增大，极易造成煤与瓦斯突出，而冲击地压与瓦斯异常涌出现象频繁发生，对生产人员和设备的安全危害极大。国内外关于煤与瓦斯突出的研究主要集中在煤与瓦斯突出的成因、机理、危险性评价，突出过程的能量变化及突出对巷道造成的损害等方面[1－2]。由于煤与瓦斯突出形成的冲击波能量巨大，煤尘与瓦斯的两相混合关系复杂，以及突出过程中瓦斯浓度、受力变化监测困难等原因，目前，我国乃至世界对煤与瓦斯突出后的灾害防控的研究较少，而且煤与瓦斯突出的机理仍处于假说阶段，影响因素随机性又大，要控制其发生，尚有很大的难度。笔者结合平煤六矿地质条件，分析煤与瓦斯突出规律，并研制一种挡突装置，通过数值模拟方法确定挡突装置最佳安装位置，以实现将煤与瓦斯突出控制在一定范围内的目的，为煤与瓦斯突出灾害的防治提供新的思路和方法。

1 地质概况与突出强度分类

1.1 地质概况

平煤六矿地质构造比较简单，井田内地层出露较差，主要开采煤层为庚20、己16－17、己15、戊9 －10、戊8、丁56和丙3，其中，庚20、己16 －17、己15、戊9－10、戊8、丁56煤层为全区可采煤层。丁56煤层之上自下而上依次分布有二叠系五(丁)煤段、二叠系六(丙)煤段、二叠系八、九(乙、甲)煤段顶板砂岩孔隙裂隙含水层，二叠系平顶山砂岩孔隙裂隙含水层，三叠系刘家沟组砂岩含水层，第四系松散孔隙含水层。煤层直接顶板为砂质泥岩和泥岩，老顶为砂质泥岩或细～中粒砂岩，局部可见炭质泥岩和泥岩，伪顶，开采煤层平均厚度1.66 m。煤层总体走向为 300°，西部转为 270°～280°，倾角5°～20°，多数为 12°。

1.2 突出强度分类

煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一。在煤矿地下采掘过程中，煤与瓦斯突出的发生具有突发性、破坏性，它能在数分钟甚至数秒内，从煤(岩)壁内向采掘工作空间突然喷出大量煤(岩)和瓦斯[1]，短时间内摧毁井巷设施，破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤(岩)抛出物，从而造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故等。

当围岩内部积聚足够的弹性能时，弹性能瞬间释放，将煤、岩、瓦斯以极高的速度抛出[2]。按照煤与瓦斯突出的强度可以将突出分为小型、中型、次大型、大型、特大型五类(表1)。

表1 煤与瓦斯突出强度的分类Table 1 Classification of coal and gas outburst intensity

2 煤与瓦斯突出规律

2.1 采深与突出量的关系

突出次数和强度随采掘深度的增加而增加是突出的普遍规律。结合平煤集团工程项目，对平煤集团所属主要矿井近年突出灾害数据进行搜集、整理、分析，得到采深与一次突出煤量、一次突出瓦斯量[3]，如表 2 所示。

表2 突出的次数、煤和瓦斯统计Table 2 Times，amount of coal and gas outburst statistics

根据表2，运用LINGO数值软件，舍去离散参数较大的数据，采用麦夸特法(Levenberg－Marquardt)和通用全局优化算法分别拟合采深与一次突出煤量、一次突出瓦斯量之间的关系，结果如图1所示。

采深与突出的煤、瓦斯之间的关系拟合公式分别见式(1)、(2)，最佳拟合度分别为 0.957 62、0.899 34。

式中:H——煤矿开采深度，m;

m——一次突出发生时突出的煤，t;

V——一次突出发生时突出的瓦斯体积，m3。

由以上分析可知，随着煤矿开采深度的不断增加，不仅突出发生的次数增多，而且一次突出发生时突出的煤量和突出的瓦斯量急剧增大。大量的工程实践表明，相同条件下，地应力较大、构造较复杂的地区发生煤与瓦斯突出的次数较多，突出强度、煤量和瓦斯量较大。

图1 开采深度与突出煤量及突出瓦斯量的关系曲线Fig.1 Relationship curves between mining depth and coal and gas outburst

2.2 突出强度与煤岩抛出速度的关系

虽然在不同复杂地质条件下煤与瓦斯突出发生的强度、次数等有很大不同，但基于“突出发生是弹性能的释放”这一理论，瓦斯突出强度与煤岩等抛出物的初始抛出速度之间存在着必然的联系。前苏联学者杰列佐夫卡做过大量工程实测，实测数据[4]如表3所示。

表3 杰列佐夫卡煤层部分突出碎煤抛出的速度Table 3 Data of chealea pertsovka seam outburst coal throwing velocity part

根据表3的数据，运用数值软件，采用麦夸特法(Levenberg－Marquardt)和通用全局优化算法拟合突出强度与煤岩等抛出物初始抛出速度(v)之间的关系，函数曲线如图2所示。其定量关系式见式(3)，拟合度为0.832 94。

式中:m1——突出发生时抛出物的质量，m1=mρ1+Vρ2，t;

ρ1、ρ2——突出固体物和气体平均密度，kg/m3。

在突出过程中v是一个变量，受巷道空间限制，突出量越大，就需要将突出物抛向更远位置，需要的动能就越大，碎煤抛出的速度也就越大。

图2 突出强度与抛出物初始速度的关系曲线Fig.2 Relationship curves of strength and ejectamenta initial velocity

由式(1)～(3)可得到采深与煤与瓦斯突出时突出物抛出速度的关系。由于不同地质条件下煤与瓦斯突出的数量与采深的关系各不相同，因此，该分析具有一定的局限性。

2.3 突出物沿巷道传播的规律

碎煤的抛出功就是碎煤抛出时的动能，即

式中:Ek——煤岩的抛出功，J。

碎煤抛出时的动能在突出过程中转换为煤体的破碎功、碎煤在巷道中的移动功，以及突出煤与瓦斯流撞击巷道壁、支架和其他障碍物的摩擦热、震动、声响等能量[5－8]。碎煤在巷道中的移动功是碎煤抛出时动能的一部分，碎煤抛出后移动的路径越直，途中障碍越少，在巷道中的移动功所占比例就越大[9－10]。在巷道的自由空间，碎煤在巷道中的移动功(A)可大致按下式计算:

式中:s0——移动的距离，m;

m2——移动质量，t;

f——碎煤与巷道之间的摩擦因数，一般取0.5;

α——巷道倾角，研究巷道为平巷，取0°。

假设巷道为宽b、高h的矩形断面，突出物的堆积坡度为β，突出物堆积密度为ρb，则突出物的移动功可按式(6)进行计算，堆积物示意见图3。

图3 突出物堆积示意Fig.3 Schematic diagram of prominent accumulation

突出前，井下巷道空气流速相对突出气流的初压为 0，此时状态参数为空气压力 p0、密度 ρ0[9－10];波阵面上的参数为压力p1、密度ρ3、气流速度u1，则有

式中:k——气体压缩系数;

c0——声速，m/s;

v0——冲击波正面的速度，m/s。

在不考虑其他能量损失时，瓦斯膨胀对空气介质做功应等于突出发生后瓦斯由于压力从煤体中解析出来所做的功[11]，即

式中:x'——突出点距波阵面的距离，m;

ps——瓦斯膨胀压力，MPa;

C1——积分常数。

联立式(4)～(8)，可得在突出冲击范围内某一位置冲击波能量:

由上述分析可以看出，煤与瓦斯突出后，产生的煤粉与瓦斯由于具有较高的速度和初压，迅速膨胀，并以很高的速度冲击压缩巷道内的空气，使其压力、密度和温度突然升高，紧靠着煤与瓦斯突出分界面的气体首先受压，然后这层受压的气体又压缩下一层相邻的气体，使下一层气体压力升高，层层压缩，就形成了压缩波[12－14]。

3 挡突装置与数值模拟

3.1 挡突装置

煤与瓦斯突出的初始速度越大，破坏性、威胁性越大，因此，对煤与瓦斯突出发生时产生的煤与瓦斯冲击波进行适当控制，可以减小突出冲击波的破坏力，最终将煤与瓦斯突出控制在一定范围内。经过大量实验研究，课题组研制出一种既具备较高的强度、又具备一定的柔性的挡突装置。

挡突装置四周由工字钢组成，构成挡突装置的整体框架。内部以抗压抗剪强度高不易发生应力集中的H型钢为主要材料，设计多个网状的、不均匀的钢构架，以形成挡突装置的泄压窗口，引导煤与瓦斯分层泄压，增大冲击波在流动过程中的摩擦挡力。泄压窗大小的主要设计原则是，突出冲击流既能使挡突装置顺利落下，又不会损坏后几道挡突装置的结构，最终达到有效泄压的预期效果。在挡突装置两侧依次加盖防尘网和平行四边形钢丝网，增加挡突装置的整体强度，并在挡突装置上装上冷却剂配合使用(在煤与瓦斯突出发生后，温度的降低能够大大降低突出冲击波的能量)。

挡突装置的主体结构如图4所示，现场安装效果如图5所示。

图4 挡突装置主体结构Fig.4 Main structure design of blocking arrangement

一般在突出工作面前方适当距离处设置3～5套挡突装置。当煤与瓦斯突出发生后，利用冲击波的冲击力使挡突装置依次落下，依靠各道挡突装置的自身强度和支撑力减小突出冲击波的破坏力，最终将煤与瓦斯突出控制在一定范围内。在设计挡突装置时，应在合适的位置分梯次挡突，实现分节挡突，节节抵抗，以减轻突出所造成的人员伤亡及对巷道、设备的损坏，减小事故造成的损失[15]。挡突装置也应设计一定的泄压窗，既保证挡突效果又不损坏挡突装置[16]。

图5 挡突装置剖面Fig.5 Profile of WBO

3.2 数值模拟

3.2.1 流固耦合模型

采用COMSOL数值模拟软件对挡突装置的结构进行流固耦合强度分析。煤与瓦斯突出发生后，瓦斯与煤岩组成的流体遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。

质量守恒定律:

式中:t——时间，s;

ff——体积力矢量;

ρf——流体密度，kg/m3;

v——流体速度矢量，

τf——剪切力张量，τf=(μ▽·v －p)I+2μe;

p——流体压力，MPa;

I——损伤张量;

μ——动力黏度，Pa·s;

动量守恒定律:

固体守恒方程可以由牛顿第二定律导出:

式中:ρs——固体密度，kg/m3;

σs——柯西张量;

a——固体域当地加速度矢量。

流体总焓(Htot)方程为

式中:T——二阶张量;

λ——导热系数，W/(m·K);

SE——能量源项。

采用COMSOL耦合分析分离解法中的单向(one－way)耦合方式对固体结构进行分析，其特点是，不需要耦合流固控制方程，而是按设定顺序在同一求解器或不同求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程。在单向耦合分析计算中，耦合交界面的数据传递是单向的，通过流固交界面(FS Interface)将CFD对流体分析计算的结果传递给固体域，待此时刻的收敛达到要求，再进行下一时刻的计算，依次求得最终结果。

3.2.2 关键参数与网络划分

由上述分析可知，只有当挡突装置安装在适当的位置时才能发挥其最佳的挡突效果。为了进一步确定挡突装置的最佳安装位置，结合平煤集团天安六矿丁56采区工作面采深以及式(1)～(9)计算突出发生的强度和突出时抛出物到达挡突装置时的速度。并根据该矿地质资料及实验室测定结果确定该矿巷道岩石力学参数，则煤岩杨氏模量为2.6×106MPa，泊松比为0.72，平均密度为2 700 kg/m3。

挡突装置网格划分如图6所示。

图6 网格划分Fig.6 Mesh generation

3.2.3 结果分析

将挡突装置分别设置在距突出地点8、12、15 m处，通过数值模拟分析最佳的安装距离。数值模拟结果如图7、8所示。

对比图7、8可知，当挡突装置没有泄压窗时，挡突装置的变形和受力自中间开始向四周逐渐降低;随着安装距离的减小，挡突装置受到的应力、发生的应变逐渐增大;当挡突装置安装在距突出地点8 m时，挡突装置受到的压力较大，其发生的应变较大，且足以使挡突装置的整体挡突性能遭到破坏;当挡突装置安装在距突出地点15 m时，挡突装置整体性能受到的影响较小，但挡突效果急剧降低，未能充分发挥挡突装置的挡突优势。因此，当挡突装置安装

4 结论

图7 不同安装距离时的应力分布Fig.7 Stress distribution of different installation distance

图8 不同安装距离时的应变情况Fig.8 Strain of different installation distance

在距突出地点12 m时较为合适。为减小挡突装置的整体变形、增大挡突装置强度、避免挡突装置因局部失效带来的整体失效，在挡突装置的中部加设工字钢梁或加厚钢板，利用特殊材料提高H型钢腹板的强度，从而提升挡突装置的整体性能。

(1)平煤六矿采深与煤与瓦斯突出强度、抛出物抛出速度和沿巷道传播规律之间存在着非线性关系。

(2)为减小煤与瓦斯突出造成的生命财产损失，研制一种新挡突装置。挡突装置的合理安装位置为距突出地点12 m处。

(3)利用挡突装置可将煤与瓦斯突出影响范围封闭在一定区域内。该装置的研究不仅为煤与瓦斯突出灾害的防治提出了新的思路和方法，而且对煤矿透水灾害的防治具有一定的参考价值。

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