高压磨料射流割缝防突过程中的流固耦合数值模拟

陈淼 李富伟 李广 曹胜 左英杰 付鹏飞

摘要：基于流固耦合理论，采用ABAQUS对高压磨料射流割缝的卸压效果数值模拟结果表明：高压磨料射流割缝能使槽缝周围煤体所受地应力和孔隙压力减小，卸压区安全宽度范围内的煤体充分卸压，突出危险性降低或消除。

关键词：煤与瓦斯突出；流固耦合；地应力；瓦斯压力

Abstract：Based on the fluid-solid coupling theory，the outburst prevention effects in the process of hydraulic cutting under different parameters are simulated by using ABAQUS software. The simulation result indicates that the coal stress and pore pressure around the cutting seam are reduced，and the coal stress of under the stress-released zone safety width is released fully，so as to diminish or cut down the outburst risk.

Keywords：solid-gas flow；fluidized bed；numerical simulation；wire feeding

引言

煤与瓦斯突出是煤矿安全生产最严重的灾害之一，是煤层内瓦斯气体与煤岩体流固耦合作用下煤岩体发生失稳破坏所造成的动力现象[1]。高压磨料射流在煤层内割缝消除地应力和排放瓦斯，利用其较纯水射流切割能力强、切割速度快、水量小等优势，作为一种高效的掘进防突措施，为突出矿井实现安全高产高效起到了重要的作用[2]。

但是，一直以来，人们对割缝防突机理的研究局限于孤立地对割缝后瓦斯排放和煤体应力、位移变化规律分别进行分析，没有充分考虑瓦斯流体与煤岩固体之间的耦合运动[3]。因此，本文充分考虑高压磨料射流割缝防突过程中的流固耦合作用，对高突煤层的割缝防突效果进行数值模拟，对煤与瓦斯突出机理研究及防治具有一定的指导意义。

2.地应力与瓦斯压力对突出的影响

煤层巷道开挖以后，巷道周围围岩应力将重新分布，首先，煤体边缘部分会遭到破坏，形成卸压区域，此部分原煤体应力由自身结构所承受，使应力逐渐向深部扩展，依次形成卸压区、应力集中区和原始应力区[4]。

3.高压磨料射流割缝数值模拟

3.1模型选取及边界条件

选取掘进工作面前方巷道尺寸为的三维模型为参考对象。为方便计算，分别选取平行和垂直于掘进工作面且截面面积为和的二维横向和纵向平面为研究对象，从工作面截面中心左右水平割缝，形成高、宽、深的规则槽缝。本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，固体骨架采用八节点实体孔压单元CPE8P，分别包含6944和11836个网格。

忽略钻孔过程中瓦斯排放以及割缝过程中水对煤体的影响，在模型上边界施加应力载荷，将下边界设置约束，进行第一步计算；然后利用生死单元将割缝空间单元去除，其他边界条件不变，同时在模型外边界设置流体压力边界条件，并利用SFLOW语句在文件生成的INP文件中定义缝槽边界为渗流出口边界，利用INITIAL CONDITINS语句添加煤体初始孔隙比，进行下一步计算。

3.2数值模拟结果及分析

（1）应力分布与位移变化

割缝后缝槽周围煤体所受地应力大大降低。在横向截面，以缝槽底部经过缝槽中心沿Y轴负方向的上、下截面两点路径为观测线，得到煤体所受Y方向应力随观测线距离变化而变化的曲线图如图3-1；在纵向截面，以经过缝槽中心的X轴正方向从缝槽底部到右侧边界路径为观测线，得到煤体所受Y方向应力随观测线距离变化而变化的曲线图如图3-2。

缝槽上、下方煤体应力随观测线距离变化呈抛物线变化，在距离缝槽中心上方5处煤体应力几乎与原始应力相等。距离缝槽中心越近，煤体应力变化越大、卸压作用越明显；距离缝槽中心越远，应力减小程度越小且其值越接近于煤体原始应力状态。

煤体所受应力在距离缝槽底部0.8m处达到峰值17.68，正是应力向深部转移的结果，而在远离工作面的煤层深部，应力值趋近于原始应力值。

以缝槽底部经过缝槽中心沿Y轴正方向取从下边界到上边界两点的路径为观測线，得到煤体所受Y方向应力随观测线距离变化而变化的曲线图3-3。

（2）瓦斯渗流状况

图3-4分别显示了瓦斯气体渗流后在横向截面和纵向截面内煤体孔隙压力的等值线云图，由于孔隙压力是瓦斯气体压力作用于煤体而引起的，孔隙压力的变化情况实质上反应了瓦斯气体在煤层内部的流动状态。割缝后缝槽周围煤体的孔隙压力以缝槽为中心，依次呈梯度增加，最后在距离缝槽中心较远处与原始孔隙压力值持平。

从横向截面孔隙压力等值云图可以看出，割缝对煤体孔隙压力的降低几乎影响到了整个模型截面，这一点充分说明了割缝排放瓦斯效果好、影响范围广的优点。

就横向截面分别以经过缝槽中心沿X轴正方向取从左边界到右边界两点的路径和经过缝槽中心沿Y轴正方向取从下边界到上边界两点的路径为观测线，得到煤体所受孔隙压力随观测线距离变化而变化的曲线图3-5和图3-6。

距离缝槽中心越近，孔隙压力越小；割缝对上、下煤层瓦斯渗流影响大，而对两侧的影响相对较小。煤体应力和位移的改变对瓦斯的渗流状态有着直接的影响，应力释放的越充分，位移越大，瓦斯渗流效果越好，孔隙压力也相应越小。这是因为割缝割缝释放了煤层内煤体的部分原始应力，使煤体所受有效应力减小，煤体骨架发生膨胀变形，孔隙裂隙扩大，孔隙率增加，加速了煤层内瓦斯气体瓦斯在煤体孔隙裂隙内的流动，有利于瓦斯排放，煤体所受孔隙压力变小即是瓦斯充分排放的结果。

卸压区安全宽度变化

将数值计算所得煤体所受应力值与孔隙压力值代入式（1-1）计算出确保安全的卸压区极限宽度，得到卸压区安全宽度随与工作面距离变化曲线如图3-7。

计算结果表明：割缝后距离工作面前方10m范围内的煤体其测算卸压区安全宽度能保证在2m以内，这说明在工作面前方10m范围内进行采掘活动，只要防突措施的执行范围超过2m，就可以保证掘进工作面前方煤体煤与瓦斯突出不会形成，而这也正与《煤矿安全规程》规定的5m的措施孔超前距一致。数值模拟结果进一步证明高压磨料射流割缝防突技术的卸压防突思想的正确性。

结论

（1）割缝后，在缝槽正上、下方煤体应力、位移和孔隙压力变化较大，而两帮变化较小；距离缝槽中心越近，煤体应力释放和发生位移越大，卸压效果越明显，瓦斯渗流速度越快，煤体所受孔隙压力越小，瓦斯排放越充分。

（2）数值计算所得数据推算出：割缝后在割缝卸压区域10m范围内煤体卸压区安全宽度控制2m以内，证明高压磨料射流割缝措施能起到卸压防突的良好效果；同时，模拟结果与《煤矿安全规程》规定的5m措施孔超前距的要求一致。

参考文献：

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1993：1-8.

[2]陈淼，李宝玉等.水力割缝防突技术在掘进工作面的应用[J].中国煤炭，2010，（05）：96-98.

[3]周世宁，瓦斯在煤层流动的机理[J].煤炭学报，1990，15（l）：61-67.

[4]林柏泉，周世宁，张仁贵.煤巷卸压带及其在煤和瓦斯突出危险性预测中的应用[J].中国矿业大学学报，1993，（04）：44-51.

[5]J.Bear. Flow and Contaminant Transport in Fractured Rock[M]. San Dieo：Academic Pr Inc.1993.