卸压槽防突措施模拟试验研究

2004年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2004

第23卷 第22期

卸压槽防突措施模拟试验研究

蔡成功

(河南理工大学资源与材料工程系 焦作 454159)

摘要 通过模型简化，建立了卸压槽数值模拟力学模型，模拟了多个技术方案的卸压槽开挖，得出了开挖卸压槽后煤体位移、破坏模式及合理的技术方案。在数值分析基础上，设计研制了开挖连续卸压槽装置，并在井下进行了实际开挖试验。数值分析和开挖试验表明，卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，合理的槽型为两帮竖槽。 关键词 采矿工程，煤与瓦斯突出，卸压槽，数值模拟，防突措施

分类号 TD 713.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)22-3790-04

SIMULATION AND TESTING STUDY ON OUTBURST PREVENTION

MEASURE OF PRESSURE-RELIEF SLOTS

Cai Chenggong

(Department of Resource and Material Engineering，Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454159 China)

Abstract Base on simplified model，a mechanical model is established to simulate cutting pressure-relief slots. The numerical simulation on multiple schemes is conducted. Coal seam displacements，failure mode and reasonable technical scheme are obtained. A device of cutting pressure-relief slots is designed according to the results，and cutting test is conducted in mining survey. Simulation and cutting test results show that pressure- relief slots efficiently relieves stress and drains out gas and the reasonable shape of pressure-relief slots is two-side slots. Key words mining engineering，coal and gas outbursts，pressure-relief slot，numerical simulation，outburst prevention measure

放瓦斯效果充分，但由于无专用开挖装备，所以一直未得到广泛应用。综掘机掘进工艺为开挖卸压槽提供了技术途径。因此，研究利用掘进机自身动力驱动和控制的开挖卸压槽装备、工艺及其防突作用机理，无论是对有效防治煤与瓦斯突出，还是对提高矿井机械化水平和经济效益，都具有重要的现实意义，对煤与瓦斯突出机理的研究也有所稗益[1]。

1 引 言

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的严重自然灾害之一，严重威胁着煤矿的生产安全。为了有效防治突出，国内外研究提出了超前钻孔、松动爆破、水力冲孔等各种防突措施，取得了一定的防突效果，但各种措施不仅工程量大，严重制约掘进速度，而且无一例外的是，在采取了防突措施后，都发生过突出事故。同时，目前煤巷掘进应用的各种防突措施大多是针对炮掘工艺提出的，与机掘工艺不相适应。卸压槽防突措施尽管其对煤体卸压和排

2003年9月19日收到初稿，2003年11月13日收到修改稿。

2 卸压槽开挖方法

为了开挖连续卸压槽，针对ELMA煤巷掘进机研制了专用开槽装置(图1)。装置外径140 mm，长

作者 蔡成功 简介：男，43岁，硕士，1983年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专业，现为高级工程师，主要从事煤与瓦斯突出方面的研究工作。

第23卷 第22期 蔡成功. 卸压槽防突措施模拟试验研究 • 3791 •

1 700 mm，截割部长700 mm，为提高实用性，采用等强度梁原理设计，同时对截割头及中心钻进行了改造。开挖卸压槽时，卸下中心钻，将开槽装置直接插入截割头中心孔内，用固定螺栓固定，利用掘进机自身动力进行卸压槽开挖。掘进和开挖卸压槽掘进机工作状态见图

2。

1 700 mm

700 mm

1 2

3 4

1—端头 2—截齿 3—螺旋叶片 4—固定键

图1 开槽装置

Fig.1 Cutting device of pressure-relief slots

1 2 3

(a) 掘进时工作状态

4

2

3

(b) 开挖卸压槽时工作状态

1—中心钻 2—截割头 3—掘进机 4—开槽装置

图2 掘进和开挖卸压槽时掘进机工作状态 Fig.2 Operation conditions of roadheader at tunneling and

cutting pressure-relief slots

3 卸压槽合理参数的数值模拟

3.1 模拟范围及力学参数确定 3.1.1 模型简化

掘进工作面煤体处于3向应力状态，开挖卸压槽后其位移主要表现为槽的水平和垂直位移，沿巷道掘进方向变形相对较小[1]

。同时，大量突出事例表明，突出前工作面煤体一般无大变形发生，可以认为突出前煤体处于线弹性小变形状态

[2，3]

。因

此，本文将开挖卸压槽时的工作面煤体简化为已知初始应力场条件下模拟开挖的平面应变问题。 3.1.2 数值模拟范围

掘进巷道宽3.5 m，高2.5 m，取巷道尺寸的6倍作为模拟范围[4]，即取宽21 m，高15 m。根据对

称性，取模拟范围的一半，即宽10.5 m，高15 m。

3.1.3 力学参数

试验地点为焦作煤业集团九里山矿13081工作面，煤层厚5.86 m，有严重煤与瓦斯突出危险。煤层顶、底板均为砂岩，岩层力学性质见表1。

表1 数值模拟力学参数

Table 1 Mechanical parameter for numerical simulation

弹性 抗压 粘聚力

内摩擦角 层别 模量 强度 c/MPa

抗拉强度 ϕ /(°) 泊松比 密度 γ /MPa /MPa 初始 残余 /MPa 初始 残余

µ /g・cm－

3 砂岩 10 000 36.005.4004.380 01.50 45.0 39.00 0.27 2.65 煤

1 400 4.360.4330.346 4

0.36

32.6 26.08 0.30

1.45

3.2 力学模型及边界条件

图3为力学模型。AB边为巷道中心，只有垂直位移，无水平位移；当模型取“足够大”时，CD边也只有垂直位移，无水平位移；而底部BC边简化为固定边；顶部AD边因砂岩顶板较好，可以认为在卸压槽开挖前后应力无变化，只有位移的变化，于是，此边作为作用外载荷的自由边，将地层应力作为外载荷作用于此边上。

P0 A

D 岩砂 层 煤 岩 砂B

C 图3 数值模拟力学模型及单元划分

Fig.3 Mechanical model and meshing for numerical

simulation

3.3 模拟开挖方案

开挖方案如图4，分别模拟开挖水平槽、中央竖槽、两帮竖槽、组合槽4个技术方案，实际计算取一半。开挖卸压槽宽度为

150 mm。

巷道 卸压槽

(a) 水平槽 (b) 中央竖槽 (c) 两帮竖槽 (d) 组合槽

图4 模拟开挖方案 Fig.4 Simulation of cutting schemes

• 3792 • 岩石力学与工程学报 2004年

3.4 数值方法

采用NCAP-2D非线性弹塑性有限元分析程序进行数值模拟分析。离散化见图3，在巷道断面位置单元加密。模拟分2步，首先计算原岩应力场，然后进行模拟开挖。 3.5 数值模拟结果及分析 3.5.1 塑性区范围及破坏形式

就塑性区范围而言，组合槽的塑性区范围最大(图5)，其次为两帮竖槽，水平槽和中央竖槽的塑性区范围小，且控制巷道两帮范围明显不足。

(a) 水平槽 (b) 中央竖槽

(c) 两帮竖槽 (d) 组合槽

图5 卸压槽塑性区范围 Fig.5 Plastic zone of pressure-relief slots

开挖水平槽后，在槽顶底部出现拉应力拉裂破坏区，往外为压应力剪切破坏区，且破坏区主要沿槽的两角方向发展；中央竖槽大部分塑性区呈剪切破坏，仅有槽外侧中部煤体个别单元发生拉应力破坏；两帮竖槽槽外侧塑性区形态与中央竖槽基本相似，但由于开两条竖槽，两槽中间煤体发生塑性破坏，因此塑性区范围较中央竖槽大得多；开挖组合槽后，水平槽上、下方，竖槽右侧多个单元煤体发生拉应力拉裂破坏，拉应力破坏区范围在各种槽形中是最大的，并出现多种破坏形式，外为剪切破坏。所有的拉应力破坏几乎均发生在煤层内。

3.5.2 开槽后卸压槽周围煤、岩体变形

开槽后，巷道顶、底板煤岩层位移模式为顶板下沉和底板鼓起(图6)。由图6可以看出，组合槽的位移量最大，明显大于其他3种槽形，最大顶板下沉量达77 mm，已发生塑性破坏，最大底鼓量达25 mm，也是各种槽形中最大的；水平槽的位移量仅次于组合槽，最大顶板下沉量达43 mm，最大底鼓量也达18 mm；两帮竖槽的顶板下沉量与水平槽相差不大但底鼓量小得多。中央竖槽的顶板下沉量最小，无底鼓现象发生。

组合槽 75 水平槽 mm

两帮竖槽 / 中央竖槽 量60沉下45 板顶30 m15 m5/ 6 7 8 量00 1 2 3 4 鼓底－15距槽距离 /m 板

底－30图6 开挖卸压槽后顶、底板位移量变化 Fig.6 Roof and floor displacements after cutting pressure-

relief slots

开槽后煤、岩层位移的另一个特点是竖槽槽两侧煤体向槽中央合拢。图7给出了中央竖槽和两帮竖槽槽两侧煤体合拢量。由图中曲线可以看出，中央竖槽和两帮竖槽位移模式基本相同，最大位移量达57 mm。随着远离卸压槽，煤体的位移量越来越小，在距槽1.5 m以后，出现少量的压缩变形。

6050 中央竖槽 m40m 两帮竖槽 /量30移20 位10 0－100 1 2 3 4 距槽距离

/m 图7 竖槽两侧煤体位移变化

Fig.7 Displacements of coal seams on two sides of vertical

slot

综合上述分析，可以认为组合槽对煤岩体的卸压效果最好，其次为两帮竖槽和水平槽，中央竖槽的卸压范围不够，效果较差。确定现场试验的槽型为组合槽和两帮竖槽。

第23卷 第22期 蔡成功. 卸压槽防突措施模拟试验研究 • 3793 •

4 井下开挖工艺试验

在工作面首先进行两帮竖槽开挖试验。开挖分3个循环进行，每循环进刀0.5 m，工艺简单，槽形规则(图8)。卸压槽变形主要为槽两帮煤体合拢，且槽中央变形量大于槽上、下两端的变形量，平均变形量为45～60 mm(表2)，与数值模拟结果接近，说明数值模拟参数选择合理，模拟结果可信。

2 100 0145～170 05 1单位：

mm

图8 两帮竖槽实际开挖情况

Fig.8 Cutting conditions of vertical slots on two sides

表2 卸压槽变形量

Table 2 Displacements of the pressure-relief slots

槽型 原始槽宽/mm

最终槽宽/mm

平均变形量/mm

上帮竖槽 170 125 45 下帮竖槽

145

85

60

组合槽试验在开挖水平槽时，由于突出煤层煤质松软，在开挖第2，3刀时，对先前开挖出的卸压槽破坏作用大，成槽效果较差(图9)。同时，槽顶部煤体冒落严重，对煤体扰动大，易诱导煤与瓦斯突出。因此，在试验矿井松软煤层条件下，很难开挖出规则的水平槽，故无法开挖出组合槽。

开槽前测定3个钻孔初始瓦斯流量为2.44～4.36 L/min，开槽后距槽2 m位置钻孔初始瓦斯流量为30.78 L/min，是开槽前最大流量

4.36 L/min的

2 000 单位：mm

1 500 图9 水平槽试验 Fig.9 Test of horizontal slots

7.06倍。同时，在开槽过程中及开槽后3 h内，掘进工作面较正常情况下多排放180 m3的瓦斯量。因此，可以认为卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，起到了较好的防突作用。

5 结 论

通过数值模拟分析和实际开挖试验，可以得到以下初步结论：

(1) 有限元数值模拟分析表明，开挖卸压槽后，卸压槽周围煤、岩体发生塑性位移和破坏，破坏方式有拉应力拉裂破坏、压应力剪切破坏以及拉压组合破坏方式。

(2) 数值模拟和井下实际开挖结果表明，组合槽的位移量和塑性区范围最大，其次为两帮竖槽。在具有严重突出危险的煤层中无法开挖出规则的水平槽条件下，合理的槽型为两帮竖槽。

(3) 卸压槽卸压和排放瓦斯作用显著，能够起到较好的防突效果。

参 考 文 献

1

林柏泉，周世宁. 煤巷卸压槽及其防突作用机理的初步研究[J]. 岩土工程学报，1995，17(3)：32～38 2 周维垣. 高等岩石力学[M]. 北京：水利电力出版社，1989 3 徐小荷，余 静. 岩石破碎学[M]. 北京：煤炭工业出版社，1984 4

张德兴. 有限元素法新编教程[M]. 上海：同济大学出版社，1989