突出煤層掘進工作面槽硐突出能量分析

劉錫明 劉敏慧 秦憲禮 張曉宇

1.黑龍江科技大學安全工程學院，哈爾濱 150022

2.黑龍江科技大學外語系，哈爾濱 150022

3.黑龍江科技大學礦業工程學院，哈爾濱 150022

1 概述

在突出煤層應用水力掏槽快速掘進時，掘進工作面的槽硐中會存在小的煤與瓦斯突出產生，為了水力掏槽措施能在黑龍江省礦區應用，根據礦區煤層賦存特點、地質條件、開采等情況，針對水力掏槽槽硐突出的能量進行深入分析，從而找出誘發槽硐突出的主要能量來源。為更好的改善水力掏槽措施適應黑龍江省礦區開采條件，提供理論基礎。

2 槽硐突出能量轉換分析

槽硐中煤與瓦斯突出能量轉換與巷道中突出相似，突出能量主要為煤體中瓦斯內能、頂底板彈性潛能和煤體彈性潛能，在整個突出過程中，突出能量主要轉換為對突出孔洞煤體的破碎做功、噴出破碎煤體的移動功和煤瓦斯流與障礙物摩擦做功等能量。

關于突出能量的計算，有很多學者進行了討論[1，2]，綜合考慮，本文中突出能量關系可表達為：

式中，W ——突出噸煤煤體產生能量，kJ/t；

W1——突出噸煤煤體彈性潛能，kJ/t；

W2——突出噸煤煤體瓦斯內能，kJ/t；

3 煤體彈性潛能分析

煤體彈性潛能在突出過程中的主要作用是破碎煤體和增加煤體溫度，同時，為煤體釋放瓦斯內能創造條件。

突出前，煤體處于原始應力狀態，作用在煤體質點上的三向應力是相等的[3]；在煤體破裂階段，由于煤體彈性變形能遠遠大于瓦斯內能，瓦斯內能在這個階段發揮作用很小，可以忽略不計，煤體彈性變形能的能量主要轉換為煤體破碎和摩擦生熱兩個方面，同時由于應力集中帶前移，為了進一步達到應力動態平衡，煤體彈性潛能逐漸做功釋放，直至煤體破碎彈性潛能消耗完為止。由于突出時間短，變形能轉化為摩擦內能較少，主要是轉化為破碎煤體做功，因此，槽硐中突出過程煤體彈性變形能可用三向應力表示：

式中，W1——突出單位體積煤煤體彈性潛能，MJ/t；

E ——煤的彈性模量，MPa；

μ——煤的泊松比；

σ1、 σ2σ3——分別為三個方向的主應力，MPa。

通過對黑龍江省礦區煤樣力學測試實驗，煤的彈性模量E 為280MPa，煤的泊松比μ取0.3，煤體容重為1.51t/m3。三個方向主應力σ1=σ2=σ3受槽硐煤體自重和地質構造力影響，由于黑龍江省礦區平均開采深度在500～600m，地質條件復雜，可考慮應力集中系數為2，即σ1=σ2=σ3=2× 0.025× 500=27.5MPa。由公式（2）可計算掘進工作面槽硐周圍煤體噸煤彈性潛能為：

即槽硐周圍煤體噸煤彈性潛能為1073kJ/t。

4 煤體瓦斯內能分析

煤體破碎后，煤體彈性變形能消耗殆盡，對煤體做功基本結束，由于煤體破碎后，產生大小不一的裂縫，為瓦斯涌出提供前提條件，即瓦斯內能開始做功。在瓦斯涌出過程中，一部分瓦斯內能進一步破壞煤體并擴展裂縫空間；另一部分瓦斯內能對破碎的煤做功向外部空間拋出[4]。在瓦斯內能做功階段，瓦斯內能等于瓦斯向外部空間做功與煤體增加的表面能。

噸煤瓦斯內能可按下式計算[5]：

式中：W2——突出噸煤瓦斯內能，MJ/t；

V ——參與突出過程做功的噸煤瓦斯涌出量，m3/t；

p1——煤拋出后工作面瓦斯壓力，MPa；

p1——突出前煤層瓦斯壓力，MPa；

n——過程指數。

參與突出過程做功的噸煤瓦斯涌出量V可接近于煤層內游離瓦斯含量，一般為煤層含量的10～20%，取10%。煤拋出后工作面瓦p斯壓力可按大氣壓計算，p0可取0.1Mpa，煤層瓦斯壓力1均值為0.83MPa，噸煤瓦斯含量為28m3/t。從多數突出實例來看，突出的全過程接近絕熱過程，過程指數n近似取1.25[6]即可。由公式（3）可得，槽硐周圍煤體噸煤瓦斯內能為：

即槽硐周圍煤體平均噸煤瓦斯內能為590kJ/t。

5 頂底板彈性潛能分析

彈性潛能大小關鍵影響因素是彈性體彈性模量的大小。彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標。巖體彈性模量可以按照體積應變進行分析，彈性模量E 、體積應力P 和體積應變的關系為：

式中，E ——彈性模量，MPa；

P ——作用在巖體上的壓強，MPa；

(? dV )——巖體體積減少量，m3；

V——巖體原來體積，m3。

對相同體積巖石、煤試件做三向應力測試，巖石相對于煤的應變(? dV V)非常小，通過公式（4）可知，巖石的彈性模量遠遠小于煤的彈性模量；同時，水力掏槽槽硐位置一般設置在煤層中心，槽硐邊緣距離頂底板0.5～1m，與頂底板存在一定厚度的煤層，所以水力掏槽對頂底板的影響相對較弱。由于頂底板本身彈性模量較大且受到外力P較小，因此，槽硐突出時，頂底板彈性潛能可以忽略不計。

由公式（1）可知，黑龍江省礦區突出煤層應用水力掏槽防突措施中，掘進工作面槽硐周圍煤體突出總能量為：W= W1+ W2+ W3= 1073 + 590 +0 =1663kJ/t。

6 結語

（1）從上述分析可知，由于槽硐尺寸相對整個巷道斷面尺寸小得多，所以槽硐對周圍煤體影響范圍也相對較小，即槽硐突出總能量較小。

（2）三種能量中，煤體彈性潛能最大，瓦斯內能相對較小，主要原因是黑龍江省礦區平均采深較大，地應力大，煤體瓦斯滲透率小造成的。

（3）頂底板彈性潛能在槽硐突出中幾乎不起作用，主要原因是槽硐設置在煤層中心位置，距離頂底板較遠，槽硐的影響對頂底板的作用很小，同理，頂底板對槽硐的反作用力也很小，可以忽略不計。

[1]文光才. 煤與瓦斯突出能量的研究[J]. 礦業安全與環保，2003，30（6）：1-4.

[2]俞啟香. 礦井瓦斯防治[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，1992.

[3]蔣成林，俞啟香. 煤與瓦斯突出過程中能量耗散規律的研究[J]. 煤炭學報，1996，21（2）：173-178.

[4]王剛，程為民，謝軍，等. 瓦斯含量在突出過程中的作用分析[J]. 煤炭學報，2011，36（3）：429-433.

[5]程五一，劉曉宇，王魁軍等. 煤與瓦斯突出沖擊波陣面傳播規律的研究[J]. 煤炭學報，2004，29（1）：57-60.

[6]焦作煤業集團科研所. 嚴重突出煤層快速掘進防突技術研究[R]. 焦作煤業集團科研所，2002.