高壓磨料射流割縫防突過程中的流固耦合數值模擬

陳淼 李富偉 李廣 曹勝 左英杰 付鵬飛

摘要：基于流固耦合理論，采用ABAQUS對高壓磨料射流割縫的卸壓效果數值模擬結果表明：高壓磨料射流割縫能使槽縫周圍煤體所受地應力和孔隙壓力減小，卸壓區安全寬度范圍內的煤體充分卸壓，突出危險性降低或消除。

關鍵詞：煤與瓦斯突出；流固耦合；地應力；瓦斯壓力

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

煤與瓦斯突出是煤礦安全生產最嚴重的災害之一，是煤層內瓦斯氣體與煤巖體流固耦合作用下煤巖體發生失穩破壞所造成的動力現象[1]。高壓磨料射流在煤層內割縫消除地應力和排放瓦斯，利用其較純水射流切割能力強、切割速度快、水量小等優勢，作為一種高效的掘進防突措施，為突出礦井實現安全高產高效起到了重要的作用[2]。

但是，一直以來，人們對割縫防突機理的研究局限于孤立地對割縫后瓦斯排放和煤體應力、位移變化規律分別進行分析，沒有充分考慮瓦斯流體與煤巖固體之間的耦合運動[3]。因此，本文充分考慮高壓磨料射流割縫防突過程中的流固耦合作用，對高突煤層的割縫防突效果進行數值模擬，對煤與瓦斯突出機理研究及防治具有一定的指導意義。

2.地應力與瓦斯壓力對突出的影響

煤層巷道開挖以后，巷道周圍圍巖應力將重新分布，首先，煤體邊緣部分會遭到破壞，形成卸壓區域，此部分原煤體應力由自身結構所承受，使應力逐漸向深部擴展，依次形成卸壓區、應力集中區和原始應力區[4]。

3.高壓磨料射流割縫數值模擬

3.1模型選取及邊界條件

選取掘進工作面前方巷道尺寸為的三維模型為參考對象。為方便計算，分別選取平行和垂直于掘進工作面且截面面積為和的二維橫向和縱向平面為研究對象，從工作面截面中心左右水平割縫，形成高、寬、深的規則槽縫。本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，固體骨架采用八節點實體孔壓單元CPE8P，分別包含6944和11836個網格。

忽略鉆孔過程中瓦斯排放以及割縫過程中水對煤體的影響，在模型上邊界施加應力載荷，將下邊界設置約束，進行第一步計算；然后利用生死單元將割縫空間單元去除，其他邊界條件不變，同時在模型外邊界設置流體壓力邊界條件，并利用SFLOW語句在文件生成的INP文件中定義縫槽邊界為滲流出口邊界，利用INITIAL CONDITINS語句添加煤體初始孔隙比，進行下一步計算。

3.2數值模擬結果及分析

（1）應力分布與位移變化

割縫后縫槽周圍煤體所受地應力大大降低。在橫向截面，以縫槽底部經過縫槽中心沿Y軸負方向的上、下截面兩點路徑為觀測線，得到煤體所受Y方向應力隨觀測線距離變化而變化的曲線圖如圖3-1；在縱向截面，以經過縫槽中心的X軸正方向從縫槽底部到右側邊界路徑為觀測線，得到煤體所受Y方向應力隨觀測線距離變化而變化的曲線圖如圖3-2。

縫槽上、下方煤體應力隨觀測線距離變化呈拋物線變化，在距離縫槽中心上方5處煤體應力幾乎與原始應力相等。距離縫槽中心越近，煤體應力變化越大、卸壓作用越明顯；距離縫槽中心越遠，應力減小程度越小且其值越接近于煤體原始應力狀態。

煤體所受應力在距離縫槽底部0.8m處達到峰值17.68，正是應力向深部轉移的結果，而在遠離工作面的煤層深部，應力值趨近于原始應力值。

以縫槽底部經過縫槽中心沿Y軸正方向取從下邊界到上邊界兩點的路徑為觀測線，得到煤體所受Y方向應力隨觀測線距離變化而變化的曲線圖3-3。

（2）瓦斯滲流狀況

圖3-4分別顯示了瓦斯氣體滲流后在橫向截面和縱向截面內煤體孔隙壓力的等值線云圖，由于孔隙壓力是瓦斯氣體壓力作用于煤體而引起的，孔隙壓力的變化情況實質上反應了瓦斯氣體在煤層內部的流動狀態。割縫后縫槽周圍煤體的孔隙壓力以縫槽為中心，依次呈梯度增加，最后在距離縫槽中心較遠處與原始孔隙壓力值持平。

從橫向截面孔隙壓力等值云圖可以看出，割縫對煤體孔隙壓力的降低幾乎影響到了整個模型截面，這一點充分說明了割縫排放瓦斯效果好、影響范圍廣的優點。

就橫向截面分別以經過縫槽中心沿X軸正方向取從左邊界到右邊界兩點的路徑和經過縫槽中心沿Y軸正方向取從下邊界到上邊界兩點的路徑為觀測線，得到煤體所受孔隙壓力隨觀測線距離變化而變化的曲線圖3-5和圖3-6。

距離縫槽中心越近，孔隙壓力越小；割縫對上、下煤層瓦斯滲流影響大，而對兩側的影響相對較小。煤體應力和位移的改變對瓦斯的滲流狀態有著直接的影響，應力釋放的越充分，位移越大，瓦斯滲流效果越好，孔隙壓力也相應越小。這是因為割縫割縫釋放了煤層內煤體的部分原始應力，使煤體所受有效應力減小，煤體骨架發生膨脹變形，孔隙裂隙擴大，孔隙率增加，加速了煤層內瓦斯氣體瓦斯在煤體孔隙裂隙內的流動，有利于瓦斯排放，煤體所受孔隙壓力變小即是瓦斯充分排放的結果。

卸壓區安全寬度變化

將數值計算所得煤體所受應力值與孔隙壓力值代入式（1-1）計算出確保安全的卸壓區極限寬度，得到卸壓區安全寬度隨與工作面距離變化曲線如圖3-7。

計算結果表明：割縫后距離工作面前方10m范圍內的煤體其測算卸壓區安全寬度能保證在2m以內，這說明在工作面前方10m范圍內進行采掘活動，只要防突措施的執行范圍超過2m，就可以保證掘進工作面前方煤體煤與瓦斯突出不會形成，而這也正與《煤礦安全規程》規定的5m的措施孔超前距一致。數值模擬結果進一步證明高壓磨料射流割縫防突技術的卸壓防突思想的正確性。

結論

（1）割縫后，在縫槽正上、下方煤體應力、位移和孔隙壓力變化較大，而兩幫變化較小；距離縫槽中心越近，煤體應力釋放和發生位移越大，卸壓效果越明顯，瓦斯滲流速度越快，煤體所受孔隙壓力越小，瓦斯排放越充分。

（2）數值計算所得數據推算出：割縫后在割縫卸壓區域10m范圍內煤體卸壓區安全寬度控制2m以內，證明高壓磨料射流割縫措施能起到卸壓防突的良好效果；同時，模擬結果與《煤礦安全規程》規定的5m措施孔超前距的要求一致。

參考文獻：

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，1993：1-8.

[2]陳淼，李寶玉等.水力割縫防突技術在掘進工作面的應用[J].中國煤炭，2010，（05）：96-98.

[3]周世寧，瓦斯在煤層流動的機理[J].煤炭學報，1990，15（l）：61-67.

[4]林柏泉，周世寧，張仁貴.煤巷卸壓帶及其在煤和瓦斯突出危險性預測中的應用[J].中國礦業大學學報，1993，（04）：44-51.

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