突出煤层槽硐周围煤体的应力与应变

刘锡明,　周　静,　武立斌

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022;2.双鸭山建龙集团 建龙矿业有限公司, 黑龙江 双鸭山 155100)



突出煤层槽硐周围煤体的应力与应变

刘锡明1,周静1,武立斌2

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022;2.双鸭山建龙集团 建龙矿业有限公司, 黑龙江 双鸭山 155100)

为研究水力掏槽技术在突出煤层中实现快速掘进，分析槽硐周围煤岩的应力与应变、煤体弹性模量与竖固性系数的关系。利用ANSYS有限元软件建立水力掏槽槽硐数值模型,分析槽硐横向、竖向剖面周围煤岩体应力、应变云图。结果表明:槽硐周围煤体在应力重组作用下,径向、轴向应力集中带均向深部移动;距离槽硐不同位置测点,煤体应力、应变均呈规律性变化;同一剖面上距离槽硐中心径向距离越大,煤岩位移量、应变、应力变化越小;距离槽口轴向距离越大,煤岩位移量、应变、应力变化越大,但是超过一定距离后,又逐渐减小。现场实验结果验证了理论分析和数值模拟结果的准确性。

突出煤层; 水力掏槽; 应力; 应变

0　引　言

水力掏槽技术是利用高压水射流连续破碎煤体、释放大量瓦斯、改善煤体应力状态实现防突的新技术[1]。该技术在焦作煤业集团的应用取得了十分显著的效果[2-4]。截至目前,众多学者对水力掏槽技术在突出煤层中快速卸压防突的机理作了研究,但均未给出详细、明确的解释。若要更好地利用水力掏槽技术,需深入分析水力掏槽防突机理、槽硐尺寸与煤层赋存的关系、槽硐周围煤岩应力与应变变化等。为此，笔者从理论、数值模拟和现场实验三方面分析槽硐对周围煤岩应力、应变的影响。

1　理论分析

1.1应力与应变的关系

实施水力掏槽措施后,槽硐周围煤岩承受的三向平衡应力受到破坏,应力重新分布,集中应力带向煤体深部及两侧推移,导致工作面附近煤体和顶板分别在水平方向与垂直方向发生较大位移。取槽硐周围测点到深部不动点之间煤体作为实验煤柱。掏槽过程中煤柱深部一端不动,测点一端向槽硐移动。这一过程可假设为:深部端点不动,测点一端向深部压缩,压缩量与测点向槽硐移动位移量相等。对煤体进行均质同性弹性假设,应力、应变关系服从胡克定律:

σ=ε×E,

(1)

式中:σ——煤的应力,MPa;

ε——煤的应变;

E——弹性模量,MPa。

通过现场实验,测定测点应变值ε,带入式(1)可计算出该点应力变化。结合煤体的应力与应变曲线(应力变化用应力变化值与煤体的最大抗压强度的比值来表示,即Δσ/Δσmax)来确定槽硐周围的塑性破坏区,以考察水力掏槽的卸压效果[5]。具体判断方法为:认为破裂自周边向煤体内部发展,如果掏槽2 h后[1],煤体应力变化达到抗压强度,为进入塑性破坏阶段的煤体,包括这些煤体的区域即为卸压区;未达到抗压强度的煤体处于弹性状态。1.2煤体弹性模量与坚固性系数的关系

对于突出危险性煤体,测定弹性模量E是非常困难的。根据文献[6]煤岩弹性模量E与单轴抗压强度σc之间的关系可以较好地拟合成曲线,即

(2)

而煤体单轴抗压强度σc与煤的坚固性系数f之间的关系又可表示为

σc=10f,

(3)

将式(3)代入式(2)得

E=3 980f1.49。

(4)

2　数值模拟

2.1槽硐周围煤岩体参数

以黑龙江省某煤矿30#煤层为例,研究水力掏槽槽硐周围煤体的应力应变。该煤层地质构造、水文地质条件简单,平均厚度15 m,采深100 m,瓦斯质量体积为16.06 m3/t,主要力学参数如表1所示。煤层上覆岩土层厚度分别为黄土层10 m、砾石层30 m、石灰系层15 m、灰岩层30 m。

表1　煤层主要力学参数Table 1　Main mechanical parameters of coal seam

2.2有限元模型

2.2.1模型尺寸

实际水力掏槽的尺寸为宽1.0 m、高1.5 m、深20.0 m。为完整分析槽硐周围煤体应力、应变,模型尺寸设为长40 m、宽30 m、高100 m。由于模型是对称图形,为节约分析运算时间,将模型从槽硐中间竖直平分,文中仅分析二分之一网格模型。

2.2.2边界条件

(1)位移边界条件

模型尺寸较大,可充分分析槽硐上部和水平方向煤体应力、应变。由于槽硐位于煤层中下部位置,对下部煤体的影响较小,故不予考虑。设定上边界和槽硐周围为自由面,Ux≠0,Uy≠0,即上边界、水平方向没有位移约束;下边界取Ux=Uy=0,即为全约束条件。

(2)应力边界条件

由于地应力远大于瓦斯内力,故在模型上施加载荷时仅考虑上覆岩层自重应力。模型上部应力边界相当于上覆岩层自重应力G,G=ΣρgH,其中,ρ为上覆岩层密度,g为重力加速度,H为岩层厚度。

2.2.3网格划分

煤层和岩层均为非线性材料,则物理模型单元选为186[7-8]。根据煤岩层参数、槽硐尺寸、边界条件建立数值几何模型,定义材料属性,并进行网格划分,结果如图1所示。

图1　模型网格划分Fig. 1　Mesh generation of model

2.3结果分析

先后对数值模型进行煤岩重力加载和煤层中瓦斯内力加载,并进行受力分析[9-11]。槽硐轴向应力、应变剖面如图2、3所示;槽硐径向应变、应力剖面如图4、5所示。

图2　槽硐轴向x、y、z三向应力云图Fig. 2　Axial x、y、z direction stress nephogram of hole

图3　槽硐轴向应变及等效应力云图Fig. 3　Axial strain and equivalent stress nephogram of hole

图4　槽硐径向应变及等效应力云图Fig. 4　Radial strain and equivalent stress nephogram of hole

由图2、5可以看出,槽硐径向应力最小,轴向应力最大。说明径向煤岩塑性范围比轴向大,即卸压范围径向大于轴向;同时说明应力重组动态平衡后,槽硐轴向深部易形成应力集中带。轴向应力剖面图中,x、y方向应力均大于z向应力,说明槽硐z向煤岩受到煤岩重力和瓦斯内力较大。

由图3、4可以看出,y方向应变大于x方向应变。说明由于受煤岩自重和瓦斯内力作用,槽硐上部煤岩应变较大,即塑性区上部范围大于水平方向范围。

图5　槽硐径向x、y、z三向应力云图Fig. 5　Radial x、y、z direction stress nephogram of hole

3　现场实验

水力掏槽措施实施后,槽硐逐渐收缩,主要表现为两帮煤体趋向合拢明显,且位移量随煤的坚固性系数f减小而增大。实验以巷道壁为基准,分别设计测孔和测点,掏槽前,在掘进工作面上距离巷道壁1 m左右范围内,打钻掏出多个测孔,并在各个测孔内距离槽口4.5、6.0、7.0、8.0、10.0 m处安设位移计,然后掏槽并在槽硐形成120 min后,即应力重组完成后,分析测孔内位移计的数据,计算位移量、应变ε、σ/(γH)及σ/σmax。实验测定结果如图6、7所示。

图6　距槽硐口不同位置径向剖面上不同测点的位移量与应变Fig. 6　Displacement and strain of different point in radialsection of different position from hole entrance

图7　距槽硐口不同位置径向剖面上不同测点的σ/(γH)、σ/σmaxFig. 7　σ/(γH) and σ/σmax of different point in radialsection of different position from hole entrance

由现场测定结果可知,槽硐周围煤体在径向上位移量、应变ε、σ/(γH)及σ/σmax四个参数均随测点距槽硐中心位置距离增大而减小;在槽硐轴向上四个参数基本上随距槽口距离减小而增大。现场实验、理论分析与ANSYS数值模拟结果基本一致。

4　结　论

(1)掏槽后槽硐周围煤体在应力重组作用下,径向、轴向应力集中带都向深部移动。

(2)槽硐不同位置径向、轴向剖面上,不同测点煤岩位移量、应变、应力呈规律变化:同一剖面上距离槽硐中心径向距离越大,煤岩位移量、应变、应力变化越小;距离槽口轴向距离越大,煤岩位移量、应变、应力变化越大,但是超过一定距离后,又逐渐减小。

(3)现场实验与理论分析、ANSYS数值模拟结果基本一致。

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(编辑荀海鑫)

Stress and strain observed in coal body around slots produced by hydraulic cutting technology in outburst coal seams

LIUXiming1,ZHOUJing1,WULibin2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.Jianlong Group of Shuangyashan, Jianlong Mining Co.Ltd., Shuangyashan 155100, China)

This paper is meant to investigate the mechanism behind the outburst protection using hydraulic cutting technology, as is required for more rapid excavation in outburst coal seam. The specific investigation is best attained by analyzing the relationship between stress and strain, and between elastic modulus of coal and consistent coefficient; developing the numerical model for the holes produced by hydraulic cutting technology using ANSYS finite element software; and analyzing the law underlying the change in the stress and strain occurring in the coal and rock mass around the transverse and vertical sections of holes. The results show that under the action of recombined stress induced by cutting, coal body around is exposed to the radial and axial stress concentrated zone moving to deeper place; a larger radial distance from the hole center on the same profile means a smaller change in the displacement, strain, and stress observed in coal and rock, of the coal; and a larger axial distance from the hole entrance implies a bigger displacement, strain, and stress occurring in coal and rock, which tends to decrease gradually beyond a certain distance. Field experimental results verify the accuracy of theoretical analysis and numerical simulation.

outburst coal seam; hydraulic cutting; stress; strain

2014-11-10

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11553090)

刘锡明(1975-)，男，河北省沧县人，讲师，硕士，研究方向：煤层气综合利用、矿山安全，E-mail：lxming-2003@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.001

TD713

2095-7262(2015)01-0001-05

A