刘锡明 周 静 徐海梅 武立斌

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

1 问题的提出

水力掏槽措施期间偶尔会有煤与瓦斯突出发生，造成人员、设备设施的破坏。为减少突出的破坏，应从突出产生的能量、冲击波压力差两方面深入地分析，探求其影响因素、相互关系及作用范围。从而为水力掏槽措施如何安设设备、安全设施位置及通风系统调整提供理论依据。

2 突出能量分析

槽硐中煤与瓦斯突出能量主要由煤体中煤体弹性潜能、瓦斯内能和顶底板弹性潜能组成。突出过程中，突出能量主要消耗在煤体破碎、抛出和生热。吨煤突出能量关系可表达为:

其中，W为突出吨煤煤体产生能量，kJ/t;W1为顶底板弹性潜能，kJ/t;W2为突出吨煤煤体弹性潜能，kJ/t;W3为突出吨煤煤体瓦斯内能，kJ/t。

对同体积岩石、煤试件做三向应力测试，岩石的弹性模量远远小于煤的弹性模量;同时，水力掏槽槽硐位置一般设置在煤层中心，槽硐边缘距离顶底板0.5 m～1 m左右，与顶底板存在一定厚度的煤层，由槽硐卸压带范围［1］可知，水力掏槽对顶底板的影响相对较弱。因此，槽硐突出时，顶底板弹性潜能作用可以忽略不计。

实际上，槽硐突出破碎煤体的主要起始能量是槽硐周围煤体弹性潜能，突出前，煤体处于原始应力状态，作用在煤体质点上的三向应力是相等的［2］;在煤体破裂阶段，由于裂隙很小，煤体内游离瓦斯涌出量很少，瓦斯内能释放不出来，所以起主要作用的是煤体弹性潜能。随应力重组槽硐周围煤体持续破裂，煤体弹性潜能迅速释放，直至煤体破碎弹性潜能消耗完为止。因此，槽硐中突出过程煤体弹性变形能可用三向应力表示为:

其中，W2为突出单位体积煤煤体弹性潜能，MJ/t;E为煤的弹性模量，MPa;μ为煤的泊松比;σ1，σ2，σ3分别为三个方向的主应力，MPa。

槽硐周围煤体破碎后，在煤体中产生大小不一的裂缝，为瓦斯膨胀能释放提供前提条件。在瓦斯涌出过程中，一部分瓦斯内能进一步破坏煤体并扩展裂缝空间［3］;另一部分瓦斯内能对破碎的煤做功向外部空间抛出［4］。在不考虑破碎煤体能量损失的情况下，吨煤瓦斯内能为［5］:

其中，W3为突出吨煤瓦斯内能，MJ/t;V为参与突出过程做功的吨煤瓦斯涌出量，m3/t;p0为煤抛出后工作面瓦斯压力，MPa;p1为突出前煤层瓦斯压力，MPa;n为过程指数。

根据实际矿区煤层赋存、瓦斯赋存、开采条件等情况进行定量分析。以东海煤矿为例，该矿32号煤层平均煤厚1.69 m，采深700 m，瓦斯含量为 16.06 m3/t，煤的容重为 1.51 t/m3。对煤样做力学测试可知，弹性模量E=280 MPa，煤的泊松比μ=0.3。突出刚开始参与做功的吨煤瓦斯涌出量V可接近于煤层内游离瓦斯含量，一般为煤层含量的10%～20%，取15%，煤层瓦斯压力p1均值为0.79 MPa，煤抛出后工作面瓦斯压力p0可按大气压计算，取0.1 MPa。一些专家学者［6-8］认为，突出的全过程接近绝热过程，过程指数n近似取1.25［1］即可。由于煤层埋藏深、地质条件复杂且受地质构造力的影响，应力集中系数可取2，即σ1=σ2=σ3=2×0.025×70=35 MPa。由式(1)可得东海煤矿吨煤突出能量为:

3 突出冲击波压力差分析

巷道中发生突出后，冲击波会在巷道中产生静压即冲击波压力差。根据程五一等人［5］对煤与瓦斯突出冲击波阵面传播规律的研究可知，突出发生后，冲击波在巷道产生的压力差为:

其中，Δp为突出后冲击波在巷道中产生的压力差，MPa;px为距离突出点x波阵面上的压力，MPa;p0为煤抛出后工作面瓦斯压力，MPa;δ为系数;W为突出吨煤煤体产生能量，kJ/t;S为冲击波通道断面面积，m2;x为距离突出点距离，m。

其中:

其中，k为气体压缩系数，可按下式计算:

其中，ρ0为空气密度，取1.2 kg/m3;c0为音速，常温下可取340 m/s;p0为煤抛出后工作面瓦斯压力，取105Pa。

则:

代入式(4)可得吨煤能量的冲击波在巷道产生的压力差:

若突出煤量为G，则突出冲击波在巷道中产生的总压力差为:

由式(5)可知，突出冲击波在巷道中产生的压力差与突出煤量成正比，与冲击波通道断面面积、距离突出点位置成反比。水力掏槽措施引起的突出冲击波，最终还是在巷道中体现，因此槽硐突出产生的冲击波以巷道尺寸分析。

以东海煤矿32号煤层发生突出为例，巷道断面面积S=8 m2，则在不同突出等级下，距离突出地点不同位置冲击波产生的压力差为:

突出等级在500 t～1 000 t，距离突出点100 m～1 000 m范围内，突出在巷道不同位置产生的压力差如图1所示。

图1 不同突出等级下距突出点距离与其压力差的关系

4 结语

1)突出冲击波压力差与突出能量成正比，与距突出点距离成反比。

2)对突出能量、冲击波压力差分析，可以计算出不同突出等级、不同位置的静压大小，为突出影响范围内设施设计合理安全距离提供依据。

［1］焦作煤业集团科研所.严重突出煤层快速掘进防突技术研究［R］.2002.

［2］蒋成林，俞启香.煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究［J］.煤炭学报，1996，21(2):173-178.

［3］景国勋，张 强.煤与瓦斯突出过程中瓦斯作用的研究［J］.煤炭学报，2005，30(2):169-171.

［4］王 刚，程为民，谢 军，等.瓦斯含量在突出过程中的作用分析［J］.煤炭学报，2011，36(3):429-433.

［5］程五一，刘晓宇，王魁军，等.煤与瓦斯突出冲击波阵面传播规律的研究［J］.煤炭学报，2004，29(1):57-60.

［6］刘明举，颜爱华，丁 伟，等.煤与瓦斯突出热动力过程的研究［J］.煤炭学报，2003，28(1):50-53.

［7］牛国庆，颜爱华，刘明举.煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究［J］.西安科技学院学报，2003，23(3):245-248.

［8］张嘉勇，罗欣荣，郭立稳.瓦斯突出过程中煤体温度异常变化原因分析［J］.煤炭技术，2011，30(9):88-89.