水力挤出防突机理研究

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1、煤巷掘进工作面水力挤出措施消突机理研究王兆丰（河南理工大学，河南焦作454000）摘要：本文以现场实测数据为基础，利用您0S有限元分析软件，对水力挤出措丿施实丿施前后的掘进工作面前方煤体应力分布、力学性质、瓦斯运移进行数值模拟，研究了水力挤出措施的消突机理。关键词：水力挤出；数值模拟，消突机理0引言煤巷掘进工作面是瓦斯突出的多发区，截至2003年底，在我国累计发牛的近20000次突出屮，煤巷掘进突出约占总突出次数的80%。目前，我国绝人多数突出矿井采川超前排放钻孔作为煤巷掘进工作面消突扌旳施。无论是小直

2、径密集排放钻孔还是大直径排放钻孔，都存在措施工程量大、占用掘进时间长、措施效检超标率高的缺点，其后果是煤巷掘进速度低、矿井采掘抽平衡失调。据统计，焦作、鹤壁、英岗岭、韩城、白沙等严重突出矿区煤巷掘进工作面刀掘进速度不足50m。针对上述问题，焦作煤业集团科研所和焦作工学院研究提出了一种新的消突措施一一水力挤出，并在焦作位村矿、九里山矿、古汉山矿、朱村矿、新龙矿业公司梁北矿和鹤壁十矿进行了推广，应用实践表明：水力挤出是一种适用于严重突出煤层煤巷掘进工作面高效快速的消突措沌，和超前排放钻孔扌旳施相比，煤巷刀掘

3、进速度可以提高―倍以上。本文拟以现场实测数据为基础，采川ANSYS有限元分析软件，对水力挤出措施实施前后的掘进工作面前方煤体应力分布、力学性质、瓦斯运移进行数值模拟，研究水力挤出措施的快速消突机理。1水力挤出措施工艺流程水力挤出措施的工艺流程包括钻孔施工和煤层注水两个主要环节。1.1钻孔施工如图1示，用煤电钻在煤巷掘进工作面正前方布置3-5个直径42mm.深8-10m的钻孔。图1水力挤岀钻孔布置1.2煤层注水注水钻孔用封孔器封孔后，利用注水泵对钻孔进行中高压注水(图2),最大注水压力需耍根据煤层埋藏深度

4、、力学性质和坚固性系数确定。注水时，可以采用多孔同注或单孔循环注水方式；当注水泵压力表压力显示值突降幅度超过30%时，终止注水。经效检证实突出危险性消除后，工作而可以在执行人身防护措施的前提卜•实施掘进。图2水力挤出设备与钻孔连接方式2水力挤出措施的消突优势从焦作位村矿、九里山矿、古汉山矿、朱村矿、新龙矿业公司梁北矿和鹤壁I•矿的使用情况來看,和超前排放钻孔和比，水力挤出是一种适合于煤巷掘进工作血的快速消突措施:⑴水力挤出只需要施工3—5个直径42mm.深8-10m的钻孔，一般情况下，包括钻孔施工在内的

5、整个水力挤出过程只需要不到1小时的时间，人人地减少了消突钻孔施工量，缩短了消突时间；⑵水力挤出扌旳施实沌后，效检指标的超标率不超过5%,掘进工作面nJ以实现止规的三班作业循环；⑶掘进工作曲月掘进速度显著提高，提高幅度达到100—120%。3水力挤出措施力学模型实施水力挤出询，掘进工作而丽方的煤体处于三向不对称受力状态，垂直方向受到上覆岩层自重应力bv,水平方向受到由垂总应力引起的侧向应力6,工作而巷道一•侧处于不受力的自由状态，如图4(a)4水力挤出措施数值模拟以焦作位村矿为例，釆用ANSYS有限元分析

6、软件对水力挤出措施后煤体的应力状态进行数值模拟。ANSYS软件数值模拟包括几何建模、定义单元类型和材料属性、网格划分、约朿和载荷施加、求解、通用后处理等步骤⑷。4.1基本假设②［311）工作而前方煤体连续、均质、各向同性；2）煤层属于线弹性体，遵循虎克定律；3）煤和瓦斯、水的耦合作用可以忽略不计。4.2水力挤出措施数值模拟1）几何实体建模根据试验矿井掘进工作面实际的儿何尺寸，取工作面前端高3mX宽4.2mX长12m的一段长方形煤休，在此煤休中布置5个直径42俪的孔，布孔方式及孔间距与现场实际相同，如图4

7、示。2）定义单元类型和材料属性本模型分析采用的有限单元为20节点solid95单元，该单元类型适合分析具有裂缝、孔隙性状的结构模型。据前述的假设分析，模型的材料属性定义为各项同性、均质、连续的线弹性体。弹性模量E=1065.73MPa,泊松比“=0.3。图4水力挤出实体模型及钻孔布置图5模型网格划分图3）网格划分采用空间六面体单元对模型分网，整个模型共划分为40839个单元，51836个节点。格划分结果如图5示。4）约束和载荷施加①位移边界条件加载煤体模型左右两个边界面（即巷道左右两帮）在建模时取至两帮

8、实体煤层的内部，受到内部实体煤层的限制，这两个面在水平方向和沿巷道方向位移其微，故在X方向（水平方向）、Z方向（巷道延伸方向）施加位移约束为0,Y方向（垂肓•方向）考虑到由于顶板下沉引起的煤体移动故不施加位移约束；上下两个边界面在实施水力挤出措施后，煤休顶板卜•沉，工作而前端煤体被挤出，水平方向被两侧煤体限制位移很小，故这两个而施加X方向（水平方向）的位移约束为0。煤体内部的而由于受到三个方向煤体的限制不能移动，故就加X、Y、Z三个方向的位