上山掘进时卸压区安全宽度分析

1、维普资讯 10能源技术 与管理2005年第 1期上山掘进时卸压区安全宽度分析 黎明，林柏泉，支 (中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 221006)摘 要 当工作面前方的卸 区达到一定 度 ， 段煤体就会阻止突出 生。上山掘 突出 繁 生， 找出卸 区的安全 度，首先 掘 前方煤体 行了一定的假 ， 而从力学的角度分析掘 前方煤体的 力分布状况，并 一步得出了 算卸 区安全 度的方程 。如果 出具体 井的地 条件，可以采用 Mathcad 算出它的卸 区安全 度。关 】 卸 区； 力；上山；掘 中 分 号 TD322 、5 文献 A 文章 号 167

2、29943(2005)010010-030 前 言煤与瓦斯突出是煤 重的自然灾害之一，表 几吨至数千吨，甚至上万吨的破碎煤体在数秒至几十秒内由煤体向采掘空 抛出，并伴有大量瓦斯涌出，因此它 重威 着 井的安全生 。煤与瓦斯突出是地 力、瓦斯和煤的 度三者相互作用的 果，但是，在 中，倘若高的地 力、瓦斯 力和低的煤体 度所 位置 离采掘工作面 ， 不会引起突出，加大卸 区的 度，可防止煤与瓦斯突出。当煤 角比 大时，上山掘 很容易 生突出，以开 集 家沟 例， 上山突出占 突出的34、5。目前上山掘 ，一般都是采用深孔松 爆破、打卸 孔等措施来加大卸 区的 度防突。采用 些方法防突面 着一个共

3、同的 ：在不同的情况下，防止煤与瓦斯突出需要多 卸 区? 不 ； 短 不安全。 一 ，通 掘 前方的煤体作一定的假 ，然后从力学的角相等；垂直地 力与 面的地 力相等；煤的自重只在 X-,Y方向有分量 ；取掘 前方 x方向，垂直于煤 向下 y方向，垂直于 X-,Y平面的 z 方向，在煤 中取微元 行受力分析，如 1所示。根据静平衡条件，微元体的 力平衡方程 ：圈 l 骰兀压力分圈度分析掘 前卸 区的 力分布状况，并 一av+GsinQ+M。 ：0(1)”步推断出了 算防突所需卸 区 度的方程 ，av誓az一Gc一咖：0(2)采用数学工具 件 Matlab可解方程 ，找出上山掘 防止突出所需的最

4、小卸 区 度。从 例一一一0(3)：来看， 算出的 果跟 情况基本一致，由此可 ，本文所做的工作 防止煤与瓦斯突出有着极=(4)其重要的意 。由于卸 区内煤体已 破裂，根据极限平衡条件有：1 掘进头前卸压区应力分析=(P)rant?+C(5) 了 化分析 程，将掘 前的煤体 行=(dr：一P)tant?+C(6)一些假 ：煤 均匀；瓦斯 力上下、左右及后方zyz=(一P)tan?+C(7)维普资讯 2005年第 1期齐黎明等 上山掘进时卸压区安全宽度分析作用于巷道前方的瓦斯 力可表示 ：根据剪应力互等定理，有：a =K( +m) K为常数(8)采用 Exc

5、el回归 出几段线性函数，通用表达根据上面 8个方程联合解出掘进头前方的应式可表示为。P=UX+V。力表达式为：A为孔隙所占的面积比，M=u。+ eee+ 骞器1-tatan2n2(p (KU+M)1-tatan2n2TGc0鲰+u】x+二二二二( !(K一(K+2)tan2 一2tan3。r【K(0sdtan(c(0sd一(an(c)sinaitan(一。in一1 ；咖胁一K(KU+M)z+D(9)(K+2)tal2(D一2taIlj(D。2 卸压区长度计算esI一Dl+182S2(Sle2S5o I)+04376S2(Sles5e I)e eI一00356(sjs1)一DEl+Dle2s5

6、+为了计算简单，下面用一些字母代表式(9)中7357S7+2S6(e 一e e2S5)(15)相应的表达式，简化结果如下：D32=Dl+(182S2e。+0438s)Sle28-Oy=02e 。eSje +(S2U+S3)x+( U+S6)Y+esI+089S +012258($2S1)一D2lDsleh(S9U+Sl0)z+Dl(1O)(16)现假设煤层原始瓦斯压力为 12MPa，绘 出 因为卸压区内的煤体处于应力极限平衡状压力曲线图，然后再采用 Excel回归 出三段线性 态乜，为简化计算，假设上下两面的剪切应力积分函数如下：之和等于左右两侧的积分之和，则有以下平衡微P：22961x+01

7、103 0x02(11)分方程：P=04752x+04848 02x12(12)2 dy+0-018 2(3Xrmdx+3Xrdx)P=00376x+10163 12x6(13)瓦斯压力分三段来表示，理所当然应力也应K(D1es(e2s51)(1+2Ss)s,+2(00376S2+该分三段用三个方程来表示。这三个方程有以下S3)X+6(00376S7+S6)+2D32)+0O18x=限制条件：大气压力为 01MPa，即初始应力 为2箜。x +01MPa；在 02、12处的值和一阶导数的值应0l该相等。这样，三个方程中，除了X、v、z，只有一个(00188S2+05S300188)x2+(089

8、S209163未知数 D2。当 z=0，Y=0时，r 也可用三个分段2258($2S1)一DE1)xt +Cx+LD21(eo2sl1)一方程来表示，相应在 0到 X上积分也可分三段zrodx。 同0353S2+e2sIeo： )一来表示：rodz=rodx+t1-0dx+000 2：l 2理，当 z=0，Y=2时，r正在 0到 X上积分也可分三!：e1,2+0 36+D1段来表示：Ora(Ix=0r,2dx+02r也d)【+。12rdx。088( sdsI )tan+在卸压区与应力集中区的交界 X处 ，当Y=0、rD2l+182S(Sleo -)+0437S2(Sle -一一 S。z=0时L

9、 一ld ：D23eh +(00376S2+S3)x+Dl3(14)e2eslx+(00188S+05S300188)x2+(0889S2Dsl=I)2l+(182S2e+0438s2)Sle - 09163一(22936S2S。)一D2le2 一72818S7)x维普资讯 12能源技术与管理2005年第 1期tan + CX + D21 ( s1) +区长度与内摩擦角、粘结力成反比。从卸压区的长度来看，三个值分别是 4942 m、3677 m、D21+182s#(s1 e0 -)+04736Sd(S1 e12SI)4597m，而实际矿井中，卸压区的长度在

10、 25msl之间，由此可见，计算的结果与实际情况基本吻e2e -一0348s2+036tan(17)合。在卸压区与应力集中区的交界 x处 ，o 应与原岩应力相等，o =o。它的应力表达式 为：o= Dl2l+(182S2esl+0438 s2)Sle12s1e5l +(00376S2+S3)x+089S2+012258(S2S1)一D2l12x6(18)当煤的内摩擦角、粘结力、上山倾角及原始地应力给定以后，(15)、(16)、(17)、(18)四个方程中只有 D3、D32、D2及 x四个未知数，从理论上讲，可以计算出x，但是，因为此方程很复杂无法直接推导出x的表达式，但是可以采用数学软件 Ma

11、thcad 从数值解的角度将 x的值计算出来。只根据 (15)、(16)、(17)、(18)四个方程从表面上无法分析结果，因此笔者设置了几种情况，并采用 Mathcad计算 出了相应的卸压区长度，具体如表 1所示。表 1 各种参数情况下的卸压区长度内摩擦角 30， 内摩擦角 35。， 内摩擦角 30。，3 结 论(1)从理论上推导出了掘进头前卸压区的应力分布状况，从曲线方程来看，卸压区的应力呈指数分布，这与现场实测情况是一致的。(2)根据卸压区的应力分布，进而计算出了卸压区安全宽度，从表 1的数据可看 出卸压区的长度跟内摩擦角、粘结力成反比。(3)在矿井实际生产中，可根据本文的理论计算出卸压区

12、安全宽度，再结合以往的工作经验，确定所需的卸压区长度。参 考 文 献1林柏泉矿井瓦斯防治理论与技术M徐州：中国矿业大学出版社，19982蒋承林煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术M徐州：中国矿业出版社，1998参数置箍暑 箍努 差蔫 作者简介廊力 40MPa麻力 04 MPa力 04 MPa齐黎明，男，现为中国矿业大学能源与安全工程学院卸度494236774597安全工程硕士研究生。收稿日期：20041212从表 1可以很清楚 的看出：防突所需的卸压Analyzing ofsafety width in depressurized areaOur|ng ralSe tlriving-QILim

13、ang，LIN Bquan，刁丑 Xiao-wei(ChinaUniversityofMiningandTechnology，xuzhou221008，China)Abstract：Itwillpreventthe outburstwhen the destressed zone that is in het frontofworking face reach sonqtelength eouthutsttakesplaceintheraisetunelingfrequendy，with hetobjectoflookingforhetsafetyidthw ofhet destressed zone ，nda author supposed het coalhattis in frontofhet tunneling place to be somestate irstlyf，nda nalyseda itsstressdistribution from het mechanicspointofview，and computed hetequation group ab