防突栅栏的防突机理及应用.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 0 8年 6月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A C O AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 3 No ． 6 J u n e 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 6 0 6 7 0 0 5 防突栅栏 的防突机理及应 用 单智勇 1 ． 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ． 焦作煤业 集团有限责任公司，河南 焦作4 5 4 0 0 3 摘 要 在分析煤与瓦斯突 出能量来源的基础上 ，利用冲击动力学理论 ，建立煤与瓦斯突出的强 度、能量与防突结构的变形能之 间的关系，根据型钢的极 限抗 弯强度 ，并结合剪应 力和整体稳定 性验算，计算防突栅栏处于极 限状 态时可以承担 的最大煤与瓦斯突出强度 ，从而形成防突栅栏的 极限设计方法．现场试验证明防突栅栏是一种有效防止煤与 瓦斯 突出事故扩大的技术措施． 关键词 煤与 瓦斯 突出；防突栅栏 ；突出强度 ；极限设计 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 文献标识码 A Ac t i o n m e c ha n i s m o f pr e v e nt o ut bu r s t b a r r i e r a nd i t s a p pl i c a t i o n S HAN Zh i y o n g 1 ． S c h o o l o fR e s o u r c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g＆ T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3； C h i n a 2 ． ∞ C o a l I ndu s t r i a l G r o u p C o ．L t d ． ，J ／ a o z u o 4 5 4 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n a n a l y s i n g e ne r g y o r i g i n o f c o a l a n d g a s o u t b u r s t ，t h e r e l a t i o ns hi p b e t we e n t he i n t e n s i t y a nd e n e r g y o f c o a l a nd g a s o u t b u r s t a n d t he d e f o r ma t i o n e ne r g y o f t h e a n t i - o u t bu r s t s t r u c t u r e wa s s e t u p b y i mpa c t d y n a m- i c s t h e o r y．Ac c o r d i n g t o t h e l i mi t fle x u r a l i n t e ns i t y o f b e a m ， a nd c o mb i n e d s h e a r s t r e s s a n d o v e r a l l s t a b i l i t y c o mp u t a t i o n， t he l arg e s t c o al an d g a s o u t b ur s t i n t e n s i t y t ha t a nt i o u t b u r s t g r i d c a n a f f o r d a t t he l i mi t s t a t e c o u l d b e c o n v e r s e l y c a l c u l a t e d，t h us f o rm e d t h e l i mi t de s i g n me t h o d o f t h e a n t i o u t b ur s t d．Pr a c t i c s p r o v e t h a t t he pr e v e n t o u t bu r s t g r i d i s a n e f f e c t i v e me a s ur e t h a t c a n we a k e n t he c o a l a n d g a s o u t b u r s t s ． Ke y wo r ds c o a l a n d g a s o u t b u r s t s； p r e v e n t o ut bu r s t b a r r i e r ； o u t b u r s t i n t e n s i t y； l i mi t d e s i g n 随着矿井开采深度的逐步加深，地应力和瓦斯压力也逐渐增大 ，地质条件更加复杂 ，煤与瓦斯突出 日 趋严重，干 吨 以上 的特 大 型突 出时有 发 生．2 0 0 2年淮 北 芦 岭 煤 矿 发 生 强度 为 1 0 5 0 0 t 、瓦斯 量 为 9 3 ． 8 2万 m 。 的特大型突出，瓦斯逆流 3 2 0 0 m；2 0 0 4年郑 州煤业集 团大平煤矿突 出煤量 1 8 9 4 t ，瓦斯量 2 5万 m。 ，突出波及矿井 4个采 区．特大型突出的发生 ，突 出波及相邻工作面、井巷 ，乃至整个矿井 ，威 胁到整个矿井的安全．因此 ，在 目前不能杜绝煤与瓦斯突出发生的情况下 ，研究防止突出事故扩大的措施 具有重要的现实意义． 我 国煤与瓦斯 突出研究工作主要集中在突出预测 、防突技术措施等领域 ，对防止突出事故扩大措施研 究工作开展 的较少 ，而对石 门揭煤可能发生特大型突出，必须采取有效 的措施降低突出强度 ，防止突出发 生后瓦斯逆流造成灾害事故扩大， 尽可能减小煤与瓦斯突出事故的危害，确保突出危险掘进工作面安全生 产．本文利用冲击动力学理论 ，从突出发展能量来源角度 ，建立煤与瓦斯突出的强度、能量与防突结构的 变形能之间的关系，根据型钢的极限抗弯强度 ，计算防突栅栏处于极限状态时可以承担 的最大煤与瓦斯突 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 1 3 责任编辑韩 晋平 基金项目国家自 然科学基金重点资助项目 I S F C 5 0 5 3 4 0 7 0 ；教育部高等学校博士点基金资助项 目 2 0 0 6 0 4 6 0 0 0 1 作者简介 单智勇 1 9 6 6 一 ，男 ，河南鹿邑人 ，教授级高级工程师．Em a i l s z y 1 6 3 t o p 1 6 3 ． c o rn 维普资讯 第 6期 单智 勇 防突栅栏 的防突机理及应用 6 7 1 出强度 ，并现场设计 、安装 了防突栅栏 1 煤与瓦斯突 出的能量来源 含瓦斯煤层在发生煤与瓦斯突出时的能量条件 卫 为 1 ，2 ， 3 ≥ A， 式 中， ， 分别为围岩、煤层积聚的弹性潜能 ； 为瓦斯以压力形式作用于煤体产生的弹性潜能 ；W 为煤体释放出的瓦斯膨胀能； 为煤层被粉碎到突出后 的煤粉时消耗 的能量 ；A为突出煤岩被抛 出所消耗 的能量． 在煤与瓦斯突出的激发阶段 ，煤岩 中积聚的弹性能是煤体破碎的主要能量来源 ，即主要用于煤 的破碎 做功等 ；而突出得以向煤体深部发生 ，瓦斯膨胀能是形成煤 岩一瓦斯 流的主要能源 ，同时消耗于破碎 煤粒粉的二次破碎． 2 防突栅 栏的防突机理理 论分析 2 ． 1 煤与瓦斯突出时瓦斯膨胀能的计算 发生动力现象时释放 的能量 由 3部分组成 ① 高压瓦斯释放 的瓦斯膨胀 能；② 煤体弹性能；③ 围岩 释放的弹性 能 J ．煤体和 围岩 释放 的弹性能是 突出得 以发生的动力 ，其作用 主要是破碎煤 岩 体 ；瓦斯 膨胀能是 突 出得 以发展 的能量 来 源，其 作用 是抛 出、 搬运 已经破碎 的煤体．因此 ，防突栅栏 的作用就是 克 服突出释放的瓦斯膨胀能 ，其突出冲击波的模型如图 1 所示． 根据对煤与瓦斯突 出机 理 的研究 ，煤体发生 突出 时 ，膨胀瓦斯 的内能属于多变过程 ，最后接近绝热过程． 量之间交换能量时 ，瓦斯压力从 P 膨胀至大气压力 P 。 ； 功 。 为 a b 图 1 冲击波模型 Fi g ．1 Mo d e l o f s h o c k wa v e 在不考虑瓦斯粉碎煤 、摩擦产热和粉煤 一瓦斯能 体积从 膨胀 到 时，对 空气介质所做 的膨胀 V O W f p d V , J 由绝热条件得 P P 。 ． 2 联合方程 1 ， 2 ，可得吨煤瓦斯 的膨胀 内能为 [ 】 ’ 式 中， 为吨煤突出的瓦斯量 ，r n 。 ／ t ；凡为绝热指数 ，对于等温过程 凡1 ，对于绝热过程 凡1 ． 3 1 ，对于 多变过程 1～1 ． 3 1 ． 如果煤与瓦斯突出强度为 s ，瓦斯膨胀的内能 为 W W S ． 3 2 ． 2 防突栅栏中梁的载荷计算N ,5 瓦斯突出发生后 ，突出冲击波作用在 防突栅栏上 ，如果防突栅栏有效 ，粉煤与瓦斯混合物的速度迅速 降低 ，从而使防突栅栏在很短 时间 内承担较 大的冲击载荷 ，栅栏 自身发生一定 的变形 ，承担相应 的变形 能 娟 ．计算时，不考虑冲击波传播过程中的沿程消耗 ，瓦斯突出所释放 的瓦斯膨胀能全部作用在防突栅 栏上 ，转化为栅栏 的全部变形能 ，即 ∑ ， 维普资讯 6 7 2 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 式中， U p 为 单个栅 栏的 变形 能， U p J， d ； 为 栅栏的弯矩 ；E为栅栏梁 的弹性模量 ；I 为栅栏梁的惯矩． 防突栅栏结构形状为由槽钢组合成主次梁的钢结构， 主格梁和次格梁为同型号的槽钢主格梁 与次格梁焊接连接 图 2 ．主格梁与次格梁之间形成 间距相等的网格 ，并在 次格梁上应用小断面圆钢焊接铺设成 网格 ，也可以利用钢 丝绳铺设 网格．计算时，先设定主次梁槽钢 的型号和主格 梁与次格梁的间距 ，进而计算相应的变形能． 2 ． 2 ． 1 次格梁载荷的计算 7 1 对于每个次格梁 ，其支承形式为简支梁 ，受均布载荷 作用 图3 a ． g I l l I l I i I l ， 图2 防突栅栏组合梁结构 F i g ． 2 B u i l d u p b e a m c o n s t r u c t i o n o f t h e o u t b u r s t p r e v e n t i o n b a r r i e r 图 3次格梁和主格梁 载荷 的计 算 F i g ． 3 T h e l o a d c a c u l a t i o n o f t h e s e c o n d a r y b e a m a n d t h e ma i n b e a m 次格梁均布载荷 qt o l ， 其 中， 为冲击载荷在巷道断面 的分布 ；z 为次格梁 的跨度． 梁两端支承力为 A B z ． 梁的剪力方程为 Q R A q x} t o l 一to l x ． 梁的弯矩方程为 R q x 1 z ． 梁 的变形能为 ． 2 ． 2 ． 2 主格梁载荷的计算 _ 8 ] 对于单根主格梁 ，其载荷计算如图 3 b 所示．次格梁传来 的集中载荷 F t o l ． 如果次格梁将每根主格梁分成 等份 ，则主格梁跨度为 ，梁两端支承力为 n一1 F n1 z ． 由于主格梁受到次格梁的集中力 F作用 ，载荷在梁上分布不连续 ，为方便表示主格梁 的剪力和弯矩 ， 引入奇异函数应用于梁 的分析．根据奇异 函数定义和主格梁的载荷形式 ，梁 的剪力方程 Q x 为 Q n 一 1 F 。 一 F 一 z 。 一 F 一 2 z 。 一 ⋯一 F 一 一 1 z 。 一 一 F 一 n 一 1 z 。 ． 弯矩方程 为 凡一1 F 一F z 一F 一2 z 一⋯ 一F 一 i 一1 z 一⋯ 一F 一 n一1 z 1 ． 维普资讯 第6期 单智勇 防突栅栏的防突机理及应用 6 7 3 梁 的变形能为 2 ． 2 ． 3 防突栅栏的变形能计算 如果防突栅栏 主格梁数 目为 m十1 ，次格梁将每根主格梁划分成 n等份． 大小就可以确定 ，则防突栅栏可 以承担的变形能 U p n一1 m m 联合式 3 ， 4 ，得 W S n一1 m pmU p ． 4 如果巷道断面已知 ，r n ，n的 2 ． 2 ． 4 主、次格梁最大载荷的确定 梁的抗弯强度是梁正常作用的主要条件 ，剪应力一般只作 为梁 的剪应 力强度验算．梁 的正应力 、 剪应力 T m a x 强度校核条件为 ≤ ] ， 式 中， l l⋯为最大弯矩 ；Wz 为抗弯截面模量 ； [ ]为型钢 的抗弯许用应力 ； l Q l ⋯ 为最大剪力 ； l s l ⋯为所求剪应力 丁的水平线一侧部分截面面积对 中性轴的最大静矩 ；， 为 中性轴 的惯矩 ；b为截面 宽度． 梁的最大弯矩为 M Wz l J ． 根据型钢型号和钢材抗弯力学性能 ，得出主格梁 的最大弯矩 ，计算出主格梁的最大变形能和相应次格 梁的变形能 ，从而可以获得防突栅栏 的最大许可变形能 U 。 ．这样 ，防突栅栏 防治煤与瓦斯突 出的最大 强度为 ⋯ S 一． 同样地 ，如果依据掘进工作面最大突 出强度作为钢结构栅栏的防突标准 ，可以计算 出主、次格梁相应 的变形能，然后选择合适的截面 、材料 以及主次梁 的网格尺寸 ；如果单个防突栅栏不能满足要求 ，可 以设 置多级防突栅栏． 3 防突栅栏 的应用 实例 九里山矿 1 5采区位于矿井东翼 ，为下山采区 ，走向长度 1 1 5 0～1 6 0 0 m，倾斜宽度 7 5 0 m，煤层平均 厚度 5 ． 2 m， 倾角 1 0 ～ 1 2 。 ．首采工作面 1 5 0 2 1 工作面 于2 0 0 4年 1 1 月回采结束．煤层瓦斯含量3 2 m ／ t ， 压力 1 ． 5 MP a ．瓦斯吸附常数 r z 4 1 ． 8 3 m ／ t ，b0 ． 9 8 4 P a ， f 0 ． 1 6 ．煤层直接顶为粉砂岩 ，深黑色、 厚层状致密 ，厚度 2 ． 5 m；老顶 为砂岩 ，浅灰色 ，厚层状 、细 中粒砂岩 ，厚度 5 ． 7 m；伪底为炭质泥岩， 厚度 0 ． 2 8 m，直接底为粉砂岩 ，厚度 3 ． 6 m． 2 0 0 5 0 82 3，1 5 0 5 1运输巷在 掘进 至 6 8 ． 1 m处发 生一起炮后特大 型煤与瓦斯 突出，突 出煤量 为 2 3 9 7 t 、突出瓦斯量 2 3 ． 2 5万 m ，最大逆风距离达 8 0 0余米 ，造成 1 5采区泵房瓦斯浓度达 1 0 ％ 以上．瓦 斯进入进风巷道 ，因无机 电失爆等原因 ，未造成瓦斯爆炸．为解决特大型突出问题 ，自2 0 0 6年起 ，1 5采 区各掘进工作面均按照综合 防突 的要求 ，在掘进工 作面设置 防突栅栏 等安全设施．2 0 0 61 20 9位 于 1 5 0 5 1 运输巷浅部 的水平 1 5 0 4 1运输 巷发生一起煤 与瓦斯突 出，在防突栅栏的作用下 ，突出煤量仅达到 2 3 9 t ，涌 出瓦斯量达到 1 4 0 9 8 I I 1 ，未发生逆流现象．同样 ，在 2 0 0 7 0 5 2 6，位于 1 5 0 5 1运输巷浅部 的 水平 1 5 0 3 1运输巷发生一起煤 与瓦斯 突出，防突栅栏及 时动作 ，突出后 清理堆积煤共计 1 2 4 t ，瓦斯量 1 6 8 7 6 m ．对比 2 0 0 5年 “ 8 2 3 ”突出造成 的严重瓦斯逆流现象可以看出 ，防突栅栏等设施 的及时动作 ， 是突出强度和灾害范围得到控制的主要原因． 维普资讯 6 7 4 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 由3次突出实例的对 比可知 ，突出煤量 由原来的 2 3 9 7 t 减少到 1 2 4～ 2 3 9 t ，尤其是在防突栅栏后侧 ， 煤量明显减少．突出瓦斯量由 2 3 ． 2 5万 1T I 减少到 1 4 0 9 8～ 1 6 8 7 6 1 T I ，且未造成瓦斯逆流．显然 ，防突栅 栏有效地降低了突出强度，防止了煤与瓦斯突出事故的扩大． 4 结 论 发生动力现象时释放的能量有瓦斯膨胀能和煤 、岩体中积聚的弹性能．煤 、岩体释放 的弹性能是突出 得以发生的动力 ，其作用主要是破碎煤 岩 体 ；瓦斯膨胀能是突出得 以发展的能量来源 ，其作用是抛 出、搬运已经破碎 的煤体． 利用冲击动力学理论 ，建立煤与瓦斯突出的强度 、能量与防突结构的变形能之间的关系 ，提出防突栅 栏 的极限设计方法．依据极限设计方法 ，在 已知巷道断面、型钢型号和栅栏密度 ，可以计算出每道防突栅 栏最大可以抵抗 的突出强度 ，从而在掘进工作面配置合适 的防突栅栏数量 ；根据设计方法 ，可以对型钢截 面进行优化 ，获得防突栅栏最大的抵 防突出强度．该设计方法为防突栅栏设计提供了理论依据 ． 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 俞启香．矿井瓦斯防治技术 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 0 ．8 7 9 0 ． Y u Q i x i a n g ．T h e t e c h n o l o g y o f m i n e g a s p r e v e n t i o n[ M] ．X u z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y P r e s s ，1 9 9 2 ． 8 7 ～9 0． 佩图霍夫．冲击地压和突出的力学计算方法 [ M] ．北京煤炭工业出版社 ，1 9 9 4 ．1 3 1 1 6 9 ． He a N X O B H M． P a c q e i H b e M e I O b I B M e X a H H K e r o p H b I X y a p o B H B b I 6 p O C O B [ M] ．B e i j i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho us e，1 99 4． 1 311 6 9． 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 ，2 0 0 4 ，2 9 1 5 7～ 6 0 ． C h e n g Wu y i ， L i u X i a o y u ， Wa n g K u u n ，e t a 1 ．S t u d y o n r e g u l a t i o n a b o u t s h o c kw a v ef r o n t p r o p a g a t i n g f o r c o a l 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