断层岩柱瓦斯超前突出机理数值模拟及防护厚度

针对矿井巷道掘进面前方遭遇含瓦斯断层时,安全岩柱内的沉积界面将会遭受气体损伤作用的问题,通过ABAQUS软件的二次开发,基于流-固耦合理论和T-P损伤演化准则的cohesive单元,对豫西大平煤矿21轨道下山一次大型瓦斯突出事故进行数值模拟。计算结果表明：由于受巷道开挖所产生的二次应力与断层带瓦斯压力的共同作用,前方岩柱内两个沉积界面将优先产生损伤软化现象。随着巷道向断层带的推进,气体的侵蚀作用不断加强,沉积界面的损伤急剧增加并向掘进面延伸。当掘进面距离前方断层分别为19,17,15 m时,上层面相应产生6.2,9.7,13.4 m长的损伤裂隙;下层面相应延伸距离较短,仅产生4.1,4.6,4.8 m长的损伤裂隙。与此同时,上层面瓦斯急剧渗透扩展,在掘进面前方1-2 m处开始出现3.5 MPa的孔隙气压升高带。由此可见,界面差异性强的上层面相对较弱的下层面容易损伤,而且损伤后的沉积界面优先产生相应的渗流扩散现象。当损伤沉积界面最终贯通掘进面与断层面之间的岩柱,即裂隙损伤长度达到极限岩柱安全厚度时,瓦斯将突破岩体阻抗并产生冲击地压。

巷道断层带瓦斯突出及防护岩柱临界厚度确定

矿井巷道在穿越含瓦斯断层或石门揭煤的掘进过程中,常常遇到岩石(煤)与瓦斯的超前突出。为科学地预留安全岩柱,通过深入分析各种突出影响因素,笔者修正了微元体中有效应力的表达式,从断裂力学的角度分析了岩柱内裂隙面上的应力状态,通过分析裂纹尖端周边的应力场,得出了裂纹尖端应力集中的力学成因,认为岩石(煤)与瓦斯突出是裂纹尖端应力强度因子达到岩体的断裂韧度时裂纹发生失稳扩展从而产生破坏的动力现象,并以此建立了岩柱临界安全厚度的计算模型。实践证明,计算得出的安全岩柱厚度与施工中的实际案例较为吻合。