急傾斜煤層的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分研究

于麗艷 閆龍海

(黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)煤炭的需求量也在不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)階段我國(guó)大部分煤礦已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，沖擊地壓現(xiàn)象隨著開(kāi)采深度的逐步增加而越來(lái)越頻繁。沖擊地壓發(fā)生時(shí)其沖擊過(guò)程急劇而短暫，從幾秒到幾十秒，沖出的煤炭量很大，從幾噸到幾百噸，曾記錄到的礦山?jīng)_擊地壓最大震級(jí)已超過(guò)里氏5級(jí)，有時(shí)在幾千米范圍內(nèi)的地面都能感覺(jué)到，形成大量煤塵和強(qiáng)烈的空氣波。如果沖擊地壓發(fā)生在采礦巷道工作面還會(huì)對(duì)井下巷道、生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)礦工以及地表的建筑物均造成不同程度的影響。沖擊地壓的發(fā)生不僅威脅煤礦安全生產(chǎn)，而且影響生產(chǎn)指標(biāo)，造成產(chǎn)量波動(dòng)，坑木消耗加大，噸煤成本提高，對(duì)礦工安全造成很大威脅，使人員驚恐，工人出勤率降低，給生產(chǎn)往往造成嚴(yán)重破壞。沖擊地壓是世界范圍內(nèi)最危險(xiǎn)的礦山動(dòng)力現(xiàn)象，是煤礦最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。

由于沖擊地壓發(fā)生的原因極其復(fù)雜，影響因素頗多，且發(fā)生前無(wú)明顯宏觀前兆，因此對(duì)沖擊地壓的研究已成為巖石力學(xué)研究的一個(gè)重大課題[1-4]。

我國(guó)急傾斜煤層分布廣泛，尤其在南方地區(qū)80%的礦區(qū)賦存有急傾斜煤層，國(guó)有重點(diǎn)煤礦開(kāi)采急傾斜煤層的礦井?dāng)?shù)占17%，產(chǎn)量占3.88%，在地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中急傾斜煤層的礦井?dāng)?shù)約占37.58%，產(chǎn)量占7.0%。急傾斜煤層地質(zhì)條件大多數(shù)比較復(fù)雜，開(kāi)采急傾斜煤層時(shí)易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。因此有必要在開(kāi)采前結(jié)合礦山地質(zhì)條件及生產(chǎn)實(shí)際輔以數(shù)值模擬方法劃分出易于發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域[5-7]，對(duì)煤礦沖擊地壓的有效預(yù)測(cè)和防治提供一定的參考，繼而保證了采礦生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行，提高了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分依據(jù)

一般在煤巖體的高應(yīng)力集中區(qū)域處易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，因此作者把判斷煤巖體的高應(yīng)力區(qū)域作為劃分沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的依據(jù)。而高應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在以下幾處[8-10]:

1)礦井開(kāi)采后頂板冒落不充分區(qū)域及開(kāi)采所形成的垂直應(yīng)力集中區(qū)域。

2)一些特殊煤層處，如含瓦斯煤層(尤其在瓦斯壓力或瓦斯含量增高區(qū))，傾角較大的煤層，沒(méi)有被解放的煤層。

3)具有彈性能的煤柱的上、下方。

4)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造處，如火成巖侵入體附近、向背斜急轉(zhuǎn)軸處、斷層、煤層厚度急劇變化處。

當(dāng)然在此區(qū)域內(nèi)并不是說(shuō)每一處都要發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，只是一個(gè)把它作為相對(duì)危險(xiǎn)的區(qū)域，由于產(chǎn)生沖擊地壓的因素頗多，所以要綜合各種因素來(lái)考慮，比如說(shuō)煤和巖層本身的物理力學(xué)特性，煤巖所處的地質(zhì)概況及煤層的開(kāi)采方法等。

2 數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)概況

長(zhǎng)溝峪向斜南翼采區(qū)為單斜地層，煤巖層走向在東二～9剖面線之間為295°，9剖面線～長(zhǎng)溝峪向斜軸部轉(zhuǎn)折端之間為315°，平均為300°。該區(qū)4槽煤層平均傾角為55°，煤層最小厚度為0.05 m，最大厚度為7 m，平均煤厚3.3 m，大部分為單層結(jié)構(gòu)，局部為雙層結(jié)構(gòu)。偽頂為粉砂巖，厚度0.5 m，極發(fā)育;直接頂為粉砂巖，厚度15.0 m，較發(fā)育;老頂為砂巖，厚度22.0 m，較發(fā)育;底板為粉砂巖，厚度10.7 m，不發(fā)育。煤層厚度較為穩(wěn)定，大部分可采。地質(zhì)儲(chǔ)量29.4萬(wàn) t，可采儲(chǔ)量18.6萬(wàn) t。

2.2 有限元模型

根據(jù)采區(qū)地質(zhì)和煤巖條件在回采巷道推進(jìn)方向建立二維數(shù)值模擬有限元模型。為減小模型邊界效應(yīng)的影響，并根據(jù)4槽煤層頂?shù)装宓膰鷰r力學(xué)特征，在模型走向方向上取200 m，在模型垂直方向上取200 m。模型上邊界距地表約570 m，因此模型上部施加約為14.25 MPa的均布載荷，并考慮自重[11-13]。建立模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.3 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

各煤巖的物理力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給定，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

從圖2可知，未開(kāi)采時(shí)垂直應(yīng)力大小分布的總體趨勢(shì)是均勻的，值均為負(fù)值，煤巖體為受壓狀態(tài)，應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)在圖中的上下底板處，而應(yīng)力集中的主要原因是由于急傾斜煤層的存在。應(yīng)力最小值出現(xiàn)在煤層和底板下邊界處，最小應(yīng)力值4.67 MPa，整個(gè)模型應(yīng)力值都不大，相對(duì)大的應(yīng)力值出現(xiàn)在老頂處，值為 37.4 MPa，且范圍很小。

圖2 未開(kāi)采垂直應(yīng)力分布圖

圖3 推采不同距離時(shí)垂直應(yīng)力分布圖

由圖3可以看出:1)開(kāi)采13 m時(shí)拉應(yīng)力最大值為13.5 MPa，壓應(yīng)力最大值為72.5 MPa，開(kāi)采26 m和39 m時(shí)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力值減小，開(kāi)采52 m時(shí)應(yīng)力值又增大為13.4 MPa，72.6 MPa。由于在模擬過(guò)程中考慮了支護(hù)的作用，故應(yīng)力值變化不大。2)雖然向上推采距離不同，但應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在同處，最大拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在工作面下端處，最大壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在工作面上端頭。3)工作面上端頭30 m范圍內(nèi)和工作面下巷臨近工作面70 m以內(nèi)區(qū)域，應(yīng)力值較大，此區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)長(zhǎng)溝峪向斜南翼4槽煤層在推采不同距離時(shí)的垂直應(yīng)力分布圖的分析可以劃分出在工作面上端頭30 m范圍內(nèi)和工作面下巷臨近工作面70 m以內(nèi)是發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。2)利用ANSYS有限元軟件對(duì)長(zhǎng)溝峪煤礦急傾斜煤層進(jìn)行數(shù)值模擬，劃分出的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域這一模擬結(jié)果與開(kāi)采實(shí)際基本吻合，說(shuō)明該數(shù)值模擬方法對(duì)研究預(yù)測(cè)急傾斜煤層的沖擊地壓具有一定指導(dǎo)意義。

[1]Brauner G.Rock Bursts in Coal Mines and Their Prevention[M].Rotterdam:A.A.Balkema，1994:2-64.

[2]潘一山，徐秉業(yè).沖擊地壓定量預(yù)測(cè)的研究[J].煤礦開(kāi)采，1998(3):35-38.

[3]潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過(guò)程研究[D].北京:清華大學(xué)工程力學(xué)系，1999.

[4]李忠華，潘一山.采煤工作面沖擊地壓的解析分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21(1):40-42.

[5]關(guān) 杰，孫可明，朱月明.急傾斜煤層開(kāi)采解放層防治沖擊地壓數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21(4):411-413.

[6]王世娟，潘一山，李忠華，等.通化八寶礦煤層沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(3):105-108.

[7]鄧?yán)瘢瑥?芳，于 華.傾斜煤層沖擊地壓危險(xiǎn)狀況的數(shù)值模擬研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，20(4):455-456.

[8]李英杰，潘一山，唐巨鵬，等.五龍礦沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)劃分研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005(1):94-96.

[9]夏均民，張開(kāi)智.沖擊傾向性理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，2003，20(4):97-99.

[10]毛德兵.沖擊礦壓發(fā)生危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法[J].煤礦開(kāi)采，2000(4):52-53.

[11]于麗艷，潘一山，李忠華，等.吉林省道清礦北斜井南平峒煤層沖擊危險(xiǎn)性數(shù)值模擬[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(1):94-98.

[12]朱伯芳.有限元法原理及應(yīng)用[M].北京:水電出版社，1979.

[13]唐巨鵬，潘一山.ANSYS在煤礦開(kāi)采數(shù)值模擬中應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(sup):329-342.