巷道底煤厚度對礦震誘發底鼓沖擊研究

劉建剛，郁鐘銘，劉 賽，井廣成，劉洪洋，李志剛

(1.六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

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巷道底煤厚度對礦震誘發底鼓沖擊研究

劉建剛1，郁鐘銘1，劉 賽2，井廣成2，劉洪洋1，李志剛1

(1.六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

基于FLAC2D數值模擬軟件分析巷道底煤厚度對礦震誘發底鼓沖擊的動態響應規律。結果表明：隨著底煤厚度的增加，動力擾動下巷道底板水平應力峰值先升高后降低并逐漸向底板深處轉移，底板垂直位移峰值、塑性區深度及最大能量密度均呈非線性增加，且增加趨勢越來越弱，并趨于穩定；動力擾動下特厚煤層巷道極易發生底鼓沖擊動力災害，動力效應明顯；現場礦震演化規律分析驗證數值模擬結論的合理性。研究成果可為特厚煤層巷道底沖擊礦壓防治提供借鑒。

底煤厚度；礦震；動態響應；底鼓沖擊；特厚煤層

底板型沖擊礦壓是在礦山采動或采掘面擾動下誘發底板煤巖層變形能的瞬時釋放，表現為底板煤巖層突然、急劇、猛烈的向上突出，引起采掘空間圍巖、設備破壞的沖擊動力災害[1]。研究表明[2-4]，對于較薄或中厚煤層，巷道沿底板布置容易產生兩幫煤體(柱)沖擊；對于厚煤層或特厚煤層，開采上分層或綜放開采將巷道沿頂板布置留底煤時，由于對底板沒有采取有效卸壓措施和合理支護，易發生底鼓沖擊。

動力擾動對巷道圍巖穩定性影響的研究已取得不少成果。朱萬成等[5]采用數值軟件系統RFPA對巖石在動態擾動觸發深部巷道發生的破裂過程進行了研究，探討了不同地應力條件下動態擾動觸發的巷道破裂過程。彭維紅等[6]運用LS-DYNA軟件對擾動應力波作用下巷幫圍巖層裂破壞結構的形成過程、頂板巖性對層裂結構形成的影響進行了有效的數值模擬分析，得到了一定巷道圍巖應力狀態下巷幫圍巖層裂結構的形狀、厚度等特征。溫穎遠等[7]通過有限差分數值計算軟件FLAC對動力擾動下不同硬度煤層巷道圍巖動態響應規律進行了模擬，發現動力擾動下硬煤層巷道圍巖應力場、位移場及塑性區范圍等特征參量均大于軟煤，更易發生沖擊破壞。謝龍等[8]基于FLAC2D數值模擬軟件探討動載作用下不同側壓系數對巷道底板沖擊的影響，表明動載作用下水平構造應力越大，巷道底板沖擊危險性越高。

近年來，特厚煤層開采過程中巷道沖擊等動力顯現越來越頻繁，目前特厚煤層工作面回采巷道在煤巖地層中位置選擇對特厚煤層巷道沖擊的影響研究較少。本文利用FLAC2D數值模擬軟件結合現場微震監測結果對礦震擾動下特厚煤層工作面巷道留底煤底鼓沖擊的動力響應規律研究，以期為具有類似地質條件特厚煤層巷道底鼓沖擊礦壓控制提供一定理論指導。

1 數值計算模型和方案

1.1 數值計算模型

陜西永隴礦區某礦250204工作面在回采過程中巷道多次發底鼓甚至底板沖擊等動力顯現，嚴重影響煤礦正常生產，基于該工作面運輸平巷地質條件利用FLAC2D建立數值模型。模型尺寸及模型的巖性參數如表1、圖1所示。

表1 煤層及頂底板巖層力學性質參數

圖1 巷道底煤厚度對礦震誘發底鼓沖擊數值模擬模型

根據文獻[9]將礦震震源簡化為簡諧波，通過對該礦井微震監測系統實際記錄的震動波簡化處理，利用FLAC2D軟件中的動載模塊將其施加到巷道右上方20m處，該震動波頻率為50Hz，最大峰值應力為20MPa。

1.2 模擬方案

為分析礦震擾動下底煤厚度對巷道底鼓沖擊的影響，建立7個相同的模型，分別取底煤層厚度為0m、1m、3m、5m、10m、15m、20m，其他參數相同。利用巷道底板監測點記錄礦震擾動下底板應力、位移及塑性區分布演化特征，進而揭示不同底煤厚度對礦震誘發巷道底鼓沖擊的影響。

2 模擬結果及分析

2.1 礦震擾動下底板水平應力動力特性分析

系統平衡后，提取巷道底板(煤)10m范圍內水平應力數據進行分析。由圖2可見，礦震作用下巷道底板水平應力隨時間變化呈現波動，應力集中程度先瞬間升高后降低，此后應力波動效果逐漸減弱，主要由于震動波處于逐漸衰減狀態；相比靜載作用下應力水平，礦震擾動下不同底煤厚度巷道底板應力峰值平均升高4.47MPa。由圖3可見，隨著巷道底煤厚度的增加，最大水平應力先升高后降低并逐漸向底板深處轉移；當1m≤d≤5m，應力峰值位于粗砂巖底板中，最大水平應力由32.93MPa增加至42.53MPa，應力集中程度高，由于水平應力集中區域位于厚硬砂巖中，巖石極限強度較大，底板相對穩定；當底煤厚度增加到一定值(d=10m)后，應力峰值不再向深部轉移而位于底煤中，且基本保持恒定，由于煤體較巖石更容易破壞，本階段容易發生失穩破壞。以上表明，礦震擾動底鼓沖擊與底煤厚度和底板巖性密切相關。

圖2 底板水平應力動力特性曲線圖

2.2 礦震擾動下底板位移動力特性分析

不同底煤厚度巷道底板垂直位移演化曲線如圖4所示，位移峰值隨底煤厚度的變化如圖5所示。靜載作用下巷道垂直位移量較小，最大位移量為138mm，礦震擾動下巷道位移增加明顯，最大位移增量達到390.40mm(d=20m)，動態響應效果明顯；隨著巷道底煤厚度的增加，底板垂直位移峰值呈非線性增加(由101.08mm增至528.92mm)，當1m≤d≤5m，底板垂直位移量增加趨勢明顯，當底煤厚度增加到10m后，位移量基本保持相對穩定。由此可見，巷道留設底煤越厚，底鼓量越大，礦震等動載擾動下特厚煤層底鼓沖擊危險性更高，沖擊顯現明顯。

圖3 底板最大水平應力隨底煤厚度的變化

圖4 底板垂直位移演化曲線

圖5 底板最大垂直位移隨底煤厚度變化曲線

2.3 礦震擾動下底板塑性區響應規律分析

礦震擾動作用巷道底板巖層破壞可由底板巖層巖塑性區分布變化直接反映。由圖6可知，礦震擾動下底板出現明顯塑性破壞，底煤厚度較小時(1m≤d≤3m)，塑性區主要分布在巷道頂板及兩幫區域，底板塑性區相對較少，主要由于巷道底板為厚層粗砂巖，巖石強度大，不易發生塑性破壞；隨著底煤厚度的增加(d≥5m)，底板塑性區相應擴大，底煤破壞范圍增加，底鼓沖擊動態響應增強。由圖7可見，隨著巷道底煤厚度的增加，底板塑性區深度呈非線性增加(由2.5m增至10m)，且增加趨勢越來越弱，并趨于穩定。以上表明，底煤厚度越大，巷道底板塑性區范圍越大，礦壓顯現越明顯，礦震擾動下特厚煤層巷道底煤破壞嚴重，沖擊危險性高。

圖6 底板圍巖塑性區演化圖

圖7 底板塑性區深度隨底煤厚度變化曲線

2.4 底板能量的積聚特征

煤巖體中積聚有大量的彈性能以沖擊載荷的形式瞬間釋放為沖擊礦壓發生的實質，而彈性能的釋放誘發沖擊主要涉及彈性能的積聚程度，以能量密度Ud描述，其值越大，沖擊危險性越高[10]。

運用FLAC2D中的FISH語言可以獲得煤巖體應變能密度，巷道圍巖能量密度分布云圖如圖8所示，底板能量密度最大值(Ud)max隨底煤厚度演化曲線見圖9。動載擾動后，不同厚度底煤的巷道圍巖彈性能積聚程度不同，底煤賦存較薄時，而底板為堅硬、厚度大且完整性較好的粗砂巖，應變率小，能量集中區域主要分布在巷道兩角部且范圍較小；底煤厚度較大時，能量主要積聚在巷道底板及角部且范圍增大，主要由于底煤硬度小，變形量大，易釋放彈性能。隨著底煤厚度的增加，最大能量密度呈非線性增加(由5×104J·m-3增至22×104J·m-3)，此后基本保持不變，且能量密度峰值位置不斷向底板深處移。由此可見，礦震擾轉動下特厚煤層巷道底板能量密度大，易發生底鼓沖擊。

圖8 巷道圍巖能量積聚云圖

圖9 隨底煤厚度演化曲線

通過以上對礦震擾動下不同底煤厚度的巷道底板應力、位移、塑性區及能量密度等沖擊效應特征參量的變化分析，留設底煤厚度越大，底板沖擊危險性越高，受礦震動載擾動特厚煤層巷道極易發生底鼓沖擊動力災害。

3 工程實踐

250204綜放工作面位于礦井2502采區中部，南至二水平軌道大巷，北至井田邊界，東為250205工作面采空區，西為正在掘進的250203工作面，如圖10所示。工作面構造較為復雜，自南向北由背斜轉入向斜，同時沿走向次級褶曲發育，造成煤層波狀起伏。工作面標高+1100～+1220m，地面標高+1509～+1603m，傾斜長225m，走向推進約2000m。工作面開采5煤層，均厚38.1m，為特厚煤層，傾角8°；煤層直接頂為砂質泥巖，厚2.0～5.0m，老頂為5.0～18.0m的粉砂巖；直接底為0.05～0.2m的泥巖，老底為中粗砂巖，厚6.5～19m。本工作面開采上分層厚度10～13m，受厚層底煤、堅硬砂巖頂板及褶曲構造影響嚴重。

表2 底板各參量動力特性統計

圖10 250204工作面平面示意圖

250204綜放工作面自2011年1月6日開始至2012年12月26日回采結束共發生54次沖擊礦壓，其中實體煤側的運輸順槽發生49次，占總沖擊次數的90.74%，臨空區側的材料順槽發生5次，占9.26%，底鼓動力顯現嚴重，造成設備損壞、巷道破壞與人員傷亡等。礦震震源的空間分布能夠反映采掘區域煤巖體的破裂與應力場狀況，且能量大于105J的強礦震極易誘發沖擊礦壓的發生[11]。工作面回采期間礦震活動劇烈，大能量強礦震多，見圖11所示。

圖11 工作面礦震分布圖(E≥1×105J)

由圖可見，大能量礦震震源主要分布在工作面內部，表明采掘作用下高應力集中區內煤巖體破裂運動釋放彈性能孕育強礦震，與其空間關系一致；與以往礦震主要分布在采空區側不同，工作面運輸順槽側強礦震相比軌道順槽側較多，主要由于受褶曲構造應力影響所致；沿走向剖面上，除開采初期首次見方頂板活動劇烈強礦震在頂板有較多分布外，大部分強礦震分布在煤層和底板位置，表明特厚煤層底板更容易積聚彈性能造成沖擊失穩。

6 結 論

1)底板水平應力隨著動態時間變化出現波動，水平應力先瞬間升高后降低，沖擊后應力集中現象消失；底煤厚度較小時，應力峰值高且位于粗砂巖底板中，沖擊危險性低；底煤厚度較大時，應力集中區域位于底煤中，易發生失穩破壞。表明底鼓沖擊與底煤厚度有及底板巖層巖性緊密相關，特厚煤層底板堅硬且巷道底煤較厚時易發生底鼓沖擊。

2)隨著底煤厚度的增加，位移峰值呈非線性增加，且增加趨勢越來越弱，最終趨于穩定；礦震擾動下特厚煤層底鼓沖擊危險性高，沖擊顯現明顯。

3)隨著底煤厚度的增加，巷道圍巖塑性區范圍增加，動態響應強度增大，且底板塑性區深度呈非

線性增加，并趨于穩定。

4)隨著底煤厚度的增加，彈性能積聚范圍增大，最大能量密度 呈非線性增加，且能量密度峰值位置不斷向底板深處移。礦震擾轉動下特厚煤層巷道易發生底鼓沖擊。

5)通過現場礦震演化規律分析驗證數值模擬結論的合理性，為類似條件下特厚煤層安全開采提供借鑒意義。

[1] 竇林名，趙從國，楊思光，等．煤礦開采沖擊礦壓災害防治[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2006．

[2] 徐學鋒．煤層巷道底板沖擊機理及其控制研究[D]．徐州：中國礦業大學，2011．

[3] 徐學鋒，竇林名，劉軍，等．煤礦巷道底板沖擊礦壓發生的原因及控制研究[J]．巖土力學，2010，31(6)：1977-1982．

[4] 陳 峰，竇林名，王桂峰，等．褶皺區底煤厚度對動載誘發巷道底板沖擊的影響[J]．煤礦安全，2014，45(7)：175-182．

[5] 朱萬成，左宇軍，尚世明，等．動態擾動觸發深部巷道發生失穩破裂的數值模擬[J]．巖石力學與工程學報，2007，26 (5)：915-921．

[6] 彭維紅，盧愛紅．應力波作用下巷道圍巖層裂失穩的數值模擬[J]．采礦與安全工程學報，2008，25(2)：213-216．

[7] 溫穎遠，牟宗龍，易恩兵，等．動力擾動下不同硬度煤層巷道圍巖響應特征研究[J]．采礦與安全工程學報，2013，30(4)：555-559．

[8] 謝龍，竇林名，呂長國，等．不同側壓系數對動載誘發巷道底板沖擊的影響[J]．采礦與安全工程學報，2013，30(2)：251-255．

[9] 曹安業．采動煤巖沖擊破裂的震動效應及其應用研究[D]．徐州：中國礦業大學，2009．

[10] 盧愛紅，茅獻彪，趙玉成．動力擾動誘發巷道圍巖沖擊失穩的能量密度判據[J]．應用力學學報，2008，25(4)：602-605．

[11] 賀虎，竇林名，鞏思園，等．高構造應力區礦震規律研究[J]．中國礦業大學學報，2011，40(1)：8-12.

Study on different bottom coal thickness on floor rock-burst induced by mine tremor

LIU Jian-gang1，YU Zhong-ming1，LIU Sai2，JING Guang-cheng2，LIU Hong-yang1，LI Zhi-gang1

(1.Department of Mining Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China； 2.School of Mining Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

Analyzing of dynamic response law of roadway floor rock-burst induced dynamic disturbance at different bottom coal thickness by using FLAC2D.The results showed that the maximum horizontal stress increases at first and then decreases and gradually transfers toward floor depths under dynamic disturbance，the floor vertical displacement peak and plastic depth and maximum energy density all increase nonlinearly with the increase of bottom coal thickness，meanwhile the increase trend gets more and more weakly.It is easy to occur floor rock-burst for roadway induced dynamic disturbance in extremely thick coal seam，and the dynamic effect is significant.The rationality of numerical simulation analysis is verified by the analysis of mine earthquake law.The conclusions will provide reference for floor rock-burst prevention of extremely thick coal seam.

bottom coal thickness；mine tremor；dynamic response；floor rock-burst；extremely thick coal seam

2016-04-10

貴州省科技廳技術基金項目資助(編號：黔科合LH字[2015]7619號)；國家自然科學基金青年科學基金項目資助(51204165)；采礦工程省級特色重點學科項目資助(編號：黔學位合字ZDXK[2015]9號)

劉建剛(1988-)，男，山東昌樂人，講師，碩士，畢業于中國礦業大學，從事采礦工程專業的教學和科研工作。E-mail：363534629@qq.com。

TD823.25

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1004-4051(2016)11-127-05