何化棟，龐 濤，韓強強，張書劍，朱譚譚

（中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州221008）

1 概述

隨著煤炭開采深度的不斷增加，巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害越發(fā)受到人們的關(guān)注〔1－3〕，2014年3月27日，千秋煤礦21032回風(fēng)上山發(fā)生沖擊地壓造成6人遇難；2013年3月15日，黑龍江鶴崗煤礦沖擊地壓使4名工人失去生命；2014年3月21日，平煤神馬集團長虹礦業(yè)公司1－21010機巷工作面發(fā)生煤與瓦斯突出事故，造成6人遇難，7人被困；類似事故在四川、山西等地也時常發(fā)生，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了巨大影響。

研究成果表明，在巖體形成及后期地質(zhì)作用下，煤巖體內(nèi)部集聚著大量的彈性能，在掘巷、回采等擾動下，上述變性能突然釋放誘發(fā)不同類型的動力災(zāi)害〔4－6〕。彈性能的大小直接決定著動力災(zāi)害的影響程度，潘衛(wèi)東等〔7〕通過理論分析和現(xiàn)場實測對宣東煤礦208工作面的動力災(zāi)害危險性進行了分析，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上覆堅硬頂板內(nèi)部變形能隨煤層開采而越發(fā)集聚，然而，筆者經(jīng)過仔細(xì)閱讀，發(fā)現(xiàn)作者在頂板巖體彈性變形能的具體量值及分布位置方面尚有一定的研究空間，故本文在文獻〔7〕的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D軟件對回采過程中208工作面堅硬頂板中彈性能的分布規(guī)律進行定量化研究，對其取得的成果進一步豐富。

2 模型的建立

2.1 工程概況

宣東煤礦隸屬于冀中能源集團，其208工作面位于III3煤層中，平均厚度3.7m，偽頂為0.3m左右的炭質(zhì)泥巖，在煤層回采后便斷裂脫落，而直接頂和老頂分別為極其堅硬的細(xì)砂巖和輝綠巖，前者厚度在30m以上，而后者達到200m，詳細(xì)概況文獻〔7－8〕已交代的十分清楚，考慮到篇幅有限，在此不再詳述，圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.2 FLAC3D模型

由于采場范圍巨大，在FLAC3D中將其全部建出將給計算工作及其精度都帶來巨大困難。因此，本文在此對其進行簡化，忽略相鄰工作面回采對208面產(chǎn)生的影響，則工作面沿傾向中心線對稱，故只需建立工作面一半的模型，沿X軸布置，工作面寬75m；在走向方向，取200m回采距離；Z軸原點在煤層底面，老頂厚度取70m，底板取50m，考慮到應(yīng)力分布，X、Y、Z三個方向上模型尺寸分別為120 m、300m和154m，采用漸變網(wǎng)格劃分單元，共劃分126000個單元，133988個節(jié)點（見圖1）。

圖1 208工作面FLAC3D模型

本構(gòu)模型選用摩爾－庫倫模型，模型四周及底面限制法相位移，上面自由，根據(jù)文獻〔7〕，模型X、Y方向水平應(yīng)力均為60MPa，垂直應(yīng)力為32MPa，模型力學(xué)參數(shù)見表1。

為了分析回采對頂板彈性變形能的影響，沿Y軸負(fù)方向?qū)δＰ瓦M行分步回采，每步回采距離均為40m，且計算平衡后分步保存，首次回采距模型邊界48m，共進行5步回采計算。

3 頂板能量動態(tài)變化規(guī)律分析

3.1 能量模擬的實現(xiàn)

巖體中的能量主要以彈性變形能的形式存在，根據(jù)摩爾－庫倫準(zhǔn)則，任何一個單元體均在三軸應(yīng)力作用下保持穩(wěn)定，其內(nèi)部能量可用式（1）表示〔9〕：

式中：σ1、σ2和σ3為單元體的第一、第二和第三主應(yīng)力；ν為泊松比；E0為彈性模量。

回采結(jié)束后，利用FLAC3D自動的fish語言編寫函數(shù)，計算各單元體的彈性變形能，并通過z＿extra（p＿z，ind）函數(shù)建立模型的附加能量參數(shù)，利用tecplot軟件繪制能量分布云圖。

3.2 回采過程中頂板能量分布整體分析

眾所周知，采空區(qū)頂板的垮落最先在中部發(fā)生，故在此主要分析工作面中部頂板能量的分布規(guī)律，不同回采距離下，x＝2m平面的能量分布云見圖2。

圖2 不同回采距離下工作面中部能量分布剖面（單位：kJ，向右回采）

由圖2可知：

（1）頂板能量主要聚集在細(xì)砂巖直接頂中。煤層開采40m后，采場頂板逐漸下沉，淺部巖層壓力降低，其內(nèi)部能量逐漸釋放，釋放范圍呈“橢圓形”，直接頂能量為80kJ左右，而老頂能量約為40kJ，此時煤層的回采尚未對老頂造成影響，能量主要賦存在直接頂中。隨著回采距離的增加，直接頂能量釋放范圍逐漸擴展，但老頂能量開始增加，回采距離達到160m時，輝綠巖內(nèi)部能量增加到50kJ左右，增加了25%，但其總能量仍然較直接頂小。

（2）煤體等軟弱巖層吸能能力較強。在未受采動影響的煤體中，能量量值約為40kJ，僅為直接頂?shù)?／2，究其原因，主要是由于相比于細(xì)砂巖等堅硬頂板，煤層疏松、裂隙發(fā)育、彈性模量較小，應(yīng)力作用下煤層變形量遠(yuǎn)大于堅硬的巖層，緩解了能量的集聚，這也解釋了注水、超前欲裂等防治沖擊地壓等動力災(zāi)害措施的作用機理〔10－12〕，也進一步驗證了文獻〔7〕4.2節(jié)的合理性。

（3）超前支持壓力影響范圍內(nèi)頂板彈性應(yīng)變能升降明顯。煤層開采后，原本作用在采空區(qū)煤體上的應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到工作面前方煤體，同時頂板彎曲下沉，在工作面前方一定范圍內(nèi)頂板巖體內(nèi)部應(yīng)力急劇上升，其內(nèi)部能量隨之集聚，距工作面較遠(yuǎn)時，采動頂板應(yīng)力分布影響程度逐漸減弱，其內(nèi)部能量逐漸降低，在圖2（a）～圖2（d）中，可以發(fā)現(xiàn)，在工作面前方2m范圍內(nèi)，能量逐漸升高，而超過這個范圍，能量又開始下降，直至保持穩(wěn)定。

3.3 回采過程中頂板能量分布詳細(xì)分析

根據(jù)3.2節(jié)可知，煤層回采對直接頂內(nèi)部彈性變形能的影響較大，為了更加準(zhǔn)確掌握上述影響程度，提取40～200m五種不同回采距離對應(yīng)的頂板不同位置巖體的能量量值，繪制其隨工作面里程之間的變化關(guān)系（見圖3）。

由圖3可知：

（1）采動影響下距頂板淺部巖層最大能量與開采距離呈線性關(guān)系

在圖3（a）中，煤層回采后，直接頂內(nèi)部能量在距工作面2m達到最大，回采距離40m、80m、120m、160m和200m時，距頂板表面1.5m平面中巖層峰值能量分別為117.59kJ、147.29kJ、173.05kJ、200.98kJ和227.46kJ，對其進行擬合，可得到式（2），可見，隨著工作面的推進，頂板淺部巖層能量峰值隨開采距離呈線性增長。

（2）隨著深度的增加，回采對頂板能量分布的影響程度越小

分析圖3中四幅小圖可以看出，隨著監(jiān)測層位的不斷上升，煤層開采后，在超前支承壓力的作用下，頂板能量仍然增加，但增長幅度逐漸減小，以回采距離為200m為例，距頂板表面1.5m、10m、20m和28m時，巖體峰值能量分別為227.46kJ、137.37kJ、114.67kJ和113.60kJ，呈三次函數(shù)下降，其它開采距離下不同層位頂板峰值能量均表現(xiàn)出類似規(guī)律。

圖3 不同直接頂位置巖體能量與開采之間的關(guān)系

3.4 采空區(qū)跨中頂板能量分布研究

對于堅硬覆巖頂板，由于其頂板強度高，完整性好，煤層回采初期其初次垮落步距較軟弱頂板大，而一旦發(fā)生垮落，其產(chǎn)生的礦壓也是十分顯著的。沿工作面走向，采空區(qū)上部頂板可以簡化為固支梁，可見其自身破壞應(yīng)從跨中開始，這個部位較為危險，故在此對不同采空區(qū)長度下跨中頂板的能量分布進行研究，為初次垮落引發(fā)災(zāi)害的規(guī)避提供依據(jù)。五種采空區(qū)跨中頂板的能量分布規(guī)律見圖4。

圖4 采空區(qū)跨中頂板能量分布規(guī)律

由圖4可知：

（1）回采距離80～120m范圍內(nèi)最危險?；夭删嚯x為40m時，從頂板下表面向上，巖體能量先增加后降低，最大值達到117.87kJ，在距頂板表面20m左右形成了較為集聚的彈性變形能，在圖2（a）中同樣能體現(xiàn)這一點，隨著回采距離的增加，上述集聚程度有所降低，但變化較為緩和，當(dāng)回采距離從80m增加到120m過程中，能量集聚區(qū)域突然消失，說明此過程中整個直接頂發(fā)生了首次垮落，極易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，應(yīng)提前采取相關(guān)措施加以防護。

（2）首次垮落后，老頂內(nèi)部能量開始上升。回采距離不超過80m時，老頂內(nèi)部能量基本保持不變，當(dāng)回采距離不小于120m時，隨著深度的增加，老頂輝綠巖中集聚的能力開始上升，近似呈線性增加，且隨著煤炭的不斷被采出，上述能量的增幅越明顯，當(dāng)能量集聚到一定程度，老頂開始發(fā)生首次垮落，且該次垮落對煤礦開采造成的影響程度應(yīng)遠(yuǎn)超過直接頂?shù)某醮慰迓洹?/p>

4 結(jié)語

1）采動影響前，煤層、直接頂和老頂?shù)膬?nèi)部能量分別約為40kJ、80kJ和40kJ，能量主要集中在巖性為細(xì)砂巖的直接頂中，煤層開采后，淺層直接頂內(nèi)部能量逐漸釋放，釋放范圍呈“橢圓形”，老頂能量開始增加，回采距離達到160m時，輝綠巖內(nèi)部能量增加到50kJ左右，較回采前增加了25%。

2）煤層開采后，在超前支承壓力的作用下，工作面前方2m左右淺層直接頂內(nèi)部產(chǎn)生能量集聚現(xiàn)象，峰值能量隨開采距離的增加呈線性增長，E＝0.6836△l＋91.245（R2＝0.9996），隨著監(jiān)測層位的上升，上述增幅變緩，采空區(qū)跨度不變時，頂板巖體峰值能量隨深度的增加呈三次函數(shù)降低。

3）沿工作面走向，采空區(qū)跨度在80m以前，距頂板表面20m左右的直接頂存在能量聚集區(qū)，當(dāng)回采跨度從80 m增加到120m過程中，上訴區(qū)域突然消失，直接頂發(fā)生首次垮落，該階段最為危險，極易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施，之后隨煤層的采出，老頂內(nèi)部能量開始增加。

〔1〕李寶富，魏向志，任永康 .千秋煤礦沖擊地壓發(fā)生特點及成因分析〔J〕.煤炭工程，2014，46（1）：83－86.

〔2〕孟祥斌 .大同礦區(qū)忻州窯礦沖擊地壓特征與防治技術(shù)〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（1）：49－52.

〔3〕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地壓危險性數(shù)值模擬〔J〕.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2011，22（1）：94－98.

〔4〕錢七虎 .巖爆、沖擊地壓的定義、機制、分類及其定量預(yù)測模型〔J〕.巖土力學(xué)，2014，35（1）：1－6.

〔5〕姜 東，潘 山，姜福興，等 .我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治〔J〕.煤炭學(xué)報，2014，39（2）：205－213.

〔6〕韓 軍，梁 冰，張宏偉，等 .開灤礦區(qū)煤巖動力災(zāi)害的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境〔J〕.煤炭學(xué)報，2013，38（7）：1154－1160.

〔7〕潘衛(wèi)東，李德林，宋文博 .堅硬覆巖頂板條件下動力災(zāi)害危險性分析〔J〕.煤炭工程，2014，46（1）：80－83.

〔8〕董傳彤 .宣東二礦采場礦壓顯現(xiàn)及工作面瓦斯涌出規(guī)律研究〔D〕.北京：中國礦業(yè)大學(xué)博士論文，2013.

〔9〕趙陽升，馮增朝，萬志軍.巖體動力破壞的最小能量原理.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003：22（11）：1781－1783.

〔10〕王宏偉，姜耀東，趙毅鑫，等.長壁孤島工作面沖擊失穩(wěn)能量釋放激增機制研究〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013：32（11）：2250－2257.

〔11〕楊光宇，姜福興，王存文 .大采深厚表土復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究〔J〕.巖土工程學(xué)報，2014，36（1）：189－195.

〔12〕藍(lán) 航，杜濤濤，彭永偉，等 .淺埋深回采工作面沖擊地壓發(fā)生機理及防治〔J〕.煤炭學(xué)報，2012，37（10）：1618－1623.