朱江偉

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南　焦作　454003； 2.鄭煤集團(tuán) 蘆溝煤礦，河南　新密　452374)

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·試驗(yàn)研究·

底板煤巖組合對沖擊礦壓災(zāi)害影響規(guī)律研究

朱江偉1，2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003； 2.鄭煤集團(tuán) 蘆溝煤礦，河南新密452374)

摘要某煤礦下巷底板多次發(fā)生沖擊礦壓，以該礦采區(qū)地質(zhì)和采掘條件為基礎(chǔ)，研究底板煤巖屬性對底板沖擊礦壓發(fā)生的影響，運(yùn)用數(shù)值模擬，研究在不同底板煤巖屬性條件下開挖巷道后應(yīng)力演化規(guī)律對沖擊的影響。研究表明：巷道5 m范圍內(nèi)強(qiáng)弱組合應(yīng)力值遠(yuǎn)大于弱強(qiáng)組合，更容易引發(fā)沖擊礦壓危害。

關(guān)鍵詞底板；煤巖屬性；沖擊；數(shù)值模擬；應(yīng)力演化

沖擊礦壓是一種日益嚴(yán)重的礦井災(zāi)害，給生產(chǎn)和安全帶來了重大的危害[1-2].受采深、煤層性質(zhì)、頂板結(jié)構(gòu)等多種因素影響，煤層回采后工作面底板出現(xiàn)破壞且逐漸增多。底板采動(dòng)破壞后不但易出現(xiàn)底鼓變形，而且因其承載強(qiáng)度急劇降低而易發(fā)生沖擊礦壓。了解煤層底板性質(zhì)的影響是研究煤層底板破壞的重要前提，不同煤礦沖擊的發(fā)生有不同的發(fā)生條件和判別準(zhǔn)則。

許勝銘等[3]研究表明，義馬煤田地質(zhì)因素對沖擊地壓具有主導(dǎo)作用。陳國祥等[4]對沖擊礦壓的靜動(dòng)疊加失穩(wěn)機(jī)制和發(fā)生模式進(jìn)行研究。姜福興等[5]對巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了分析。由于不同礦井的地質(zhì)開采條件不同，沖擊礦壓發(fā)生的形式也不同。因此，沖擊礦壓的研究仍是一項(xiàng)比較復(fù)雜的難題。

本文根據(jù)某煤礦某工作面地質(zhì)條件，利用FLAC2D數(shù)值模擬軟件研究底板煤巖層屬性對底板沖擊的影響規(guī)律，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分析煤層底板不同組合在采動(dòng)應(yīng)力下巷道開挖應(yīng)力演化規(guī)律，定量的揭示底板煤巖屬性對沖擊礦壓發(fā)生的影響。

1底板性質(zhì)對巷道開挖應(yīng)力演化規(guī)律的數(shù)值模擬

1.1工程概況

本次研究的數(shù)值模擬模型地質(zhì)條件參考某煤礦采區(qū)的地質(zhì)和開采條件，某面相鄰工作面的布置參考圖見圖1，工作面開挖第一個(gè)面長152 m，第二個(gè)面長192 m，在此基礎(chǔ)上開挖巷道，下巷在開挖過程中發(fā)生多次沖擊，發(fā)生過較大能量的沖擊事故，所以以下巷為研究對象。工作面下巷沿煤層頂板布置，留底煤，巷道尺寸為寬4 m×高3 m.

圖1　計(jì)算模型圖

模型從上到下，礫巖厚度300 m局部區(qū)域厚度約為700 m甚至直達(dá)地表，泥巖厚3 m，煤層厚 2 m，粉砂巖厚12 m，泥巖厚2 m，煤層厚3 m，泥巖厚20 m，開采煤層厚10 m，泥巖厚24 m，礫巖厚50 m.

1.2數(shù)值模擬模型與方案

1) 采掘地質(zhì)條件。

根據(jù)采區(qū)的地質(zhì)和開采條件，建立FLAC2D數(shù)值計(jì)算模型，模擬進(jìn)行簡化。巖層傾角取0°，采用平面應(yīng)變，模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，模型各層物理力學(xué)參數(shù)見表1,重力加速度9.8 m/s2，首先計(jì)算初始應(yīng)力場，巖體垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算，載荷按下式得到：σx=σy=σz，λ=1，初始應(yīng)力條件按水平方向的初始應(yīng)力與垂直方向應(yīng)力相等考慮。

表1　煤巖體力學(xué)參數(shù)表

2) 模擬方案。

下巷底板是由煤和礫巖組成，分析強(qiáng)-弱和弱-強(qiáng)兩種不同的結(jié)構(gòu)的影響。

在不同條件影響下，回采相鄰工作面后開挖巷道，在不同條件組合下開挖巷道時(shí)監(jiān)測巷道底板4 m處應(yīng)力位移變化。

1.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

下巷位于煤層的頂部，其底板是由煤層和礫巖組成，下巷多次發(fā)生沖擊礦壓災(zāi)害，為研究底板屬性對巷道沖擊災(zāi)害的影響規(guī)律，把組成底板的煤和礫巖的結(jié)構(gòu)分為硬煤軟底的強(qiáng)-弱和軟煤硬底的弱-強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)。通過在兩種不同結(jié)構(gòu)條件下回采后開挖時(shí)的應(yīng)力演化規(guī)律研究，從而定量地揭示不同的底板結(jié)構(gòu)對沖擊礦壓發(fā)生的影響，為探索底板結(jié)構(gòu)對沖擊礦壓災(zāi)害的影響提供借鑒。

在兩種結(jié)構(gòu)下開挖巷道時(shí)，底板下面4 m處的應(yīng)力變化規(guī)律見圖2，3.在兩種不同結(jié)構(gòu)下回采兩個(gè)工作面后，巷道未開挖前所受的應(yīng)力狀態(tài)不同，巷道在開挖過程中應(yīng)力變化規(guī)律也不同。在強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)下開挖巷道時(shí)，水平應(yīng)力迅速升高，垂直應(yīng)力迅速降低，水平應(yīng)力由21.56 MPa升高到25.33 MPa，垂直應(yīng)力由27.50 MPa降低到19.53 MPa.在弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)下開挖巷道過程中，底板下方4 m處的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都降低到應(yīng)力平衡，垂直應(yīng)力由27.91 MPa迅速降低到7.41 MPa，降低了73.45%.水平應(yīng)力由21.66 MPa迅速降低到14.09 MPa，降低了34.95%.巷道開挖過程中應(yīng)力以軟煤為突破口釋放能量。

圖2　強(qiáng)-弱結(jié)構(gòu)下底板4 m處應(yīng)力監(jiān)測圖

圖3　弱-強(qiáng)結(jié)構(gòu)下底板4 m處應(yīng)力監(jiān)測圖

巷道開挖后應(yīng)力場平衡后應(yīng)力分布規(guī)律見圖4,5.在距離巷道底板5 m內(nèi)弱強(qiáng)組合下產(chǎn)生的水平應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)弱組合，在距離底板10 m處弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力開始大于強(qiáng)弱結(jié)構(gòu),在距離頂板5 m處隨著距離增加，弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力大于強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)，可知，在距離頂?shù)装? m范圍內(nèi)強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平應(yīng)力比較大。巷道兩幫的垂直應(yīng)力分布規(guī)律相類似，在距離巷道兩幫5 m范圍強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)的垂直應(yīng)力遠(yuǎn)大于弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)，隨著距離的增加，弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)的垂直應(yīng)力大于強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)。

圖4　巷道頂?shù)装逅綉?yīng)力分布圖

圖5　巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布圖

兩種結(jié)構(gòu)底板垂直位移見圖6.從圖6中可以看出，巷道開挖過程中弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)下底板的位移發(fā)生了很大的變化，上升了663 mm，遠(yuǎn)大于強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)，可知巷道開挖過程中應(yīng)力以軟煤為突破口，釋放能量引起底板位移發(fā)生較大的變化，產(chǎn)生了局部較大的破壞。強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)在硬煤下引起底板的位移變化較小，局部破壞也較小。弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)下開挖巷道更容易引起底板沖擊的發(fā)生。

圖6　底板垂直位移圖

2結(jié)論

強(qiáng)弱組合下開挖巷道底板下4 m處水平應(yīng)力升高，垂直應(yīng)力降低，弱強(qiáng)組合巷道開挖過程中水平應(yīng)力垂直應(yīng)力都降低。巷道圍巖應(yīng)力場平衡后，巷道5 m范圍內(nèi)強(qiáng)弱組合應(yīng)力值遠(yuǎn)大于弱強(qiáng)組合。

參考文獻(xiàn)

[1]高明仕.沖擊礦壓巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

[2]潘俊鋒，寧宇，毛德兵，等．煤礦開采沖擊地壓啟動(dòng)理論[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(3):586-596.

[3]許勝銘，李松營，李德翔，等.義馬煤田沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(9):2015-2020.

[4]陳國祥，郭兵兵．沖擊礦壓的靜動(dòng)疊加失穩(wěn)機(jī)制和發(fā)生模式[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(9):2021-2025.

[5]姜福興，魏全德，王存文，等．巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機(jī)理分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(7):1191-1196.

Research on the Influence Law of Floor Coal and Rock Combination on Rock Burst Disaster

ZHU Jiangwei

AbstractA coal mine floor under the roadway has the rock burst many times, based on the coal mine mining area geological and mining conditions, researches the impact of floor rock properties on floor rock burst. By numerical simulation, studies the impact of stress evolution rules on shock under the condition of different coal attributes after excavation roadway. The study shows that within the scope of 5 m, roadway stress value of strong and weak combination is greater than the weak and strong combination. It's easier to cause rock burst hazards.

Key wordsFloor; Coal and rock attributes; Shock; Numerical simulation; Stress evolution

中圖分類號：TD324

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0030-03

作者簡介：朱江偉(1980—)，男，河南南陽人，2013級河南理工大學(xué)在職研究生，助理工程師，主要從事礦山安全與災(zāi)害防治方面的研究工作(E-mail)455972890@qq.com

收稿日期：2015-11-03