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        不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)機(jī)理及能量演化特征分析

        2020-06-08 09:47:40
        煤礦安全 2020年5期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        魏 輝

        (江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院,江蘇 連云港222005)

        煤炭作為主要能源之一,開采范圍已從淺層逐漸向深部發(fā)展。在深部煤巖環(huán)境中,由于地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層及頂?shù)装鍘r性千差萬別,煤巖系統(tǒng)的受力環(huán)境及應(yīng)力分布有很大差異,造成沖擊能量積聚及釋放的原因也各不相同[1-5]。因此在這種多變條件下,沖擊地壓發(fā)生機(jī)理比較復(fù)雜,防治也更為困難。

        目前,已有許多專家學(xué)者對(duì)不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)特征及其機(jī)理進(jìn)行了研究。左建平等[6]對(duì)巖樣、煤樣和煤巖組合體進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn),獲得不同應(yīng)力條件下煤巖單體及組合體的破壞模式和力學(xué)行為,并比較了異同點(diǎn);王寧等[7]研究了“頂板-煤巖”組合結(jié)構(gòu)在不同加載條件下的變形發(fā)展過程和破壞特征,并明確了堅(jiān)硬煤巖組合條件下的沖擊地壓破壞模式;周元超等[8]通過RFPA2D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同高度煤巖組合的受力情況和聲發(fā)射特征進(jìn)行了對(duì)比研究,認(rèn)為組合體的單軸抗壓強(qiáng)度隨煤樣在組合體中占比的增大而減小,且組合體中巖樣高度所占比例越高,其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也越多;姚精明等[9]采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和分形理論相結(jié)合的方法研究了組合煤巖樣變形破裂的電磁輻射規(guī)律,其中電磁輻射信號(hào)與頂板在組合煤巖樣的比例成正指數(shù)關(guān)系;劉剛等[10]利用數(shù)值模擬方法對(duì)堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬煤層、堅(jiān)硬底板三體模型的沖擊顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了不同煤巖組合形式的能量積聚程度及沖擊地壓發(fā)生幾率有很大差別;侯志鷹等[11]根據(jù)大同兩硬條件(堅(jiān)硬煤層和堅(jiān)硬頂板)特點(diǎn)和沖擊地壓發(fā)生特征,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室分析研究了沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理,提出了兩硬條件下發(fā)生沖擊地壓的時(shí)空能量準(zhǔn)則;Zhu 等[12]以數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法研究了煤層厚度變化區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)情況,認(rèn)為在煤層變薄區(qū)域會(huì)加劇應(yīng)力集中和能量積聚程度;He 等[13]通過數(shù)值模擬方法研究了堅(jiān)硬頂板對(duì)巷道圍巖的動(dòng)力荷載效應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了堅(jiān)硬頂板不僅會(huì)引起開采圍巖的應(yīng)力集中,而且會(huì)導(dǎo)致沖擊能量的積聚,容易引發(fā)沖擊災(zāi)害;王旭宏等[14]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬等方法,研究了“三硬”煤層巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理,并通過力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)側(cè)壓系數(shù)與煤壁沖擊線性相關(guān)。

        1 煤巖系統(tǒng)不同組合形式

        1.1 煤巖系統(tǒng)組成

        在煤炭開采過程中,煤層及其頂?shù)装瀛h(huán)境是開采的主要研究對(duì)象,可以將煤層、頂板巖層及底板巖層3 部分共稱為煤巖系統(tǒng)。在地質(zhì)煤巖系統(tǒng)中,由于煤層及頂?shù)装鍘r性各不相同,所以產(chǎn)生的應(yīng)力分布及能量演化具有很大差異。針對(duì)不同的頂?shù)装鍡l件,根據(jù)頂?shù)装鍙?qiáng)度可得出煤巖組合形式,主要包括:頂?shù)装寰鶊?jiān)硬(RCR↑、RCF↑)、頂板堅(jiān)硬底板較軟(RCR↑、RCF↓)、頂板較軟底板堅(jiān)硬(RCR↓、RCF↑)及頂?shù)装寰^軟(RCR↓、RCF↓)等幾種形式(RCR、RCF為頂板、底板的單軸抗壓強(qiáng)度),頂?shù)装寮懊簩咏M合形式如圖1。

        1.2 不同煤巖系統(tǒng)的破壞形式分析

        以煤層和頂?shù)装褰M成的煤巖系統(tǒng)為研究對(duì)象,不同頂?shù)装鍙?qiáng)度組成煤巖系統(tǒng)的破壞形式有很大差別。當(dāng)頂板和底板堅(jiān)硬、而煤層較軟時(shí),即ER>EM、EF>EM,那么硬頂硬底會(huì)對(duì)軟煤層產(chǎn)生“夾持”作用,頂?shù)装宓膽?yīng)力和能量使煤體首先發(fā)生破壞,并向巷道釋放大量能量,形成兩幫沖擊破壞;當(dāng)頂板較堅(jiān)硬,煤層及底板較軟(或留有底煤)時(shí),即ER>EF>EM,則整個(gè)煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度相對(duì)減小,堅(jiān)硬頂板積聚的能量向較軟的煤層和底板傳遞,并在煤層及底板首先發(fā)生破壞,釋放轉(zhuǎn)化的沖擊能量,容易形成兩幫及底板沖擊破壞;當(dāng)頂板較軟、底板較硬時(shí),即EF>ER>EM,由于頂板強(qiáng)度低,上覆巖層及外界傳遞下來的應(yīng)力和能量大部分被頂板耗散和釋放,能量大部分在頂板轉(zhuǎn)化為耗散能,剩余的沖擊動(dòng)能不足使煤層巷道發(fā)生破壞。

        圖1 頂?shù)装寮懊簩咏M合形式Fig.1 Combination of roof-floor and coal seam

        在煤層及頂?shù)装褰M成的煤巖系統(tǒng)中,頂板的強(qiáng)度越大,穩(wěn)定性越好,儲(chǔ)存的能量就越大,這主要是因?yàn)閳?jiān)硬頂板能夠儲(chǔ)存和積聚能量,并長時(shí)間保存;相反,若頂板強(qiáng)度較低,或堅(jiān)硬頂板已經(jīng)受到破壞,此時(shí)儲(chǔ)存能量的等級(jí)就會(huì)變?nèi)?,并且大量彈性能被巖層內(nèi)的塑性變形耗散,逐漸緩慢釋放。因此,在堅(jiān)硬頂板條件下開挖巷道容易發(fā)生沖擊地壓,降低頂板強(qiáng)度可以增加頂板對(duì)彈性能的耗散程度,控制沖擊能量的積聚和釋放等級(jí)。

        2 不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)機(jī)理

        2.1 頂?shù)装迨芰δP?/h3>

        頂板巖層和底板巖層是煤巖系統(tǒng)的重要組成部分,由于煤巖系統(tǒng)不僅受到上覆巖層自重應(yīng)力的影響,還會(huì)受到水平構(gòu)造應(yīng)力的影響,煤巖系統(tǒng)在這2種應(yīng)力共同作用下會(huì)發(fā)生不同的沖擊顯現(xiàn)形式。不同巖性的煤巖組合系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生不同的變形,尤其是頂?shù)装鍙?qiáng)度差異性較大時(shí),整個(gè)煤巖系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生截然不同的破壞形式。

        假設(shè)煤巖系統(tǒng)中巷道頂?shù)装迨艿缴细矌r層施加的自重應(yīng)力q 以及水平構(gòu)造應(yīng)力N 的共同作用,在頂板和底板的兩端分別產(chǎn)生彎矩M1和M2,底部兩側(cè)的支承力為NA和NB,頂?shù)装鍝隙葹棣兀敯搴偷装宓氖芰δP腿鐖D2。

        2.2 沖擊顯現(xiàn)機(jī)理

        圖2 頂?shù)装迨芰δP虵ig.2 Mechanical model of roof and floor

        分別以頂板和底板為研究對(duì)象,將垂直應(yīng)力ρgH 簡化為均布載荷q,加上水平構(gòu)造應(yīng)力N 的作用,頂?shù)装宓膹澢匠炭杀硎緸椋?/p>

        式中:ω 為頂?shù)装鍝隙?;Mx為與距離原點(diǎn)x 處的彎矩;E 為頂?shù)装鍙椥阅A?;J 為慣性矩。

        經(jīng)化簡后,分別得出頂板和底板的彎矩方程為:

        式中:x 為距離原點(diǎn)的距離;l 為頂?shù)装彘L度。

        通過參考文獻(xiàn)[15-16]對(duì)頂?shù)装鍙澢茐牡姆治龊屯茖?dǎo)過程,可得出頂?shù)装逶谇茐臅r(shí)達(dá)到的最小軸向壓力Nc為:

        此外,因?yàn)橄锏酪话懵裆钶^大,由自重應(yīng)力場(chǎng)在水平方向產(chǎn)生的水平應(yīng)力不可忽略,所以此時(shí)頂?shù)装灏l(fā)生彎曲破壞的最小軸向壓力Nc變?yōu)椋?/p>

        式中:E 為頂?shù)装鍘r層的彈性模量,MPa;J 為巖層的橫截面慣性矩;l 為頂?shù)装鍘r層的水平長度,m;λ 為水平應(yīng)力系數(shù);ρ 為巖體平均密度,t/m3;H 為巖層埋藏深度,m。

        由式(5)可知,頂?shù)装灏l(fā)生屈曲破壞時(shí)的軸向壓力與埋深、頂?shù)装彘L度和強(qiáng)度有關(guān)。假設(shè)巷道埋深H及頂?shù)装彘L度l 一定,則軸向壓力與頂?shù)装宓膹?qiáng)度成正比關(guān)系。根據(jù)上文及關(guān)系式(5)可知,煤巖系統(tǒng)中巖層的彈性模量E 較大時(shí),變形破壞程度小,所承受的應(yīng)力就越高,積聚的能量就越多,越容易發(fā)生沖擊地壓;巖層彈性模量E 較小時(shí),容易發(fā)生變形破壞,積聚的能量易于耗散并釋放,巷道所受沖擊大大減小。

        3 不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征模擬分析

        3.1 模型建立

        通過RFPA 數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征進(jìn)行對(duì)比分析,模型尺寸50 m(寬)×40 m(高),代表50 000 mm×40 000 mm,其中巷道尺寸為4 m(寬)×3.6 m(高),煤巖系統(tǒng)模型如圖3。模型上方加載方式采用均布載荷,y 方向加載20 MPa,x方向施加水平方向位移約束,限制其水平位移,計(jì)算采用自重加載,模型假定符合Weibull 分布,巖石破裂采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

        圖3 煤巖系統(tǒng)模型Fig.3 Coal-rock system model

        以河北唐山煤礦8、9 煤層工作面具體參數(shù)進(jìn)行力學(xué)反演計(jì)算,煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 煤巖參數(shù)Table 1 Coal-rock parameters

        3.2 方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)上節(jié)結(jié)果分析,基于不同煤巖系統(tǒng)的受力變形特征,設(shè)定煤層強(qiáng)度不變,按照頂?shù)装遘浻矎?qiáng)度不等共設(shè)計(jì)硬頂硬底、硬頂軟底、軟頂硬底和軟頂軟底等4 種不同組合形式的煤巖系統(tǒng),不同煤巖系統(tǒng)的沖擊地壓能量演化模型如圖4。對(duì)比分析不同組合形式下煤巖系統(tǒng)的沖擊能量演化特征。

        圖4 不同煤巖系統(tǒng)的沖擊地壓能量演化模型Fig.4 Rock burst energy evolution models of different coal-rock mass

        3.3 不同煤巖系統(tǒng)沖擊能量演化特征

        1)硬頂硬底型。當(dāng)巷道頂?shù)装鍙?qiáng)度均較高時(shí),即頂板和底板的抗壓強(qiáng)度較大,表現(xiàn)為硬頂硬底型煤巖系統(tǒng)。結(jié)合煤巖系統(tǒng)受力及沖擊顯現(xiàn)機(jī)理,巷道頂板和底板因受到垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用,能夠儲(chǔ)存大量彈性變形能,當(dāng)能量積聚到一定程度后,便會(huì)向強(qiáng)度較低的煤層轉(zhuǎn)移,那么能量便會(huì)在煤層巷道周圍進(jìn)行釋放,導(dǎo)致巷道容易發(fā)生變形破壞并耗散能量,形成煤層型沖擊地壓。硬頂硬底型能量演化模擬結(jié)果如圖5。巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度較高,煤幫變形破壞程度嚴(yán)重,聲發(fā)射密集,巷道兩側(cè)彈性能密度最大值達(dá)到273 kJ/m3,能量全部在此區(qū)域積聚并釋放,煤層優(yōu)先發(fā)生破壞,就會(huì)形成巷道兩側(cè)煤體發(fā)生破壞的沖擊地壓。

        2)硬頂軟底型。當(dāng)巷道頂板堅(jiān)硬,底板由于含有夾層或留有底煤,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低,就形成了硬頂軟底型煤巖系統(tǒng)。通過煤巖系統(tǒng)描述可知,硬頂軟底型強(qiáng)度與硬頂硬底型相比有所減小,在疊加形成的集中應(yīng)力作用下,較堅(jiān)硬的頂板能夠積聚大量彈性能,由于底板及煤層強(qiáng)度低,能量便向下傳遞至煤層及底板,當(dāng)?shù)竭_(dá)煤層及底板的自穩(wěn)極限后,就會(huì)發(fā)生能量釋放,煤層及底板就會(huì)成為能量耗散的主要場(chǎng)所。硬頂軟底型能量演化模擬結(jié)果如圖6。在垂直應(yīng)力恒定條件下,煤層及底板的變形破壞十分嚴(yán)重,聲發(fā)射密度有所增大,巷道兩側(cè)彈性能密度有所下降,峰值大小為252 kJ/m3,說明煤層及底板耗散了部分沖擊能量;能量釋放主要集中在煤層及底板區(qū)域,通過巷道及底板的破壞來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的耗散,則形成以底板為主的沖擊破壞形式。

        圖5 硬頂硬底型能量演化模擬結(jié)果Fig.5 Simulated result of energy evolution with hard roof-hard floor

        圖6 硬頂軟底型能量演化模擬結(jié)果Fig.6 Simulated result of energy evolution with hard roof-soft floor

        3)軟頂硬底型。當(dāng)巷道頂板為泥巖及其他巖性較軟巖層、或受到人為破壞時(shí),就會(huì)形成軟頂硬底型煤巖系統(tǒng)。由于頂板強(qiáng)度低,臨界承載極限較小,容易發(fā)生變形破壞,當(dāng)應(yīng)力作用在頂板時(shí),頂板就會(huì)首先發(fā)生破壞,耗散大部分能量,只將小部分能量繼續(xù)向下傳遞至煤層,那么煤層及底板積聚的彈性能減少,巷道所受的應(yīng)力和能量降低,其變形幅度就會(huì)縮小。軟頂硬底型能量演化模擬結(jié)果如圖7。巷道頂板所形成的破壞范圍要大于前2 種類型,聲發(fā)射密集程度也同樣增大,巷道及底板的破壞稍有程度減小,從能量分布圖可知,巷道兩側(cè)彈性能密度最大值為224 kJ/m3(硬頂硬底和硬頂軟底分別為273 kJ/m3和252 k/m3),說明部分能量在頂板破壞過程中已被耗散釋放,有助于緩解巷道圍巖應(yīng)力與能量,減小沖擊地壓的破壞等級(jí)及發(fā)生幾率。

        圖7 軟頂硬底型能量演化模擬結(jié)果Fig.7 Simulated result of energy evolution with soft roof-hard floor

        4)軟頂軟底型。當(dāng)巷道頂?shù)装寰^軟弱時(shí),因其軟弱巖層的比例最多,所處煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度為最小。頂?shù)装宓奈芎哪艹潭仍黾?,在同樣的?yīng)力環(huán)境中,頂?shù)装宓淖冃纬潭茸畲?,耗散和釋放的彈性能比例最多,巷道周圍集中?yīng)力及積聚的能量大幅度減小,使巷道呈現(xiàn)出低應(yīng)力狀態(tài)。軟頂軟底型能量演化模擬結(jié)果如圖8。由圖8 可知,巷道兩側(cè)變形破壞范圍大大縮小,聲發(fā)射密度較低,最大彈性能密度降低至216 kJ/m3,說明頂?shù)装搴纳⒌膹椥阅茌^多,緩解了巷道周圍壓力,使其穩(wěn)定系數(shù)提高。

        圖8 軟頂軟底型能量演化模擬結(jié)果Fig.8 Simulated result of energy evolution with soft roof-soft floor

        不同組合煤巖系統(tǒng)的能量演化特征見表2。對(duì)比以上4 種煤巖系統(tǒng)的能量演化特征,可知強(qiáng)度對(duì)巷道周圍能量分布及耗散程度有很大影響。當(dāng)煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度較大時(shí),巷道兩側(cè)最大彈性能密度變大,破壞形式主要為煤體沖擊破壞,而當(dāng)煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度較小時(shí),巷道周圍能量大小逐漸降低,破壞類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫數(shù)装遄冃纹茐?。由此可以解釋煤巖系統(tǒng)中具有堅(jiān)硬頂?shù)装宓南锏廊菀追e聚能量并易于發(fā)生沖擊破壞,而頂板較軟的巷道可以耗散大量的彈性能,能夠減小沖擊地壓的發(fā)生。

        表2 不同組合煤巖系統(tǒng)的能量演化特征Table 2 Energy evolution characteristics of different coal-rock mass

        4 結(jié) 論

        2)通過RFPA 數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了硬頂硬底、硬頂軟底、軟頂硬底和軟頂軟底等4 種不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征,隨著煤巖系統(tǒng)整體強(qiáng)度的下降,巷道周圍最大彈性能密度峰值逐漸減小,降低沖擊地壓的發(fā)生幾率。

        3)利用不同煤巖系統(tǒng)的沖擊能量演化規(guī)律可以很好地解釋具有堅(jiān)硬頂?shù)装宓南锏廊菀追e聚能量并易于發(fā)生沖擊破壞,而頂板較軟的巷道可以耗散大量的彈性能,能夠減小沖擊地壓的發(fā)生。

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