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        淺談沖擊地壓與瓦斯突出模型的建立

        2020-12-29 14:50:20趙書東
        科學(xué)大眾 2020年7期
        關(guān)鍵詞:沖擊地壓瓦斯

        趙書東

        摘 要:高瓦斯礦井產(chǎn)生沖擊地壓后,會(huì)出現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的現(xiàn)象。文章對(duì)沖擊地壓與瓦斯涌出之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模型模擬時(shí),簡要闡述怎么建立模型、建立模型應(yīng)該考慮哪些因素。

        關(guān)鍵詞:沖擊地壓;瓦斯;數(shù)值模型

        1? ? 沖擊地壓

        煤礦開采過程中,在高應(yīng)力狀態(tài)下,煤巖體受應(yīng)力作用,儲(chǔ)存了大量的彈性能量,這些大量積聚的彈性能受煤礦開采過程中的采動(dòng)影響,穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)突然發(fā)生改變,釋放儲(chǔ)存的彈性能量。這種快速、破壞強(qiáng)度大的礦山壓力現(xiàn)象就是沖擊地壓。沖擊地壓的發(fā)生,經(jīng)常伴隨著劇烈的響聲、煤巖體的強(qiáng)烈震動(dòng)和強(qiáng)力的沖擊波現(xiàn)象,就如同在巷道掘進(jìn)中放炮一樣。受沖擊地壓影響,煤和巖石會(huì)被突然拋出,拋出的煤和巖石的總量從幾噸到幾百噸重不等,而且拋出的速度非??欤@些被拋出的煤巖會(huì)損壞支架,堵住巷道。而且,沖擊地壓的發(fā)生還有可能引發(fā)其他煤礦災(zāi)害的發(fā)生,比如煤塵和瓦斯方面的災(zāi)害等。

        很多學(xué)者認(rèn)為沖擊地壓成因和機(jī)理是由于3項(xiàng)高應(yīng)力的作用。成煤過程受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等因素的影響,煤層和巖層處于一種平衡狀態(tài),在這種狀態(tài)下,由于之前地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等對(duì)煤巖體的作用,煤巖體內(nèi)儲(chǔ)存大量的彈性能量。當(dāng)這些處于平衡狀態(tài)的煤巖體受到采掘活動(dòng)影響時(shí),原來的平衡狀態(tài)就會(huì)被打破,致使儲(chǔ)存的大量彈性能量被快速釋放,大部分的彈性能量會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,對(duì)周圍煤巖體產(chǎn)生動(dòng)力沖擊,而引發(fā)各種動(dòng)力現(xiàn)象。

        引發(fā)沖擊地壓的原因有很多,而且比較復(fù)雜,常見的原因有壓力沖擊、突發(fā)沖擊和爆裂沖擊等。但從生產(chǎn)角度來看,可以分成自然條件、現(xiàn)有的技術(shù)條件和采掘的組織管理這3個(gè)方面。

        沖擊地壓的危害主要有這幾種:(1)嚴(yán)重?fù)p壞巷道,瞬間使巷道斷面收縮變小,損壞支架,嚴(yán)重時(shí)使巷道頂?shù)装搴蠑n。(2)損壞設(shè)備,在沖擊地壓發(fā)生瞬間,使設(shè)備顛覆移位、損壞變形。(3)摧毀通風(fēng)設(shè)施,強(qiáng)大的沖擊波會(huì)摧毀風(fēng)門和掘進(jìn)工作面的風(fēng)筒。(4)造成人員傷亡,人員大部分受撞擊、沖擊波和埋沒傷害。(5)可能引發(fā)瓦斯次生事故。2005年2月14日,阜新瓦斯爆炸事故是由沖擊地壓造成瞬間瓦斯大量涌出引發(fā)的。

        沖擊地壓的特點(diǎn)主要有以下幾種:

        (1)突發(fā)性,在發(fā)生沖擊地壓前沒有明顯的征兆,無法確定發(fā)生位置,很難事先準(zhǔn)備。(2)瞬時(shí)震動(dòng)性,震動(dòng)的時(shí)間非常短暫,幾秒到幾十秒不等,震動(dòng)波及范圍可達(dá)幾公里至幾十公里,地面有震感。(3)巨大破壞性,有時(shí)頂板瞬間明顯下沉,有時(shí)底板突然開裂鼓起甚至接頂,造成設(shè)備損壞和人身傷害。(4)復(fù)雜性,發(fā)生原因復(fù)雜、防治措施復(fù)雜。

        沖擊地壓分類,根據(jù)煤體應(yīng)力狀態(tài)不同可分3類:

        (1)重力型,主要受重力作用,沒有或只有極小構(gòu)造應(yīng)力影響。(2)構(gòu)造應(yīng)力型,構(gòu)造應(yīng)力超過巖層自重應(yīng)力,主要受構(gòu)造應(yīng)力的作用。(3)中間型或重力—構(gòu)造型,受重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用。

        2? ? 瓦斯突出

        瓦斯突出多發(fā)生在煤礦開采過程中,又常被叫作“煤與瓦斯突出”。

        瓦斯事故是我國煤礦五大自然災(zāi)害之一,煤與瓦斯突出是煤礦在井下開采過程中發(fā)生的一種瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,這種動(dòng)力現(xiàn)象是由瓦斯、巖石和煤共同引發(fā)的。煤與瓦斯突出時(shí),會(huì)在很短時(shí)間內(nèi),對(duì)巷道和采煤空間拋出大量的煤、巖石和瓦斯。拋出的煤和巖石的總量從幾噸到幾百噸不等,拋出的瓦斯從幾立方米到幾百萬立方米不等。這種突出災(zāi)害常伴有較大的動(dòng)力現(xiàn)象,如破壞支護(hù)設(shè)施、摧毀支架、使風(fēng)流反向、推倒礦車等。

        發(fā)生條件:(1)地應(yīng)力條件。地應(yīng)力狀態(tài)的突然變化有可能會(huì)引起煤與瓦斯突出。主要體現(xiàn)在這幾方面:地應(yīng)力對(duì)瓦斯壓力有控制的作用;煤體及圍巖受壓達(dá)到極限后,會(huì)釋放彈性能,使煤體突然產(chǎn)生破壞、位移。(2)煤的結(jié)構(gòu)和煤的力學(xué)性質(zhì)條件。研究表明煤越硬,要使煤破碎所需的能量就越大;并且瓦斯放散、解析能力和瓦斯在煤層的透氣性表現(xiàn)以及煤巖的不均質(zhì)性特點(diǎn),都會(huì)對(duì)煤與瓦斯突出的發(fā)生造成影響。(3)瓦斯條件。在煤體內(nèi)賦存的大量高壓游離瓦斯,會(huì)對(duì)周圍煤體產(chǎn)生膨脹作用;工作面前方形成的瓦斯壓力梯度,造成作用于壓力降低方向的力;高壓瓦斯分子全面縮煤的骨架,促使煤體中產(chǎn)生彈性潛能。

        統(tǒng)計(jì)分析表明:沖擊地壓主要發(fā)生在巷道(91%),而且主要發(fā)生在采煤和掘進(jìn)工序中。發(fā)生過沖擊地壓和由沖擊地壓引起過瓦斯災(zāi)害的煤礦都屬于高瓦斯礦井,這些煤礦因?yàn)槊后w本身就賦存大量瓦斯,使瓦斯涌出具備了基礎(chǔ)條件,再因沖擊地壓影響,為高瓦斯煤體中的瓦斯涌出創(chuàng)造了條件。本文僅對(duì)研究沖擊地壓與瓦斯涌出之間的關(guān)系進(jìn)行簡單數(shù)值模型建立的研究。

        3? ? 數(shù)值模型建立

        沖擊地壓與瓦斯涌出數(shù)值模型建立,首先需要了解被研究礦井的工程概況、礦井的地理位置、煤層的埋藏深度、走向長度、傾向長度、煤田的面積、礦區(qū)含有多少個(gè)煤層、煤層的總厚度、每層煤的厚度、煤層與煤層之間的距離、煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量等。這些數(shù)據(jù)是建立模型的基礎(chǔ)。

        模型的建立通過RFPA軟件來進(jìn)行,本文所運(yùn)用的RFPA系統(tǒng),即巖石破裂過程分析系統(tǒng),是基于彈性損傷模型的一個(gè)工具軟件。

        在對(duì)巷道圍巖的力學(xué)場和滲流場建立數(shù)值模擬模型時(shí),把巷道變形當(dāng)作平面應(yīng)變問題來模擬,這樣可以減少模型的尺寸,減少軟件的模擬計(jì)算時(shí)間。在建立模型時(shí),應(yīng)該以采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),設(shè)置條件:對(duì)模型的左右邊界和下邊界設(shè)置為垂直方向位移約束,上邊界設(shè)置成上覆巖層的均布載荷,具體數(shù)值按現(xiàn)場資料設(shè)置。模擬時(shí),讓上邊界的均布載荷開始作用,然后進(jìn)行瓦斯?jié)B流與應(yīng)力的耦合計(jì)算。滲流場模擬時(shí),把邊界瓦斯設(shè)置為均勻分布且固定數(shù)值,在挖空的巷道單元設(shè)置固定的大氣壓力值。為了簡化計(jì)算,忽略支護(hù)和巖層的影響,可以把煤層的厚度設(shè)置得很大。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [2]鮮學(xué)福.煤與瓦斯突出的激發(fā)和發(fā)生條件[J].巖土力學(xué),2009(3):5-9.

        [3]王濤,王曌華,劉華博,等.沖擊地壓后瓦斯異常涌出條件及致災(zāi)原因分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014(2):371-376.

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