趙書東

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

關鍵詞：沖擊地壓;瓦斯;數(shù)值模型

1? ? 沖擊地壓

煤礦開采過程中，在高應力狀態(tài)下，煤巖體受應力作用，儲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影響，穩(wěn)定狀態(tài)會突然發(fā)生改變，釋放儲存的彈性能量。這種快速、破壞強度大的礦山壓力現(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、煤巖體的強烈震動和強力的沖擊波現(xiàn)象，就如同在巷道掘進中放炮一樣。受沖擊地壓影響，煤和巖石會被突然拋出，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?？?，這些被拋出的煤巖會損壞支架，堵住巷道。而且，沖擊地壓的發(fā)生還有可能引發(fā)其他煤礦災害的發(fā)生，比如煤塵和瓦斯方面的災害等。

很多學者認為沖擊地壓成因和機理是由于3項高應力的作用。成煤過程受地質運動等因素的影響，煤層和巖層處于一種平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，由于之前地質運動等對煤巖體的作用，煤巖體內儲存大量的彈性能量。當這些處于平衡狀態(tài)的煤巖體受到采掘活動影響時，原來的平衡狀態(tài)就會被打破，致使儲存的大量彈性能量被快速釋放，大部分的彈性能量會轉化為動能，對周圍煤巖體產(chǎn)生動力沖擊，而引發(fā)各種動力現(xiàn)象。

引發(fā)沖擊地壓的原因有很多，而且比較復雜，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)有的技術條件和采掘的組織管理這3個方面。

沖擊地壓的危害主要有這幾種：（1）嚴重損壞巷道，瞬間使巷道斷面收縮變小，損壞支架，嚴重時使巷道頂?shù)装搴蠑n。（2）損壞設備，在沖擊地壓發(fā)生瞬間，使設備顛覆移位、損壞變形。（3）摧毀通風設施，強大的沖擊波會摧毀風門和掘進工作面的風筒。（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，很難事先準備。（2）瞬時震動性，震動的時間非常短暫，幾秒到幾十秒不等，震動波及范圍可達幾公里至幾十公里，地面有震感。（3）巨大破壞性，有時頂板瞬間明顯下沉，有時底板突然開裂鼓起甚至接頂，造成設備損壞和人身傷害。（4）復雜性，發(fā)生原因復雜、防治措施復雜。

沖擊地壓分類，根據(jù)煤體應力狀態(tài)不同可分3類：

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

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)生的一種瓦斯動力現(xiàn)象，這種動力現(xiàn)象是由瓦斯、巖石和煤共同引發(fā)的。煤與瓦斯突出時，會在很短時間內，對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。這種突出災害常伴有較大的動力現(xiàn)象，如破壞支護設施、摧毀支架、使風流反向、推倒礦車等。

發(fā)生條件：（1）地應力條件。地應力狀態(tài)的突然變化有可能會引起煤與瓦斯突出。主要體現(xiàn)在這幾方面：地應力對瓦斯壓力有控制的作用;煤體及圍巖受壓達到極限后，會釋放彈性能，使煤體突然產(chǎn)生破壞、位移。（2）煤的結構和煤的力學性質條件。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)以及煤巖的不均質性特點，都會對煤與瓦斯突出的發(fā)生造成影響。（3）瓦斯條件。在煤體內賦存的大量高壓游離瓦斯，會對周圍煤體產(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)生在采煤和掘進工序中。發(fā)生過沖擊地壓和由沖擊地壓引起過瓦斯災害的煤礦都屬于高瓦斯礦井，這些煤礦因為煤體本身就賦存大量瓦斯，使瓦斯涌出具備了基礎條件，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。本文僅對研究沖擊地壓與瓦斯涌出之間的關系進行簡單數(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。

模型的建立通過RFPA軟件來進行，本文所運用的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工具軟件。

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

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