煤體壓縮型沖擊地壓分析

于麗艷 王建國 王 冀

(黑龍江科技學院理學院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

現階段我國的很多煤礦已經進入深部開采階段，隨著采深的不斷加深，沖擊地壓發生的頻度和強度也越來越大，產生的后果也越來越引起人們的重視。沖擊地壓[1，2］是煤巖體急劇破壞，釋放彈性能的一種動力現象。發生前一般沒有明顯的宏觀前兆，發生過程短暫，猝不及防，并伴有強烈震動、聲響和沖擊波，最大震級達到里氏震級3.8級以上，具有很大的破壞性，嚴重威脅了礦井的安全生產，同時使煤礦職工遭受不同程度的傷害和恐怖感。沖擊地壓是影響煤礦安全生產的惡性災害事故之一，也是世界主要采礦國家面臨的共同難題。

1 煤體壓縮型沖擊地壓實例分析

煤體壓縮型沖擊地壓是沖擊地壓的一種類型，在礦井中比較常見，其發生的深度一般不超過500 m。雖然該類沖擊地壓發生時的沖擊波衰減快，震動時間短，但造成的危害卻很大，使大量煤塊被拋出，造成設備損壞和人員傷亡。如北京礦務局城子礦[3］在1971年9月10日發生一次煤體壓縮型沖擊地壓，當時該礦八層－250 m水平西巷在回收煤柱時使巷道上幫煤被拋出，拋出的煤使巷道空間被堵塞，棚倒塌折斷，致使巷道長達35 m處于癱瘓狀態。同時該礦的八層－340 m水平西巷又在1974年10月25日回收上幫煤柱時致使該巷道的上幫煤體拋出，使巷道75 m遭到摧毀，輸送煤的機器遭到破壞，支撐巷道的支架倒塌。造成如此大的災難的原因是煤柱屬四周已采空的孤立條帶形煤柱，煤質堅硬，脆性大，屬強烈沖擊傾向煤層。頂底板的成分均為砂巖，其質地堅硬且難垮，開采活動進行后頂板大面積懸空，此時煤柱承受強大的壓力，頂底板對煤柱形成夾制作用，使之形成高度應力集中。當壓力超過煤柱的承載能力時，發生煤體壓縮型沖擊地壓。

2 煤體壓縮型沖擊地壓機理分析

煤體壓縮型沖擊地壓的發生用力學知識可解釋為煤巖層局部高應力集中并超過其強度，由于煤巖物理力學性質和煤巖層約束條件發生變化而發生突然的破壞現象。對該類型沖擊地壓進行機理分析時，應當把煤系地層視為煤層—頂底板系統，如圖1所示。在一定的采場空間內，煤巖體在原始應力和采動應力作用下，煤被較堅硬的底板和頂板夾持，這樣阻礙了深部圍巖—煤體交界處及煤體本身的卸載變形。隨著工作面的開采，上覆堅硬頂板懸露彎曲下沉，使煤體更加壓實，承受更高的壓力，煤體夾持作用增強，系統積聚的彈性能增加，圖1中沿傾斜方向，離采場煤壁越近，夾持力越大，反之越小。

由于開采而形成的煤巖結構的組成材料為巖石和煤，和一般的工程結構不同，此類結構中的一部分材料會避免不了在塑性區工作，在這個區域內煤巖的強度會超過自身的峰值強度，煤巖材料變成了應變軟化的非穩定材料。由于煤的抗壓強度遠低于它周圍巖石的抗壓強度，所以在煤巖結構中它被看作是最薄弱的部分[4］。結合此類沖擊地壓實際發生的情況，建立其力學模型如圖2所示，圖2中的2a代表采空區的跨度，L代表煤柱中心線到采空區中心線的距離，h代表煤柱的高度，q代表頂板施加給煤柱的力。

圖1 煤層—頂底板示意圖

圖2 力學模型

3 煤體壓縮型沖擊地壓數值模擬分析

3.1 數值模擬參數

模擬時上下頂板為砂巖，各煤巖的物理力學參數見表1。

表1 煤巖物理力學參數表

3.2 數值模擬分析

將煤巖體結構簡化為沿巷道走向的二維平面應變有限元彈塑性模型，采用摩爾—庫侖準則進行計算。為減小邊界效應的影響，模型的長、高分別取200 m，煤層厚度取10 m。模型底面固定約束，頂面距地表313 m，頂面加載7.51 MPa作為模擬上覆巖層自重[5-7］，模擬結果如下。

由圖3和圖4可以看出，在預留煤柱附近，采空區兩側應力值比較大，形成了高應力集中區，此區域成為了煤體壓縮型沖擊地壓發生的高危區域，預留煤柱在高應力區受到來自上下巖層頂板的夾制力，并隨著開采的進行所受壓力繼續增大，當超過其峰值強度時發生煤體壓縮型沖擊地壓。

圖3 開采25 m預留煤柱Y向應力

圖4 開采25 m預留煤柱剪應力

4 結語

1)通過案例可看出煤體壓縮型沖擊地壓造成的后果是十分慘重的，有必要以后加大人力物力和財力來防治煤體壓縮型沖擊地壓的發生。

2)運用力學知識分析了煤體壓縮型沖擊地壓的發生機理并給出了此類沖擊地壓的力學模型，為后續從理論角度分析煤體壓縮型沖擊地壓奠定基礎。

3)運用ANSYS分析軟件分析了在采煤過程中煤體壓縮型沖擊地壓所發生的區域為預留煤柱的高應力集中區域，這為以后預測煤體壓縮沖擊地壓提供一種輔助手段。

[1]Brauner G.Rock Bursts in Coal Mines and Their Prevention[M］.Rotterdam:A.A.Balkema，1994:2-64.

[2]趙本鈞.沖擊地壓及其防治[M］.北京:煤炭工業出版社，1994.

[3]石 強，潘一山，李英杰.我國沖擊礦壓典型案例及分析[J］.煤礦開采，2005，10(2):13-17.

[4]潘一山.沖擊地壓發生和破壞過程研究[D］.北京:清華大學工程力學系，1999.

[5]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危險性數值模擬[J］.中國地質災害與防治學報，2011，22(1):94-98.

[6]王永秀，齊慶新.煤柱應力分布規律的數值模擬分析[J］.煤炭科學技術，2004，3(10):59-62.

[7]朱伯芳.有限元法原理及應用[J］.土木工程學報，1999(4):24-26.