急傾斜煤層的沖擊地壓危險區域劃分研究

于麗艷 閆龍海

(黑龍江科技學院理學院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

隨著經濟的不斷發展，我國對煤炭的需求量也在不斷增長，現階段我國大部分煤礦已進入深部開采階段，沖擊地壓現象隨著開采深度的逐步增加而越來越頻繁。沖擊地壓發生時其沖擊過程急劇而短暫，從幾秒到幾十秒，沖出的煤炭量很大，從幾噸到幾百噸，曾記錄到的礦山沖擊地壓最大震級已超過里氏5級，有時在幾千米范圍內的地面都能感覺到，形成大量煤塵和強烈的空氣波。如果沖擊地壓發生在采礦巷道工作面還會對井下巷道、生產設備，對礦工以及地表的建筑物均造成不同程度的影響。沖擊地壓的發生不僅威脅煤礦安全生產，而且影響生產指標，造成產量波動，坑木消耗加大，噸煤成本提高，對礦工安全造成很大威脅，使人員驚恐，工人出勤率降低，給生產往往造成嚴重破壞。沖擊地壓是世界范圍內最危險的礦山動力現象，是煤礦最為嚴重的自然災害之一。

由于沖擊地壓發生的原因極其復雜，影響因素頗多，且發生前無明顯宏觀前兆，因此對沖擊地壓的研究已成為巖石力學研究的一個重大課題[1-4]。

我國急傾斜煤層分布廣泛，尤其在南方地區80%的礦區賦存有急傾斜煤層，國有重點煤礦開采急傾斜煤層的礦井數占17%，產量占3.88%，在地方煤礦和鄉鎮煤礦中急傾斜煤層的礦井數約占37.58%，產量占7.0%。急傾斜煤層地質條件大多數比較復雜，開采急傾斜煤層時易發生沖擊地壓現象。因此有必要在開采前結合礦山地質條件及生產實際輔以數值模擬方法劃分出易于發生沖擊地壓的危險區域[5-7]，對煤礦沖擊地壓的有效預測和防治提供一定的參考，繼而保證了采礦生產的安全順利進行，提高了煤礦企業的經濟效益。

1 沖擊地壓危險區域劃分依據

一般在煤巖體的高應力集中區域處易發生沖擊地壓現象，因此作者把判斷煤巖體的高應力區域作為劃分沖擊地壓危險區域的依據。而高應力集中區域主要出現在以下幾處[8-10]:

1)礦井開采后頂板冒落不充分區域及開采所形成的垂直應力集中區域。

2)一些特殊煤層處，如含瓦斯煤層(尤其在瓦斯壓力或瓦斯含量增高區)，傾角較大的煤層，沒有被解放的煤層。

3)具有彈性能的煤柱的上、下方。

4)復雜地質構造處，如火成巖侵入體附近、向背斜急轉軸處、斷層、煤層厚度急劇變化處。

當然在此區域內并不是說每一處都要發生沖擊地壓現象，只是一個把它作為相對危險的區域，由于產生沖擊地壓的因素頗多，所以要綜合各種因素來考慮，比如說煤和巖層本身的物理力學特性，煤巖所處的地質概況及煤層的開采方法等。

2 數值模擬

2.1 地質概況

長溝峪向斜南翼采區為單斜地層，煤巖層走向在東二～9剖面線之間為295°，9剖面線～長溝峪向斜軸部轉折端之間為315°，平均為300°。該區4槽煤層平均傾角為55°，煤層最小厚度為0.05 m，最大厚度為7 m，平均煤厚3.3 m，大部分為單層結構，局部為雙層結構。偽頂為粉砂巖，厚度0.5 m，極發育;直接頂為粉砂巖，厚度15.0 m，較發育;老頂為砂巖，厚度22.0 m，較發育;底板為粉砂巖，厚度10.7 m，不發育。煤層厚度較為穩定，大部分可采。地質儲量29.4萬 t，可采儲量18.6萬 t。

2.2 有限元模型

根據采區地質和煤巖條件在回采巷道推進方向建立二維數值模擬有限元模型。為減小模型邊界效應的影響，并根據4槽煤層頂底板的圍巖力學特征，在模型走向方向上取200 m，在模型垂直方向上取200 m。模型上邊界距地表約570 m，因此模型上部施加約為14.25 MPa的均布載荷，并考慮自重[11-13]。建立模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.3 煤巖物理力學參數

各煤巖的物理力學參數以現場地質調查和煤巖力學實驗結果給定，參數見表1。

表1 煤巖物理力學參數表

2.4 數值模擬結果與分析

從圖2可知，未開采時垂直應力大小分布的總體趨勢是均勻的，值均為負值，煤巖體為受壓狀態，應力升高區和應力降低區出現在圖中的上下底板處，而應力集中的主要原因是由于急傾斜煤層的存在。應力最小值出現在煤層和底板下邊界處，最小應力值4.67 MPa，整個模型應力值都不大，相對大的應力值出現在老頂處，值為 37.4 MPa，且范圍很小。

圖2 未開采垂直應力分布圖

圖3 推采不同距離時垂直應力分布圖

由圖3可以看出:1)開采13 m時拉應力最大值為13.5 MPa，壓應力最大值為72.5 MPa，開采26 m和39 m時應力集中區應力值減小，開采52 m時應力值又增大為13.4 MPa，72.6 MPa。由于在模擬過程中考慮了支護的作用，故應力值變化不大。2)雖然向上推采距離不同，但應力集中區域出現在同處，最大拉應力區出現在工作面下端處，最大壓應力區出現在工作面上端頭。3)工作面上端頭30 m范圍內和工作面下巷臨近工作面70 m以內區域，應力值較大，此區域為高應力區域。

3 結語

1)通過對長溝峪向斜南翼4槽煤層在推采不同距離時的垂直應力分布圖的分析可以劃分出在工作面上端頭30 m范圍內和工作面下巷臨近工作面70 m以內是發生沖擊地壓的危險區域。2)利用ANSYS有限元軟件對長溝峪煤礦急傾斜煤層進行數值模擬，劃分出的沖擊地壓危險區域這一模擬結果與開采實際基本吻合，說明該數值模擬方法對研究預測急傾斜煤層的沖擊地壓具有一定指導意義。

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