組合串聯煤巖沖擊傾向性影響因素數值模擬*

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組合串聯煤巖沖擊傾向性影響因素數值模擬*

薛俊華1，劉超2，王龍3

(1.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024)

摘要：為了研究組合串聯煤巖對沖擊傾向性的影響，采用RFPA數值模擬的方法，對頂板-煤-底板組合煤巖進行數值試驗研究，通過改變頂板剛度和煤巖(頂板)高度比參數進行模擬，分析不同煤巖組合模式對沖擊傾向性的影響。試驗結果表明：隨著頂板剛度的減小，組合系統的沖擊傾向性隨之增強；隨著煤巖高度比的減小(頂板厚度增加)，組合系統的沖擊傾向性也越來越大；串聯煤巖組合系統沖擊傾向性與頂板剛度、煤巖高度比呈反比關系。以上試驗結果為揭示煤巖沖擊傾向性提供了理論依據及工程參考。

關鍵詞：沖擊傾向性；頂板強度；煤巖高度比；數值模擬

0引言

煤巖的沖擊傾向性是沖擊礦壓發生的必要條件[1-3]，沖擊傾向性能識別煤巖體發生沖擊破壞的能力，鑒定其是否具有發生沖擊礦壓的固有力學性質[4-6]。為了揭示頂、底板對煤層沖擊傾向性的影響機制，有必要研究在頂板與煤或頂板、煤與底板組合條件下，試樣沖擊傾向性的演化規律[7-8]，尤其是與煤樣強度、頂板巖樣剛度及煤巖高度所占比例之間的相互關系。

齊慶新[9]等指出可以將煤的單軸抗壓強度作為評價煤層沖擊傾向性的指標；謝和平[10]等從能量角度指出巖石的變形破壞過程實質上是能量耗散和能量釋放的全過程；李曉璐[11]等借助FLAC3D系統地模擬了煤巖高度、傾角的變化對沖擊傾向性的影響；劉波[12]等設計了7種高度比的煤巖組合并通過物理實驗研究了力學性質與動態破壞特性。

由于普遍上認為底板對沖擊地壓的影響較小，所以很少做頂-煤-底系統模型的試件試驗，然而，隨著圍巖條件的變化，底板對沖擊地壓的影響也變得不同，也只有全面考慮頂煤底三者的整體作用，才能全面體現沖擊地壓的本質，才能使各項指標相對真實地反映研究對象的實際情況[13]。因此，沖擊地壓的發生條件和機理的研究，應當把煤系地層視為煤層-頂底板系統，文中使用數值模擬的方法，通過改變頂板剛度和煤巖(頂板)高度比進行模擬并分析不同組合模式下對沖擊傾向性的影響。

1數值模型建立

淮南礦業集團朱集礦1111(1)工作面是首采工作面，位于北回風巷北側于11勘探線和12勘探線之間。走向長1 879 m，傾向長230 m.所采煤層為11-2煤，煤層厚度在0.95～1.60 m之間，平均煤厚1.37 m.煤層傾角0～6°，平均傾角3.5°.瓦斯含量為3.7 m3/t，煤的堅固系數f值為0.6～0.8.該面底抽巷(埋深超過950 m)發生動力沖擊(突出巖石3～5 m3)。由于正值迎頭無工作人員，因此未造成人員傷亡。說明朱集東礦已進入具有動力沖擊危險的區域進行開采。

以上述工程背景建立數值模型，模型試件的頂板、煤樣和底板部分長高尺寸都為50 mm×50 mm，煤巖高度比例1∶1∶1，單元網格數100×300由上至下依次為頂板巖石、煤樣、底板，模型如圖1所示。

圖1　頂-煤-底板系統數值模型圖Fig.1　Numerical model of roof，coal and floor

相關材料參數見表1.

表1　數值計算力學參數

計算采用平面應變模型，加載方式采用單軸壓縮位移加載，初始值為0.005 mm，每步增加量為0.005 mm.巖石力學參數假定符合Weibull分布。巖石破裂采用庫侖—莫爾強度準則判斷。在其它條件不變的情況下，僅改變頂板的巖性和煤(頂板)的高度比分別模擬獲取相關信息。相變準則控制參數見表2.

表2　相變準則控制參數

2數值計算模擬的結果與分析

2.1　頂板剛度對沖擊傾向性的影響

分別對頂板剛度E為35 000，45 000，55 000 MPa的系統模型試件進行了數值模擬，獲得的基本信息，如圖2所示。通過比較分析，由圖2(a)煤巖組合荷載在煤樣極限強度前后，聲發射次數呈現跳躍式的變化，且在煤樣超過極限強度后，聲發射次數突然增加，然后又突然降低，說明煤樣超過極限強度后，不是平穩的破裂過程，而是突變的過程，屬于急劇破壞具有很強的沖擊傾向性；圖2(b)、圖2(c)煤巖組合荷載在煤樣極限強度前后，聲發射次數呈現跳躍式的變化，且在煤樣超過極限強度后，并沒有出現聲發射能量的突然變化，而是延遲一段是時間后能量發生跳躍式增加，屬于延遲破壞。圖2(a)瞬間釋放的能量明顯大于圖2(b)、圖2(c)瞬時釋放能量。從圖2(b)、圖2(c)的瞬間產生的聲發射次數可得出圖2(b)相對較多，即圖2(b)的沖擊傾向性強于圖(c)。由此可得隨著頂板剛度的減小，組合系統的沖擊傾向性也隨之增強。

圖2　不同頂板剛度度情況下聲發射變化圖Fig.2　AE under different stiffness of roof rock(a)E=35 000 MPa　(b)E=45 000 MPa　(c)E=55 000 MPa

2.2　煤巖(頂板)高度比對沖擊傾向性的影響

分別對煤巖(頂板)高度比為1∶2,1∶1，2∶1的系統模型試件進行了數值模擬，獲得的基本信息如圖3所示。

經過分析對比圖3(a)在應力峰值過后，組合系統釋放能量逐步增加，然后突然減少甚至消失，且釋放的聲發射累積能量明顯高于圖3(b)、圖3(c)，故沖擊傾向性很強烈。圖3(b)、圖3(c)屬于急劇破壞，具有較強的沖擊傾向性，從釋放聲發射能量可以看出圖3(b)在瞬間產生聲發射的能量明顯高于圖3(c)，也意味著圖3(b)的沖擊傾向性強于圖3(c)。可見，隨著煤巖高度比的減小(頂板厚度增加)，組合系統的沖擊傾向性也越來越大。

圖3　不同高度比情況下聲發射變化圖Fig.3　AE under different height scale(a)煤巖比為1∶2　(b)煤巖比為1∶1　(c)煤巖比為2∶1

3結論

1)隨著頂板剛度的減小，煤巖組合系統的沖擊傾向性隨之增強；

2)隨著煤巖高度比的減小(頂板厚度增加)，煤巖組合系統的沖擊傾向性越來越大；

3)串聯煤巖組合系統沖擊傾向性與頂板剛度、煤巖高度比呈反比關系。

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Numerical simulation of influential factors for bursting liability in the combination of series of coal and rock

XUE Jun-hua1，LIU Chao2，WANG Long3

(1.StateKeyLaboratoryofDeepCoalMining&EnvironmentProtection，Huainan，Huainan232001，China；

2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

3.SchoolofCivilEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian710054，China)

Abstract：In order to study the influence of rockburst tendency by the combined and integrated coal-rock，by using RFPA numerical simulation method，experimental research was carried out on the roof-coal-floor value of integrated coal rock，the influence of different combination modes between coal and rock on its bursting potential was studied using numerical simulation by changing the stiffness of roof rock and height scale.The experimental results showed that：the bursting potential improves with the decrease of the roof stiffness and the height scale(increase thickness of roof rock)，the rockburst tendency of combined and integrated coal-rock is inverse relationship to the stiffness of roof and height of coal-rock.These results provide a theoretical basis and reference for engineering to reveal the rockburst tendency of coal-rock.

Key words：bursting potential；stiffness of roof rock；height scale between coal and rock；numerical simulation

中圖分類號：TD 32

文獻標志碼：A

通訊作者：薛俊華(1963-)，男，江蘇泰州人，教授級高工，E-mail：xuejunhua2003@163.com

基金項目：國家自然科學基金(51304154)；安徽省自然科學基金(1408085MKL92)；陜西省博士后科研資助項目(陜博管辦[2013]10號-2-76)；西安科技大學博士后啟動金(2014QDJ062)

收稿日期：*2015-02-25責任編輯：劉潔

文章編號：1672-9315(2016)01-0065-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0111