底板煤巖組合對沖擊礦壓災害影響規律研究

朱江偉

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南　焦作　454003； 2.鄭煤集團 蘆溝煤礦，河南　新密　452374)

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·試驗研究·

底板煤巖組合對沖擊礦壓災害影響規律研究

朱江偉1，2

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南焦作454003； 2.鄭煤集團 蘆溝煤礦，河南新密452374)

摘要某煤礦下巷底板多次發生沖擊礦壓，以該礦采區地質和采掘條件為基礎，研究底板煤巖屬性對底板沖擊礦壓發生的影響，運用數值模擬，研究在不同底板煤巖屬性條件下開挖巷道后應力演化規律對沖擊的影響。研究表明：巷道5 m范圍內強弱組合應力值遠大于弱強組合，更容易引發沖擊礦壓危害。

關鍵詞底板；煤巖屬性；沖擊；數值模擬；應力演化

沖擊礦壓是一種日益嚴重的礦井災害，給生產和安全帶來了重大的危害[1-2].受采深、煤層性質、頂板結構等多種因素影響，煤層回采后工作面底板出現破壞且逐漸增多。底板采動破壞后不但易出現底鼓變形，而且因其承載強度急劇降低而易發生沖擊礦壓。了解煤層底板性質的影響是研究煤層底板破壞的重要前提，不同煤礦沖擊的發生有不同的發生條件和判別準則。

許勝銘等[3]研究表明，義馬煤田地質因素對沖擊地壓具有主導作用。陳國祥等[4]對沖擊礦壓的靜動疊加失穩機制和發生模式進行研究。姜福興等[5]對巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理進行了分析。由于不同礦井的地質開采條件不同，沖擊礦壓發生的形式也不同。因此，沖擊礦壓的研究仍是一項比較復雜的難題。

本文根據某煤礦某工作面地質條件，利用FLAC2D數值模擬軟件研究底板煤巖層屬性對底板沖擊的影響規律，根據數值模擬的結果分析煤層底板不同組合在采動應力下巷道開挖應力演化規律，定量的揭示底板煤巖屬性對沖擊礦壓發生的影響。

1底板性質對巷道開挖應力演化規律的數值模擬

1.1工程概況

本次研究的數值模擬模型地質條件參考某煤礦采區的地質和開采條件，某面相鄰工作面的布置參考圖見圖1，工作面開挖第一個面長152 m，第二個面長192 m，在此基礎上開挖巷道，下巷在開挖過程中發生多次沖擊，發生過較大能量的沖擊事故，所以以下巷為研究對象。工作面下巷沿煤層頂板布置，留底煤，巷道尺寸為寬4 m×高3 m.

圖1　計算模型圖

模型從上到下，礫巖厚度300 m局部區域厚度約為700 m甚至直達地表，泥巖厚3 m，煤層厚 2 m，粉砂巖厚12 m，泥巖厚2 m，煤層厚3 m，泥巖厚20 m，開采煤層厚10 m，泥巖厚24 m，礫巖厚50 m.

1.2數值模擬模型與方案

1) 采掘地質條件。

根據采區的地質和開采條件，建立FLAC2D數值計算模型，模擬進行簡化。巖層傾角取0°，采用平面應變，模型采用Mohr-Coulomb破壞準則，模型各層物理力學參數見表1,重力加速度9.8 m/s2，首先計算初始應力場，巖體垂直應力按巖體自重計算，載荷按下式得到：σx=σy=σz，λ=1，初始應力條件按水平方向的初始應力與垂直方向應力相等考慮。

表1　煤巖體力學參數表

2) 模擬方案。

下巷底板是由煤和礫巖組成，分析強-弱和弱-強兩種不同的結構的影響。

在不同條件影響下，回采相鄰工作面后開挖巷道，在不同條件組合下開挖巷道時監測巷道底板4 m處應力位移變化。

1.3數值模擬結果與分析

下巷位于煤層的頂部，其底板是由煤層和礫巖組成，下巷多次發生沖擊礦壓災害，為研究底板屬性對巷道沖擊災害的影響規律，把組成底板的煤和礫巖的結構分為硬煤軟底的強-弱和軟煤硬底的弱-強兩種結構。通過在兩種不同結構條件下回采后開挖時的應力演化規律研究，從而定量地揭示不同的底板結構對沖擊礦壓發生的影響，為探索底板結構對沖擊礦壓災害的影響提供借鑒。

在兩種結構下開挖巷道時，底板下面4 m處的應力變化規律見圖2，3.在兩種不同結構下回采兩個工作面后，巷道未開挖前所受的應力狀態不同，巷道在開挖過程中應力變化規律也不同。在強弱結構下開挖巷道時，水平應力迅速升高，垂直應力迅速降低，水平應力由21.56 MPa升高到25.33 MPa，垂直應力由27.50 MPa降低到19.53 MPa.在弱強結構下開挖巷道過程中，底板下方4 m處的水平應力和垂直應力都降低到應力平衡，垂直應力由27.91 MPa迅速降低到7.41 MPa，降低了73.45%.水平應力由21.66 MPa迅速降低到14.09 MPa，降低了34.95%.巷道開挖過程中應力以軟煤為突破口釋放能量。

圖2　強-弱結構下底板4 m處應力監測圖

圖3　弱-強結構下底板4 m處應力監測圖

巷道開挖后應力場平衡后應力分布規律見圖4,5.在距離巷道底板5 m內弱強組合下產生的水平應力遠小于強弱組合，在距離底板10 m處弱強結構的水平應力開始大于強弱結構,在距離頂板5 m處隨著距離增加，弱強結構的水平應力大于強弱結構，可知，在距離頂底板5 m范圍內強弱結構產生的水平應力比較大。巷道兩幫的垂直應力分布規律相類似，在距離巷道兩幫5 m范圍強弱結構的垂直應力遠大于弱強結構，隨著距離的增加，弱強結構的垂直應力大于強弱結構。

圖4　巷道頂底板水平應力分布圖

圖5　巷道頂底板垂直應力分布圖

兩種結構底板垂直位移見圖6.從圖6中可以看出，巷道開挖過程中弱強結構下底板的位移發生了很大的變化，上升了663 mm，遠大于強弱結構，可知巷道開挖過程中應力以軟煤為突破口，釋放能量引起底板位移發生較大的變化，產生了局部較大的破壞。強弱結構在硬煤下引起底板的位移變化較小，局部破壞也較小。弱強結構下開挖巷道更容易引起底板沖擊的發生。

圖6　底板垂直位移圖

2結論

強弱組合下開挖巷道底板下4 m處水平應力升高，垂直應力降低，弱強組合巷道開挖過程中水平應力垂直應力都降低。巷道圍巖應力場平衡后，巷道5 m范圍內強弱組合應力值遠大于弱強組合。

參考文獻

[1]高明仕.沖擊礦壓巷道圍巖的強弱強結構控制機理研究[D].徐州:中國礦業大學博士學位論文,2006.

[2]潘俊鋒，寧宇，毛德兵，等．煤礦開采沖擊地壓啟動理論[J]．巖石力學與工程學報，2012，31(3):586-596.

[3]許勝銘，李松營，李德翔，等.義馬煤田沖擊地壓發生的地質規律[J].煤炭學報,2015,40(9):2015-2020.

[4]陳國祥，郭兵兵．沖擊礦壓的靜動疊加失穩機制和發生模式[J]．煤炭學報，2015，40(9):2021-2025.

[5]姜福興，魏全德，王存文，等．巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理分析[J].煤炭學報，2014，39(7):1191-1196.

Research on the Influence Law of Floor Coal and Rock Combination on Rock Burst Disaster

ZHU Jiangwei

AbstractA coal mine floor under the roadway has the rock burst many times, based on the coal mine mining area geological and mining conditions, researches the impact of floor rock properties on floor rock burst. By numerical simulation, studies the impact of stress evolution rules on shock under the condition of different coal attributes after excavation roadway. The study shows that within the scope of 5 m, roadway stress value of strong and weak combination is greater than the weak and strong combination. It's easier to cause rock burst hazards.

Key wordsFloor; Coal and rock attributes; Shock; Numerical simulation; Stress evolution

中圖分類號：TD324

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0030-03

作者簡介：朱江偉(1980—)，男，河南南陽人，2013級河南理工大學在職研究生，助理工程師，主要從事礦山安全與災害防治方面的研究工作(E-mail)455972890@qq.com

收稿日期：2015-11-03