邊角煤柱斷層沖擊地壓的數值模擬*

顧永強　田志超　劉業嬌

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院)

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邊角煤柱斷層沖擊地壓的數值模擬*

顧永強田志超劉業嬌

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院)

摘要以石圪節煤礦3501孤島工作面為研究背景，通過數值模擬，發現工作面推進不同距離時，斷層處等效應力有很明顯的變化，沒有斷層處等效應力基本保持穩定，變化很小，造成邊角煤柱在回采時冒落嚴重，發生事故概率大，因此有必要采取預防措施，防止沖擊地壓發生。該數值模擬結果對于類似地質條件的煤礦開采，具有一定的借鑒和指導意義。

關鍵詞邊角煤柱斷層力學模型沖擊地壓數值模擬

隨著煤礦資源開采規模的日益加大，回收利用率的要求逐漸提高,邊角煤是煤炭資源回收中的重要部分。然而在回收“孤島”型邊角煤柱時，礦難事故頻發，孤島煤柱發生沖擊地壓事故越來越嚴重，成為礦產資源開采過程中急需解決的難題，其中回收斷層中的預留煤柱時沖擊的安全防治顯得尤為迫切[1-3]。本文以石圪節煤礦3501孤島工作面為例，通過數值模擬，研究邊角煤柱的安全回收。

1　工程地質概況

1.1采區位置及周邊關系

石圪節煤礦3501煤柱位于3501工作面停采線以西，TF4斷層以東，南鄰3309下分層工作面運中巷，屬于三角形煤柱。煤柱傾斜寬20～80m，走向長約110m。3501工作面上、下分層分別在2003年7月、2007年7月回采完畢，3309上分層工作面在1996年4月回采完畢，TF4斷層以北的3503工作面上、下分層分別在2005年10月、2007年7月回采完畢。

1.2煤層賦存特征

開采煤層為3層煤，通過地質資料分析，該煤柱范圍內3層煤賦存穩定，煤層厚度3.5～4.1m，平均3.8m。煤層傾角18°～22°，平均20°，以氣煤為主，內生裂隙發育，普氏系數f=2.5。煤層頂底板情況見表1。

表1　煤層頂底板描述

2　數值模擬過程分析

2.1數值計算模型

建立石圪節3#煤數值模型，工作面長度及兩側巷道和上下區段長度合計120m。模型四端固定水平運動，底端固定垂直運動，最上面墊層按等效載荷施加到模型頂端，各巖層物理參數如表2所示。

表2　巖層物理參數

工作面推進時，距斷層不同距離時的計算簡圖見圖1。

圖1　工作面推進時的簡化模型

2.2數值模擬計算結果分析

工作面推進30m時距離斷層80m的模型，沒有材料屬性顯示的部分表示工作面推進30m的采空區，采空區大小30m×75m，該模型總的大小為323m×78m，并定義各巖層屬性(見圖2)，然后進行網格劃分，劃分成大小3m×2m微單元(見圖3)[4-5]。

圖2　距離斷層80 m的簡化模型

圖3　網格劃分后的模型

劃分好單元后，底端固定，邊界施加約束條件，左右兩邊不發生水平移動，在上端施加2 500kN/m均布壓力。

2.2.1工作面推進50 m

當工作面推進50m時，距離斷層60m的計算等效應力云圖見圖4，煤層處等效應力曲線見圖5。

圖4　等效應力云圖

圖5　等效應力曲線

當工作面推進50m時，等效應力左邊為5.855MPa，右邊為6.915MPa，隨后兩旁等效應力逐漸下降，但到斷層處的等效應力上升，斷層處的等效應力極大值左邊3.300MPa右邊3.200MPa，左邊比右邊大點。在斷層附近的等效應力變化幅度相比開采30m時變化不大(變化幅值為0.9MPa，30m時為1.005MPa)。

2.2.2工作面推進70 m

當工作面推進70m，距離斷層距離40m，等效應力云圖見圖6、煤層處等效應力曲線圖見圖7。

圖6　等效應力云圖

圖7　等效應力曲線

當工作面推進70m時，采空區兩旁的等效應力更大，左邊小于右邊(左邊8.67MPa，右邊10.51MPa)。斷層處等效應力極大值變大(左邊為4.625MPa、右邊為3.824MPa)，斷層處的等效應力變化幅度比推進30、50m時大(幅值為1.213MPa)。斷層結束后等效應力緩慢下降，最后等效應力趨向穩定2.34MPa。

2.2.3工作面推進90 m

當工作面推進90m，距離斷層距離20m，等效應力云圖見圖8、煤層處等效應力曲線見圖9。

圖8　等效應力云圖

圖9　等效應力曲線

當工作面推進90m時，采空區兩旁的等效應力更大，采空區的左邊9.88MPa右邊13.24MPa，斷層處的等效應力極大值變大(左邊6.98MPa，右邊5.220MPa)，變化幅度約0.9MPa，斷層后的等效應力逐漸趨向穩定2.42MPa。

2.2.4工作面推進100 m

工作面推進100m，距離斷層距離10m，等效應力云圖見圖10、煤層處等效應力曲線見圖11。

圖10　等效應力云圖

當工作面推進100m時，采空區兩旁的等效應力左邊13.320MPa、右邊15.0MPa，斷層處的等效應力極大值變大，左邊12.22MPa、右邊6.75MPa，斷層處的等效應力變化幅度約0.8MPa，斷層后的等效應力趨向穩定值2.450MPa。

圖11　等效應力曲線

2.3比較分析

(1)工作面推進不同的距離，即距離斷層不同的距離來看，4種情況下斷層處所的等效應力是逐漸增大的，開始上升→下降→上升→下降→趨向穩定，同時斷層處的變化幅度不大，基本保持在0.8～1.2MPa，工作面推進的距離符合所研究的課題。

(2)工作面推進不同距離時，等效應力在斷層與無斷層時表現不同，斷層處等效應力有很明顯的變化，等效應力逐漸增大，左邊從3.32MPa增加到12.22MPa，右邊從3.16MPa增加到6.75MPa；沒有斷層處變化很小，等效應力基本保持穩定在2.42～2.45MPa。

3　結　論

回收邊角煤柱是提高煤炭資源利用率的重要途經，通過數值模擬計算，發現工作面推進不同距離時，等效應力在有斷層與無斷層時表現不同，斷層處等效應力逐漸增大，沒有斷層處變化很小，等效應力基本保持穩定。因此斷層在回采時很容易發生巖層冒落，而且隨著工作面推進冒落地越來越嚴重，同時沖擊地壓事故在斷層處發生的概率相比其他大的多，有必要采取預防措施防止沖擊地壓發生。該數值模擬計算結果對于類似地質條件的煤礦開采具有一定的借鑒和指導意義。

參考文獻

[1]田志超,劉業嬌,王榮超.非線性動力學分岔理論在礦山開采應用中的探討[J].現代礦業,2012(11):54-56.

[2]吳教錕,趙旭生,李秋林.大灣煤礦保護層開采數值模擬研究[J],礦業安全與環保,2007,34(1):6-7.

[3]李樹清,龍祖根,羅衛東.煤層群下保護層開采保護范圍的數值模擬[J].中國安全科學學報,2012,22(6):34-39.

[4]田志超,劉業嬌,王傳朋.利用煤層中缺陷體防治沖擊地壓[J].煤炭工程，2010(1):72-74.

[5]閆鑫,田志超,劉業嬌.錨桿在深埋厚煤層巷道中的支護效果分析[J].現代礦業，2013(1):131-132.

(收稿日期2016-04-19)

NumericalSimulationofRockBurstinthePresenceofFaultsintheMarginalCoalPillar

GuYongqiangTianZhichaoLiuYejiao

(CollegeofArchitectureCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScience&Technology)

AbstractTaking the 3501 isolated working face of Shiyijie coal mine as the engineering background,the numerical simulation results show that the working face advancing different distance,the fault equivalent stress is changed obviously,the equivalent stress is kept stable in the area without faults,which resulting in caving phenomenon of the corner of marginal coal pillar is more and more serious in the process of mining,the probability of the rock burst accident occurred on the faults is enlarged,therefore,it is necessary to take preventive measures to prevent the occurrence of rock burst.The numerical simulation results have some reference for the the mining of the coal mines under the similar geological conditions.

KeywordsMarginal coal pillar,Fault,Mechanical model,Rock burst,Numerical simulation

*內蒙古自治區高等學校科學研究項目(編號：NJZY148)；內蒙古科技大學創新基金資助項目(編號:2001NCL033)。

顧永強(1970—)，男，副教授，014010 內蒙古包頭市阿爾丁大街7號。