通化八寶礦煤層沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

王世娟，潘一山，李忠華，李國(guó)臻，閻海鵬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

通化八寶礦煤層沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

王世娟，潘一山，李忠華，李國(guó)臻，閻海鵬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

為防治通化礦業(yè)(集團(tuán))公司八寶礦沖擊地壓的發(fā)生，對(duì)其可能發(fā)生沖擊地壓的－412區(qū)1號(hào)、－213區(qū)4號(hào)和6號(hào)煤層試樣進(jìn)行了力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)態(tài)破壞特性的試驗(yàn)研究，并結(jié)合了沖擊傾向性數(shù)值模擬研究，分析了礦區(qū)水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、最大主應(yīng)力大小及分布規(guī)律，得出結(jié)論:(1)應(yīng)力較大值多出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶，凡遇褶曲和斷層帶，特別是斷層上、下盤處，而且強(qiáng)度相對(duì)較大，即沖擊傾向性相對(duì)較強(qiáng)。(2)水平應(yīng)力約為自重應(yīng)力的2倍，垂直應(yīng)力約為自重應(yīng)力的2.7倍，最大主應(yīng)力略小于自重應(yīng)力，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度。(3)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬結(jié)論較好吻合，與通化八寶礦未發(fā)生沖擊地壓的實(shí)際一致。

沖擊地壓;沖擊傾向性;實(shí)驗(yàn)研究;數(shù)值模擬;通化

0 引言

沖擊傾向性是煤巖材料的固有力學(xué)性質(zhì)。1967～1969年，Bieniawski等通過(guò)室內(nèi)煤的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相同地質(zhì)和開(kāi)采條件下，煤層是否發(fā)生沖擊地壓有很大差異，并提出沖擊傾向性指標(biāo)。認(rèn)為當(dāng)沖擊傾向性指標(biāo)大于某個(gè)值時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊地壓。但是，大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，具有相同沖擊傾向性的煤層，甚至同一煤層，只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強(qiáng)沖擊傾向性的煤層并不發(fā)生沖擊地壓，而某些沖擊傾向性很弱或無(wú)沖擊性的煤層卻發(fā)生了沖擊地壓。因此，單純依靠煤樣沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果來(lái)判別沖擊地壓是否發(fā)生是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，充分考慮地質(zhì)構(gòu)造條件等影響因素，并輔以必要的數(shù)值模擬計(jì)算等手段，進(jìn)行綜合判別［1－4］。通化礦業(yè)(集團(tuán))公司八寶礦井田第10勘探線剖面的－412區(qū)1號(hào)和－213區(qū)4號(hào)、6號(hào)煤層斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，多不對(duì)稱向斜構(gòu)造，其中北翼造成煤層以傾斜和急傾斜為主，中部較平緩，南翼倒轉(zhuǎn)。近年來(lái)在采掘過(guò)程中礦山動(dòng)力現(xiàn)象比較明顯。隨著采深的增加，預(yù)計(jì)煤層礦山動(dòng)力現(xiàn)象將會(huì)更加明顯，給生產(chǎn)和安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)沖擊傾向進(jìn)行分析十分必要。

1 沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)通化礦業(yè)(集團(tuán))公司八寶礦目前開(kāi)采情況與接續(xù)情況，選擇具有代表性的－412區(qū)1號(hào)和－213區(qū)4號(hào)、6號(hào)煤層，按要求采集煤樣，加工成50mm×50mm×100mm方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，每組采用試樣8個(gè)試件，最后對(duì)測(cè)得各值求平均。加載裝置采用高精度能控制加載速度及調(diào)節(jié)油壓的伺服實(shí)驗(yàn)［5－7］。

試驗(yàn)機(jī)以0.5～1.0MPa/s的速度對(duì)試件加載，當(dāng)加載到平均破壞載荷的78%～85%時(shí)，以相同的速度卸載至平均破壞載荷的1%～5%，以此方式反復(fù)對(duì)同一煤樣加載、卸載，每一次重復(fù)加載的最大值比上一次提高平均破壞載荷的5%，直至試件破壞。記下破壞載荷，描述記錄破壞特征并給出試件的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間(DT值)。繪制加、卸載時(shí)的載荷—位移曲線，根據(jù)此曲線由相關(guān)公式計(jì)算煤的彈性能量指數(shù)WET。

載荷傳感器測(cè)量試件承受的載荷，用位移傳感器測(cè)量試件的全程軸向變形，用0.1 ms級(jí)高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，繪制加載全過(guò)程的載荷—位移曲線，根據(jù)此曲線由相關(guān)公式計(jì)算煤的沖擊能量指數(shù)KE。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間曲線Fig.1 Dynamic damage time of coal layers samples

圖2 煤樣彈性能量曲線Fig.2 Elastic energy of coal layers samples

圖3 煤樣沖擊能量曲線Fig.3 Impact energy of coal layers samples

表1 煤樣沖擊傾向性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of coal sample burst tendentiousness index

經(jīng)試驗(yàn)研究煤層不具有沖擊傾向性(表1)，但沖擊地壓是否發(fā)生，與煤層和頂板息息相關(guān)，由于煤層不具沖擊傾向，故不會(huì)產(chǎn)生沖擊地壓現(xiàn)象［8－10］。在對(duì)煤樣加工試塊成形過(guò)程中，6層煤較“酥”，內(nèi)部裂紋較多，加工成形困向性。煤試塊破壞時(shí)的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間可作為沖擊傾向性鑒定的輔助指標(biāo)，時(shí)間越短，沖擊傾向性越強(qiáng)烈［10－12］。

2 數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)概況

八寶井西起F1號(hào)斷層，東至F15號(hào)斷層，南起6號(hào)煤層－600m標(biāo)高，北至井田邊界線。走向長(zhǎng)2.7km，傾向?qū)?平均)0.55km，面積1.51km2。該區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，西部抬起，向東傾伏。北翼陡，巖層傾角60°～80°左右，中部較平緩，傾角10°～30°，南翼倒轉(zhuǎn)。向斜軸展布方向?yàn)楸睎|南西向。倒轉(zhuǎn)軸向與向斜軸向略有交角。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。八寶井于1992年1月開(kāi)始建井，2000年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)與核實(shí)能力120×104t/a，開(kāi)拓方式為立井——斜井混合開(kāi)拓，采煤方法為綜合機(jī)械化采煤和水力采煤。

2.2 數(shù)值模型的建立

基于ANSYS有限元軟件根據(jù)第10勘探線剖面圖建立立體有限元彈塑性本構(gòu)模型，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。模型相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模型取長(zhǎng)寬高為450m×100m×300m，底端固定約束，左右兩側(cè)均為X向約束，前后兩側(cè)均為Z向約束。所設(shè)模型距地表350m，則模型頂面受鉛垂地應(yīng)力為8.92MPa［13－16］。立體模型圖如圖4所示。

表2 模型主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of the model

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖5中可以看出:

(1)頂?shù)装逅椒较蛏系膽?yīng)力，在近煤區(qū)域表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在離煤層遠(yuǎn)一些的區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

綜上所述，主要是講述了融資結(jié)構(gòu)對(duì)企業(yè)的投資行為的影響，股權(quán)融資、債務(wù)融資等不同的融資方式會(huì)對(duì)企業(yè)的投資行為產(chǎn)生不同的影響，針對(duì)不同性質(zhì)的企業(yè)也會(huì)產(chǎn)生不同的作用，對(duì)于中小企業(yè)而言可能產(chǎn)生投資不足的情況，對(duì)于國(guó)有企業(yè)來(lái)講可能產(chǎn)生投資過(guò)度的現(xiàn)象，當(dāng)然具體情況具體分析，目前最需要的還是要進(jìn)一步完善金融制度，規(guī)范融資事項(xiàng)，使得企業(yè)能夠作出合理的投資行為。

(2)水平方向上的應(yīng)力分布狀態(tài)表現(xiàn)出差異，在近煤區(qū)域，底板的水平應(yīng)力大于頂板的水平應(yīng)力，最大值為19.30MPa。

圖4 立體有限元模型Fig.4 Finite element model of three-dimensional

圖5 水平應(yīng)力圖Fig.5 Contour map of horizontal stress

圖6 垂直應(yīng)力圖Fig.6 Contour map of vertical stress

從圖6中可以看出:

(1)垂直應(yīng)力大小分布的總體趨勢(shì)是隨深度的增加而逐漸增大。

(2)垂直方向上的應(yīng)力基本都為壓應(yīng)力，越靠近斷層越高，最大值出現(xiàn)在－450m水平附近的斷層處，值為33.00MPa。

從圖7中可以看出:

圖7 最大主應(yīng)力圖Fig.7 Contour map of major principal stress

(1)應(yīng)力較大值多出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶，凡遇褶曲和斷層帶，特別是斷層上、下盤處，而且強(qiáng)度相對(duì)較大，即沖擊傾向性相對(duì)較強(qiáng)。

(2)在此模型上斷層煤層與底板交界處產(chǎn)生最大主應(yīng)力值為7.43MPa。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)煤層沖擊傾向性指標(biāo)，對(duì)八寶礦可能發(fā)生沖擊地壓的－412區(qū)1號(hào)、－213區(qū)4號(hào)和6號(hào)煤層試樣進(jìn)行了力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)態(tài)破壞特性的試驗(yàn)研究。

(2)沖擊傾向數(shù)值模擬，分析第10勘探線剖面的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布規(guī)律及最大值情況。

(3)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬結(jié)論較好吻合，綜合做出了礦區(qū)無(wú)沖擊傾向性判定結(jié)果，與通化八寶礦未發(fā)生沖擊地壓的實(shí)際一致。

(4)結(jié)合煤樣沖擊傾向性測(cè)試，進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，充分考慮地質(zhì)構(gòu)造條件影響因素，并輔以必要的數(shù)值模擬計(jì)算手段，進(jìn)行綜合判別，具有一定參考價(jià)值。

［1］潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過(guò)程研究［D］.北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文，1999.

［2］王淑坤.沖擊地壓機(jī)理［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996，15(S):500－503.

［3］Kidybinski A.Bursting liability indices of coal［J］.Int.J. Rock Mech.Min.Sci.，1981，18(2):95－105.

［4］BraunerG.RockBurstsinCoalMinesandTheir Prevention［M］.Rotterdam:A.A.Balkema，1994，2－64.

［5］孫全金，龍家堡.2～#煤層沖擊傾向性試驗(yàn)研究［J］.山西焦煤科技，2010(03):23－26.

［6］竇林名，陸菜平，牟宗龍.組合煤巖沖擊傾向性特性試驗(yàn)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23(1):43－46

［7］周曉軍，鮮學(xué)福.煤礦沖擊地壓理論與工程應(yīng)用研究的發(fā)展［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，21(1):126－132.

［8］潘結(jié)南，孟召平，劉保民.煤系巖石的成分、結(jié)構(gòu)與其沖擊傾向性關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22 (11):4422－4427.

［9］馮國(guó)才，李強(qiáng)，吳宏之.斷裂活動(dòng)與礦山地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害研究［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13(2):87 －91.

［10］韓軍，張宏偉.地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃中斷裂活動(dòng)性的模糊綜合評(píng)判［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007(02):19－22.

［11］郭建卿，蘇承東.不同煤試樣沖擊傾向性試驗(yàn)結(jié)果分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009(07):897－902.

［12］劉波，楊仁樹(shù)，郭東明，等.孫村煤礦－1100m水平深部煤巖沖擊傾向性組合試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(14):2402－2408.

［13］李庶林.巖爆傾向性的動(dòng)態(tài)破壞實(shí)驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，20(4):436－438.

［14］夏均民，張開(kāi)智.沖擊傾向性理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.礦山壓力與頂板管理，2003，20(4):97－99.

［15］唐春安，劉紅元.石門揭煤突出過(guò)程的數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(10):1 467－1 472.

［16］朱伯芳.有限元法原理及應(yīng)用［M］.北京:水電出版社，1979.

Abstract:To prevent the occurrence of rockburst in Tonghua-Babao Coal Mine，samples from its-412 district-1#，-213 district-4#and-213 district-6#coal layers，which were possible to rockburst，were tested for their mechanic properties and dynamic failure behaviors.Combining with burst tendency numerical simulations，the authors analyzed the size and the distribution of horizontal stress，vertical stress and major principal stress.The results for this research were as the following.First，the maximum stress appears in complex geological structure zone，always in folds and distributed faults.Specially，it was relatively strong in the hanging wall and the footwall，namely，a strong burst tendency. Second，the horizontal stress was about twice as the gravitational stress;the vertical stress was 2.7 times more than the gravitational stress;the major principal stress was slightly less than the gravitational stress;the maximal stress value was much less than the breaking point.Third，the experimental data agreed fairly well with the simulation results and were consistent with the fact that there was no rockburst at Babao in Tonghua Coal Mine.

Key words:rockburst;burst tendency;experimental investigation;numerical simulation;Tonghua

Experimental and numerical simulation studies on burst tendency of coal layers at Babao in Tonghua coal mine

WANG Shi-juan，PAN Yi-shan，LI Zhong-hua，LI Guo-zhen，YAN Hai-peng
(School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin123000，China)

1003-8035(2010)03-0105-04

TU823.86

A

2010-04-06;

2010-06-12

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB226803)

王世娟(1986—)，女，遼寧丹東人，碩士。

E-mail:ygjbwsj6510513@163.com。