深部強(qiáng)沖擊地壓易發(fā)礦區(qū)厚煤層開(kāi)采解放層卸壓效果數(shù)值模擬

唐 治 ，潘一山，李忠華，閻海鵬，史鵬翔，馮 瑞

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力 學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜 新 1 23000）

0 引言

沖擊地壓是一種特殊的礦山壓力現(xiàn)象，也是煤礦井下復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象之一，是指礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體、巖體及斷層在受外界擾動(dòng)瞬間失穩(wěn)破壞時(shí)，釋放出很大能量而引起的以猛烈震動(dòng)和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動(dòng)力現(xiàn)象。當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤、巖體內(nèi)所積聚的能量大多以動(dòng)能形式向外釋放，造成煤巖體急劇破壞；部分能量以應(yīng)力波形式釋放，引起介質(zhì)震動(dòng)，破壞支架、巷道、工作面，造成頂板下沉、底板鼓起，顛覆生產(chǎn)設(shè)備、引起瓦斯涌出等，嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)安全。

隨采深增加，煤礦沖擊地壓危害越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)某礦因沖擊地壓事故已有數(shù)十人傷亡，數(shù)千米巷道破壞。該礦采深已超過(guò)1000m，屬堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬煤層、堅(jiān)硬底板的“三硬”強(qiáng)沖擊煤層，通過(guò)實(shí)施放頂煤開(kāi)采和開(kāi)采下解放層，在淺部有效減緩了沖擊地壓。但當(dāng)采深超過(guò)900m后，仍出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊地壓。為此，采用ANSYS模擬開(kāi)采上、下解放層的卸壓效果，以確定深部水平能否繼續(xù)開(kāi)采［1-6］。

1 模型建立及參數(shù)選取

為研究開(kāi)采解放層的卸壓效果，以某礦的地質(zhì)資料為背景，建立ANSYS平面有限元彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬［7-12］。采用 Druck-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。模型簡(jiǎn)化后由7個(gè)煤巖層組成，以1、2和3煤層為主要研究對(duì)象。其中，1煤被解放層為強(qiáng)沖擊煤層，厚6m。2煤和3煤分別為上、下解放層，厚度分別為2m和1.5m。1煤和2煤垂距40m，1煤和3煤垂距43m，煤層傾角為30°。模擬煤巖層的采深范圍為1000 ～1400m，模型橫向800m，縱向400m。底端固定約束，左右邊界X方向位移約束，上邊界施加均布載荷即上覆巖層的垂直應(yīng)力，并考慮整個(gè)模型體自重，模型如圖1所示。煤巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。所設(shè)模型距地表1000m，模型頂面受垂直地應(yīng)力：

σy=ρgH=23MPa

式中：ρ——上覆巖密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

H——模型頂面距地表的距離，m。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Coal mechanical parameters

圖1 有限元模型Fig.1 The finite element model

2 開(kāi)采方案

1煤為強(qiáng)沖擊厚煤層，所以以1煤為主要研究對(duì)象。研究深部強(qiáng)沖擊煤層開(kāi)采上、下解放層的卸壓效果。1煤指定三個(gè)采面，分別為101、102、103采面，每個(gè)采面長(zhǎng)160m。2煤指定一個(gè)采面，為201采面，采面長(zhǎng) 80m。3煤指定三個(gè)采面，為別為 301、302、303采面，每個(gè)采面長(zhǎng)220m，如圖1所示。

模擬4種開(kāi)采方案：一是直接開(kāi)采強(qiáng)沖擊厚煤層，即依次開(kāi)采101、102、103采面。二是開(kāi)采下解放層后在開(kāi)采強(qiáng)沖擊厚煤層，采礦工程的特點(diǎn)是巖體力學(xué)與開(kāi)采過(guò)程有關(guān)，所以依次開(kāi)采 301、302、101、102、303、103采面。三是開(kāi)采上、下解放層后再開(kāi)采強(qiáng)沖擊厚煤層，即依次開(kāi)采 301、302、101、102、303、201、103采面。四是直接開(kāi)采302采面。前三種方案是對(duì)比開(kāi)采解放層的卸壓效果，第四種開(kāi)采方案是計(jì)算下解放層合理卸壓角度，確定被解放層平巷的合理位置。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2為1煤沒(méi)采時(shí)頂板垂直應(yīng)力曲線，其中圖2（a）為原巖垂直應(yīng)力曲線，圖2（b）為302采面采完后垂直應(yīng)力曲線。

從圖2垂直應(yīng)力曲線可以看出，302采面采完后，沿煤層走向96～144m為應(yīng)力增高區(qū)，144～192m為卸壓區(qū)，考慮安全因素，被解放層平巷應(yīng)布置于卸壓效果明顯區(qū)域，即沿煤層走向144～192m處。將該區(qū)域邊界與302采面切眼的連線與水平面間的夾角定義為下解放層合理卸壓角，根據(jù)位置，計(jì)算合理卸壓角為60°～87°（圖 3）。

圖4為101采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線，其中圖4（a）為不開(kāi)采解放層的垂直應(yīng)力曲線，圖4（b）為開(kāi)采下解放層后的垂直應(yīng)力曲線。圖中橫軸正值代表煤壁前方，負(fù)值代表煤壁后方；縱軸正值代表受壓應(yīng)力，負(fù)值代表受拉應(yīng)力，其余圖同理。

圖2 1煤沒(méi)采時(shí)頂板垂直應(yīng)力曲線Fig.2 Vertical stress curve of the roof when coal 1 is non-mining

圖3 合理卸壓角Fig.3 The reasonable destressing angle

從圖4垂直應(yīng)力曲線可以明顯看出，垂直應(yīng)力分布分三個(gè)階段，即煤壁后方為應(yīng)力降低區(qū)，煤壁前方為應(yīng)力增加區(qū)，煤壁遠(yuǎn)方為原巖應(yīng)力區(qū)。不開(kāi)采解放層情況下，101采面采完后1煤頂板的最大垂直應(yīng)力為80MPa，最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在垂深1160m處（所設(shè)模型距地表1000m），即圖3中 A點(diǎn)。原巖應(yīng)力為27MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.9。開(kāi)采下解放層后的最大垂直應(yīng)力為47MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。說(shuō)明開(kāi)采下解放層后，該區(qū)域是安全的，開(kāi)采下解放層卸壓效果明顯。

圖4 101采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線Fig.4 Vertical stress curves of the coal 1 roof when 101coal face is mined

圖5為101、102采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線，其中圖5（a）為不開(kāi)采解放層的垂直應(yīng)力曲線，圖5（b）為開(kāi)采下解放層后的垂直應(yīng)力曲線。

從圖5垂直應(yīng)力曲線可以看出，不開(kāi)采解放層情況下，101、102采面采完后1煤頂板的最大垂直應(yīng)力為109MPa，最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在垂深1240m處（所設(shè)模型距地表1000m），即圖3中B點(diǎn)。原巖應(yīng)力為28.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.7；開(kāi)采下解放層后的最大垂直應(yīng)力為86MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.9。說(shuō)明開(kāi)采下解放層后卸壓效果明顯，但應(yīng)力集中系數(shù)較大，若遇褶皺、斷層、人為造成應(yīng)力集中，發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的可能性仍較大。因此，在地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道相向掘進(jìn)等條件下開(kāi)采解放層后，應(yīng)檢驗(yàn)卸壓效果，必要條件下應(yīng)該采用其它卸壓方式，如鉆孔卸壓、斷頂斷底、煤層注水等輔助卸壓。

圖5 101、102采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線Fig.5 Vertical stress curves of the coal 1 roof when mining 101、102 coal faces

圖6為101、102、103采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線，其中圖6（a）為不開(kāi)采解放層的垂直應(yīng)力曲線，圖6（b）為開(kāi)采下解放層后的垂直應(yīng)力曲線，圖6（c）為開(kāi)采上、下解放層后的垂直應(yīng)力曲線。

從圖6垂直應(yīng)力曲線可以看出，不開(kāi)采解放層情況下，101、102、103采面采完后1煤頂板最大垂直應(yīng)力為140MPa，最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在垂深1320m處（所設(shè)模型距地表1000m），即圖3中 C點(diǎn)。原巖應(yīng)力值為30.7MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.5；開(kāi)采下解放層后的最大垂直應(yīng)力為 97MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.1。開(kāi)采上、下解放層后的最大垂直應(yīng)力為82MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.6。說(shuō)明開(kāi)采上、下解放層后卸壓效果明顯，但應(yīng)力較大，在地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道相向掘進(jìn)等條件下開(kāi)采解放層后，應(yīng)檢驗(yàn)卸壓效果，必要條件下應(yīng)采用其他輔助卸壓方式。開(kāi)采上解放層后，被解放層的局部應(yīng)力會(huì)增加，這可能是上解放層開(kāi)采長(zhǎng)度短導(dǎo)致的，可以增加上解放層的長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

按照不同的開(kāi)采方案模擬煤層開(kāi)挖，分別研究不開(kāi)采解放層，開(kāi)采下解放層，開(kāi)采上、下解放層條件下被解放層的應(yīng)力變化情況，通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

圖6 101、102、103采面采完后1煤頂板垂直應(yīng)力曲線Fig.6 Vertical stress curves of the coal 1 roof when mining 101、102、103 coal faces

（1）與直接開(kāi)采103采面相比，開(kāi)采下解放層后，1煤頂板垂直應(yīng)力集中系數(shù)由4.5降到3.1。上、下解放層同時(shí)開(kāi)采后，1煤頂板垂直應(yīng)力集中系數(shù)由4.5降到2.6。說(shuō)明開(kāi)采下解放層的卸壓效果明顯，同時(shí)開(kāi)采上下解放層卸壓效果最好。

（2）開(kāi)采解放層后，開(kāi)采102、103采面的垂直應(yīng)力還較大，仍易發(fā)生沖擊地壓，在地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道相向掘進(jìn)等條件下開(kāi)采解放層后應(yīng)檢驗(yàn)卸壓效果，必要條件下采用其它輔助卸壓方式。

（3）垂直應(yīng)力分布均為三個(gè)階段，煤壁后方為應(yīng)力降低區(qū)，煤壁前方為應(yīng)力增加區(qū)，煤壁遠(yuǎn)方為原巖應(yīng)力區(qū)。增加區(qū)域一般在煤壁前方8～25m。

（4）確定下解放層的合理卸壓角為60°～87°，被解放層平巷應(yīng)布置于卸壓區(qū)域。

（5）1煤、2煤和3煤7個(gè)工作面的開(kāi)采順序非常重要，直接影響到?jīng)_擊地壓發(fā)生的可能性。

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