急傾斜煤層開采沖擊危險性數(shù)值模擬研究★

于麗艷 蓋芳芳 于月民

(黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

急傾斜煤層開采沖擊危險性數(shù)值模擬研究★

于麗艷 蓋芳芳 于月民

(黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

對北京昊華能源股份責(zé)任公司的長溝峪煤礦的急傾斜煤層進(jìn)行三維數(shù)值模擬，利用ANSYS有限元軟件單元“處死”的功能真實模擬4槽工作面的開挖過程，對沿巷道走向和沿煤層走向推采不同距離時的塑性應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，得出數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際開采情況基本吻合，說明ANSYS有限元數(shù)值模擬方法可為沖擊地壓的防治工作和煤礦的安全開采提供參考。

急傾斜煤層，沖擊危險性，三維數(shù)值模擬

0 引言

沖擊地壓[1-4]是全球范圍內(nèi)巖石工程及煤礦中遇到的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，沖擊地壓發(fā)生時煤體坍塌、崩落、巷道底板發(fā)生底鼓、頂板下沉、巷道支護(hù)物破壞等現(xiàn)象，并造成人員傷亡，嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)，是煤礦井下開采過程中嚴(yán)重的災(zāi)害之一，是目前國際采礦工程和巖石力學(xué)界迫切需要研究解決的科學(xué)難題。我國的急傾斜煤層分布較廣泛，在南部地區(qū)80%的礦山賦存急傾斜煤層。在地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中急傾斜煤層的礦井?dāng)?shù)約占37.58%，產(chǎn)煤量占7.0%，國有重點煤礦開采急傾斜煤層的礦井?dāng)?shù)占17%，產(chǎn)煤量占3.88%。隨著采深的增加，由于急傾斜煤層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，開采時易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，這已成為制約我國煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。鑒于此在開采前結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件用數(shù)值模擬方法判斷出煤層的沖擊危險性是很有必要的，這樣可為煤礦的安全順利開采提供保障，為預(yù)測和防治沖擊地壓提供依據(jù)[5-7]。

1 沖擊危險性的判定原則

沖擊地壓自身規(guī)律顯示，沖擊地壓通常發(fā)生在應(yīng)力值比較高且集中的煤巖體上。因此要判斷煤巖體哪個區(qū)域的沖擊危險性大，首先要判定煤巖體哪個區(qū)域的應(yīng)力值比較大，煤巖體高應(yīng)力區(qū)域確定了，易于發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域也就確定了。當(dāng)然在應(yīng)力比較高的區(qū)域，并非每處都要發(fā)生沖擊地壓，只是此處沖擊危險性較大，至于開采時是否發(fā)生沖擊地壓還要根據(jù)煤巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)、所處的地質(zhì)構(gòu)造特點、開采時的生產(chǎn)條件以及為降低煤巖體應(yīng)力所采取的措施等有關(guān)。

依據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)條件、經(jīng)驗及地質(zhì)條件綜合判斷礦井的高應(yīng)力區(qū)[8-11]主要集中在：

1)采空區(qū)周圍，工作面前方回采巷道或其他巷道。

2)本層或鄰層的開采邊界或遺留煤柱影響區(qū)。

3)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜處如向斜軸部、斷層、褶曲、煤層突變處、火成巖侵入體兩側(cè)。

4)煤礦開采形成的垂直應(yīng)力集中處，開采支撐壓力增高處，由于應(yīng)力發(fā)生變化，受外界微小干擾而發(fā)生失穩(wěn)破壞，此處為沖擊地壓危險區(qū)域。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)概況

采區(qū)位于長溝峪向斜南翼,為單斜地層,該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬于較簡單類型，煤層的傾角為45°～80°，平均傾角為55°，在向斜軸部附近傾角比較小，為45°左右。采區(qū)4槽煤層最小厚度為0.05 m,煤層最大厚度為7 m,平均煤厚3.3 m,平均傾角為55°, 煤層厚度較為穩(wěn)定,大部分可采，基本為單層結(jié)構(gòu),局部為雙層結(jié)構(gòu),地質(zhì)儲量29.4萬t,可采儲量18.6萬t。底板為粉砂巖,厚度10.7 m；老頂為砂巖,厚度22.0 m; 直接頂為粉砂巖,厚度15.0 m;偽頂為粉砂巖,厚度0.5 m。

2.2 三維數(shù)值計算有限元模型

據(jù)回采巷道地質(zhì)、煤巖等條件在回采巷道推進(jìn)方向建立煤層的三維數(shù)值計算有限元模型。為了減少模型邊界效應(yīng)的影響，在模型垂直方向上取200 m，模型走向方向上取200 m,厚度取100 m。模型左右端面和背面施加平面約束，模型底部端面固定，模型頂部和正面為自由面。取模型上邊界距地表575 m,在模型上部施加均布載荷14.37 MPa，在模型左右端面施加載荷16.78 MPa,并且考慮自重[12-14]。

建立三維數(shù)值計算有限元模型，如圖1所示。

2.3 三維數(shù)值計算所取參數(shù)

數(shù)值計算所用的煤巖層的物理、力學(xué)參數(shù)以力學(xué)實驗結(jié)果和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查給定,具體見表1。

表1 三維數(shù)值計算參數(shù)表

2.4 三維數(shù)值計算結(jié)果與分析

由圖2可以看出應(yīng)力集中區(qū)都出現(xiàn)在開采工作面的上下端。隨著沿巷道走向逐漸推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)域也隨之向里擴(kuò)展，即工作面上下端頭具有一定的沖擊危險性。

通過圖3可以看出塑性變形出現(xiàn)在煤層與底板交界處和工作面上、下端頭，隨著開采推進(jìn)，塑性應(yīng)變出現(xiàn)的范圍在逐漸擴(kuò)大，最大塑性變形都發(fā)生在工作面上下端頭。

由圖4可知,未開采時垂直應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小分布的總體趨勢均勻，在煤層傾角較大處容易出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，如模型傾角大的上下底板處，急傾斜煤層的存在導(dǎo)致應(yīng)力集中的產(chǎn)生。整個模型應(yīng)力值都不大，應(yīng)力最小值出現(xiàn)在底板和煤層邊界處，最小應(yīng)力值5.73 MPa，相對大的應(yīng)力值出現(xiàn)在老頂處，值為54.3 MPa，且范圍很小。

由圖5可以看出：

1)雖然沿煤層走向推采距離不同，但應(yīng)力集中的區(qū)域出現(xiàn)在同處，最大的拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在工作面下端處，最大壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在工作面上端處。

2)推采15 m時壓應(yīng)力最大值為55.8 MPa，拉應(yīng)力最大值為10.5 MPa；推采25 m和35 m時應(yīng)力值減小，推采45 m時應(yīng)力值又增大為53.5 MPa，8.9 MPa。在推采不同距離時應(yīng)力值變化不大，原因是在數(shù)值計算過程中沒有忽略支護(hù)的作用。

3)工作面下巷臨近工作面65 m范圍內(nèi)和工作面上端頭25 m的范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力值會比較大，為高應(yīng)力區(qū)域，此區(qū)域沖擊危險性大。

3 結(jié)語

1)通過對長溝峪煤礦向斜南翼4槽煤層沿巷道走向和沿煤層走向推采不同距離時的三維Y向塑性應(yīng)變云圖和三維垂直應(yīng)力云圖分析可知：在工作面下巷臨近工作面65 m范圍內(nèi)和工作面上端頭25 m范圍內(nèi)為高應(yīng)力集中區(qū)，此處沖擊危險性大，是發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域。

2)運(yùn)用ANSYS軟件對長溝峪煤礦急傾斜煤層開采進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計算，找到了開采時沖擊危險性大的區(qū)域，這一模擬結(jié)果與開采實際基本吻合,說明數(shù)值模擬可為煤礦的安全開采和沖擊地壓的防治提供借鑒。

3)急傾斜煤層大多數(shù)具有沖擊傾向性,為了達(dá)到預(yù)防沖擊地壓事故發(fā)生的目的,在開采前必須進(jìn)行相關(guān)實驗研究,確定煤層沖擊性的強(qiáng)度，根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果確定相對危險的區(qū)域，開采時采取相應(yīng)的措施，確保急傾斜煤層的安全開采。

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Research of dimensional numerical simulationon rockburst risk of mining steeply inclined coal seam★

YU Li-yan GAI Fang-fang YU Yue-min

(College of Science, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In the paper, there is a analysis of three dimensional numerical simulation on the steeply inclined coal seam in the Beijing Haohua energy shares the responsibility of the company’s Changgouyu coal mine, based on the function of element is “killed” of ANSYS finite element analysis software to really simulate mining process of 4 slot mining face, there are anlysises on the cloud picture of vertical stress and plastic strain under the different pushed distance along the roadway and the seam of pushing. Results obtained by the numerical simulation basically consistent with the actual situation. So the method of numerical simulation provides the reference for the prevention of rockburst and safely mining of the coal.

steeply inclined coal seam, rockburst risk, three dimensional numerical simulation

1009-6825(2014)31-0070-03

2014-08-30★:國家自然科學(xué)基金項目資助(項目編號：11202070)

于麗艷(1979- )，女，碩士，副教授； 蓋芳芳(1981- )，女，博士，講師； 于月民(1972- )，女，碩士，教授

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