煤巖力學(xué)參數(shù)對斷層型沖擊地壓影響的數(shù)值模擬分析

賈 騰 雷瑞德

(1. 貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司，貴州省貴陽市，550001； 2. 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶市沙坪壩區(qū)，400044)

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煤巖力學(xué)參數(shù)對斷層型沖擊地壓影響的數(shù)值模擬分析

賈 騰1雷瑞德2

(1. 貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司，貴州省貴陽市，550001； 2. 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶市沙坪壩區(qū)，400044)

為了研究煤巖力學(xué)參數(shù)影響下斷層附近應(yīng)力演化規(guī)律，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析煤層彈性模量、煤巖埋深以及頂板巖性等不同條件下斷層附近應(yīng)力峰值與彈性應(yīng)變能的演化規(guī)律。結(jié)果表明，工作面煤壁前方斷層附近應(yīng)力集中程度與彈性模量呈負相關(guān)，與煤巖埋深以及頂板巖性堅硬程度呈正相關(guān)。研究結(jié)果可為相似煤巖條件下工作面遇斷層安全開采及巷道布置提供依據(jù)。

斷層 沖擊地壓 煤巖力學(xué)參數(shù) 彈性模量 埋深變化 頂板巖性

近年來隨著煤礦開采深度與開采程度的增加，沖擊地壓已成為主要的煤巖動力災(zāi)害之一。有學(xué)者采用數(shù)值仿真方法研究了逆斷層傾角對煤巖沖擊失穩(wěn)機理的影響，分析了切眼的不同布置位置對斷層帶兩側(cè)應(yīng)力分布規(guī)律的影響，但未考慮其它煤巖力學(xué)因素的影響。由于研究側(cè)重點不同，分析斷層沖擊危險時很少將煤巖埋深、彈性模量及頂板等影響沖擊危險的主要因素綜合分析探討。本文對比分析不同煤巖埋深、煤巖彈性模量和煤巖頂板等工況下斷層附近的沖擊危險程度。

1 模型的建立及模擬方案

1.1 模型建立

模型尺寸為240 m×150 m×90 m。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，其中X方向為工作面走向方向，Y方向為工作面傾向方向。為了消除邊界效應(yīng)的影響，距邊界30 m的位置開挖。底部邊界為垂直約束，在模型頂部邊界施加豎直方向的等效荷載模擬上覆巖層的自重，其中上覆巖層容重γ為24 kN/m3，厚度h為900 m，得到模型上部施加等效荷載為21.6 MPa。三維數(shù)值計算模型如圖1所示，模型中煤巖層的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 三維數(shù)值計算模型圖

巖性厚度/m體積模量/GPa內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa抗拉強度/MPa粉砂巖2481341845煤646285224粉砂巖481341845細砂巖41281421078粗砂巖2018145154102中砂巖1215540119細砂巖201281421078

1.2 模擬方案

斷層附近應(yīng)力峰值與彈性能分布規(guī)律對于研究斷層型沖擊災(zāi)害的發(fā)生十分重要，因此本文把工作面煤壁前方斷層附近應(yīng)力峰值與彈性能分布規(guī)律作為主要研究對象。

在制定模擬方案時，根據(jù)以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作面布置在上盤開采時斷層附近發(fā)生沖擊危險的概率較大，所以把工作面布置在上盤開采作為研究基礎(chǔ)，分析煤巖彈性模量、煤巖埋深以及煤巖頂板巖性變化時煤壁前方斷層附近應(yīng)力峰值的演化規(guī)律。

詳細模擬方案如下：

(1)以煤巖彈性模量1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa和5 GPa為基礎(chǔ)，獲得不同煤巖彈性模量在各個步距時斷層附近應(yīng)力峰值與彈性能的演化規(guī)律。

(2)以煤巖埋深300 m、600 m、900 m和1200 m為基礎(chǔ)，獲得不同煤巖埋深在各個步距時斷層附近應(yīng)力峰值與彈性能的演化規(guī)律。

(3)以煤巖頂板中砂巖、粉砂巖和泥巖為基礎(chǔ)，獲得不同煤巖頂板巖性在各個步距時斷層附近應(yīng)力峰值與彈性能的演化規(guī)律。

2 斷層附近支承壓力影響因素分析

2.1 煤巖彈性模量

為了研究不同煤巖彈性模量對煤壁前方斷層附近沖擊危險程度的影響，分別對不同煤巖彈性模量(1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa和5 GPa)在工作面煤壁前方距離斷層不同位置時應(yīng)力峰值的分布規(guī)律進行分析。不同煤巖彈性模量條件下煤壁前方斷層附近峰值應(yīng)力分布曲線如圖2所示。

圖2 不同煤巖彈性模量煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線

由圖2可知，隨著煤巖彈性模量的減小，工作面煤壁前方距離斷層不同位置的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)增大趨勢，且在同一煤巖彈性模量條件下距離斷層位置越近，其前方的應(yīng)力峰值越大，因此煤巖彈性模量越低，該工作面發(fā)生沖擊災(zāi)害的可能性就越大。

當(dāng)煤巖彈性模量為5 GPa時，煤壁前方的應(yīng)力峰值達到52.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.41；當(dāng)煤巖彈性模量為3 GPa時，煤壁前方的應(yīng)力峰值達到58.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.73，相比彈性模量5 GPa時增幅較小；但當(dāng)煤巖彈性模量為1 GPa時，煤壁前方的應(yīng)力峰值達到82.2 MPa，相比彈性模量為5 GPa時增長36.7%，并且應(yīng)力集中系數(shù)達到3.81，增長幅度較大。整體的應(yīng)力峰值曲線以遞減函數(shù)的形式緩慢下降。當(dāng)煤層彈性模量為定值時，工作面距離斷層越近，斷層附近應(yīng)力峰值越大，隨著工作面距離斷層變遠，應(yīng)力峰值逐漸減小。

2.2 煤巖埋深

為了研究不同煤巖埋深條件下煤壁前方斷層附近的沖擊危險程度，通過對不同煤巖埋深在工作面煤壁前方距離斷層不同位置時應(yīng)力峰值的分布規(guī)律進行分析，得到開采深度由淺部向深部的應(yīng)力分布規(guī)律。不同煤巖埋深時煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線如圖3所示。

圖3 不同煤巖埋深煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線

由圖3可以看出，隨著煤巖埋深的增加，工作面煤壁前方應(yīng)力集中程度越高。當(dāng)煤巖埋深為300 m時，煤壁前方的應(yīng)力峰值達到17.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.49；當(dāng)煤巖彈性模量為600 m時，煤壁前方應(yīng)力峰值達到33.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.30，相比煤巖埋深300 m時增幅較??；當(dāng)煤巖埋深為1200 m時，煤壁前方的應(yīng)力峰值達到65.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.27，但相比煤巖埋深為300 m時應(yīng)力變化值較高。不同煤巖埋深下應(yīng)力峰值曲線也以遞減函數(shù)的形式平緩下降。

2.3 煤巖頂板

分析不同煤巖頂板巖性條件下(中砂巖、粉砂巖、泥巖)的工作面煤壁前方彈性能的演化規(guī)律，從而得出不同巖性的工作面頂板在遇斷層過程中的沖擊危險程度。不同頂板巖性時煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 不同煤巖頂板煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線

由圖4可以看出，無論煤巖頂板為泥巖、粉砂巖或中砂巖，其煤壁前方峰值應(yīng)力分布曲線近似重合，但中砂巖的峰值應(yīng)力集中程度整體上較泥巖和粉砂巖均有所增加，因此當(dāng)煤層頂板為堅硬的中砂巖時，煤層上方頂板中應(yīng)力集中程度較高，工作面開采過程中容易集聚較大的彈性應(yīng)變能，在頂板垮落時容易引起沖擊地壓事故。

3 斷層附近彈性應(yīng)變能影響因素分析

3.1 煤巖彈性模量

基于FLAC3D中內(nèi)嵌語言程序功能，通過編寫Fish語言后導(dǎo)入FLAC3D中得到工作面煤壁前方彈性應(yīng)變能的大小，并運用繪圖軟件得到不同煤巖彈性模量時煤壁前方峰值彈性能分布曲線，如圖5所示。

圖5 不同煤巖彈性模量前方峰值彈性能分布曲線

由圖5可知，隨著煤巖彈性模量的減小，工作面煤壁前方彈性能峰值逐漸增加，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。當(dāng)煤巖彈性模量為5 GPa時，煤壁前方彈性應(yīng)變能峰值為164.4 kJ/m3；當(dāng)煤巖彈性模量為3 GPa時，煤壁前方彈性應(yīng)變能峰值為225.9 kJ/m3，相對于彈性模量為5 GPa時應(yīng)變能增加了61.5 kJ/m3；當(dāng)煤巖彈性模量為1 GPa時，煤壁前方的彈性應(yīng)變能峰值達到471.2 kJ/m3，相對于5 GPa時應(yīng)變能增加了306.8 kJ/m3，增幅劇烈，工作面開采過程中發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

3.2 煤巖埋深

以原始模型為基礎(chǔ)，其他煤巖物理、力學(xué)參數(shù)以及斷層面性質(zhì)不變，只改變煤巖埋深進行模擬分析。分析不同埋深時工作面煤壁前方斷層附近彈性能的分布規(guī)律，從中得出不同煤巖埋深時斷層附近的沖擊危險程度大小。不同煤巖埋深的煤壁前方彈性能峰值分布曲線如圖6所示。

圖6 不同煤巖埋深煤壁前方峰值彈性能分布曲線

由圖6可以看出，當(dāng)煤巖埋深為300 m時，煤壁前方彈性能峰值達到21.6 kJ/m3；當(dāng)煤巖埋深為600 m時，煤壁前方彈性能峰值達到56.4 kJ/m3，相比煤巖埋深300 m時增幅較?。坏?dāng)煤巖埋深為1200 m時，煤壁前方彈性能峰值達到214.9 kJ/m3，相比煤巖埋深為600 m時彈性能變化值較高。由此可知，當(dāng)工作面由淺部向深部逐漸開采過程中，尤其在開采過程中遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造時，發(fā)生沖擊的地壓的可能性將會急劇增大。

3.3 頂板巖性

以原始模型為基礎(chǔ)，其他煤巖物理、力學(xué)參數(shù)以及煤巖埋深不變，只改變頂板巖性進行模擬分析，得出不同巖性的頂板對工作面開挖過程中的沖擊危險程度。不同頂板巖性時煤壁前方彈性能峰值分布曲線如圖7所示。

圖7 不同頂板巖性煤壁前方峰值彈性能分布曲線

由圖7可以看出，無論煤巖頂板為泥巖、粉砂巖或中砂巖時，其煤壁前方峰值彈性能分布曲線近似重合，但中砂巖的彈性能峰值整體上較泥巖和粉砂巖均有所增加。因此當(dāng)煤層頂板為堅硬中砂巖時，頂板中應(yīng)力集聚程度較高，工作面開采過程中容易引起集聚的較大彈性應(yīng)變能突然釋放，導(dǎo)致頂板垮落時引起沖擊地壓事故。

4 結(jié)論

(1)隨著工作面的推進，距離斷層越近，煤壁前方支承壓力越大，其斷層附近的沖擊危險性也越高，且斷層附近的應(yīng)力峰值隨著煤巖彈性模量減小而增大。當(dāng)煤巖彈性模量為1 GPa時，支承壓力峰值達到82.2 MPa，相比于彈性模量為5 GPa時增長了36.7%，并且應(yīng)力集中達到3.81。

(2)隨著工作面開采深度由淺部向深部延伸以及頂板巖性堅硬程度的增加，尤其遇到難垮落的堅硬頂板時，應(yīng)降低工作面的推進速度和采取切頂冒落措施，以此來減緩強烈彈性應(yīng)變能對斷層活化帶來的沖擊影響。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Numerical simulation analysis of influence of coal rock mechanics parameters on fault-induced rockburst

Jia Teng1, Lei Ruide2

(1. Guizhou Anhe Mining Technology Engineering Co., Ltd., Guiyang, Guizhou 550001, China; 2. College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Shapingba, Chongqing 400044,China)

In order to study the stress evolution laws near faults zone during mining process, using FLAC3D software to simulate the evolution laws of stress peak and elastic strain energy near faults in different coal seam elastic modulus, coal seam depth and roof lithology. The results showed that there was a negative correlation between stress concentration and elastic modulus of coal face while there was a positive correlation between stress concentration and depth of coal and roof rock lithology. The research could provide reference for safety mining and roadway layout with the similar geological conditions.

fault, rock burst, coal rock mechanics parameter, elastic modulus, depth variation, roof rock lithology

賈騰，雷瑞德. 煤巖力學(xué)參數(shù)對斷層型沖擊地壓影響的數(shù)值模擬分析 [J]. 中國煤炭，2017，43(3)：58-61. Jia Teng，Lei Ruide. Numerical simulation analysis of influence of coal rock mechanics parameters on fault-induced rockburst [J]. China Coal，2017,43(3)：58-61.

TD324

A

賈騰(1988-)，男，湖北天門人，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事煤礦瓦斯災(zāi)害治理方面的研究工作。