不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)機(jī)理及能量演化特征分析

魏 輝

（江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院，江蘇 連云港222005）

煤炭作為主要能源之一，開采范圍已從淺層逐漸向深部發(fā)展。在深部煤巖環(huán)境中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層及頂?shù)装鍘r性千差萬別，煤巖系統(tǒng)的受力環(huán)境及應(yīng)力分布有很大差異，造成沖擊能量積聚及釋放的原因也各不相同[1-5]。因此在這種多變條件下，沖擊地壓發(fā)生機(jī)理比較復(fù)雜，防治也更為困難。

目前，已有許多專家學(xué)者對不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)特征及其機(jī)理進(jìn)行了研究。左建平等[6]對巖樣、煤樣和煤巖組合體進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，獲得不同應(yīng)力條件下煤巖單體及組合體的破壞模式和力學(xué)行為，并比較了異同點(diǎn)；王寧等[7]研究了“頂板-煤巖”組合結(jié)構(gòu)在不同加載條件下的變形發(fā)展過程和破壞特征，并明確了堅(jiān)硬煤巖組合條件下的沖擊地壓破壞模式；周元超等[8]通過RFPA2D數(shù)值模擬軟件對不同高度煤巖組合的受力情況和聲發(fā)射特征進(jìn)行了對比研究，認(rèn)為組合體的單軸抗壓強(qiáng)度隨煤樣在組合體中占比的增大而減小，且組合體中巖樣高度所占比例越高，其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也越多；姚精明等[9]采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和分形理論相結(jié)合的方法研究了組合煤巖樣變形破裂的電磁輻射規(guī)律，其中電磁輻射信號與頂板在組合煤巖樣的比例成正指數(shù)關(guān)系；劉剛等[10]利用數(shù)值模擬方法對堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬煤層、堅(jiān)硬底板三體模型的沖擊顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了對比研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了不同煤巖組合形式的能量積聚程度及沖擊地壓發(fā)生幾率有很大差別；侯志鷹等[11]根據(jù)大同兩硬條件（堅(jiān)硬煤層和堅(jiān)硬頂板）特點(diǎn)和沖擊地壓發(fā)生特征，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室分析研究了沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理，提出了兩硬條件下發(fā)生沖擊地壓的時空能量準(zhǔn)則；Zhu 等[12]以數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法研究了煤層厚度變化區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)情況，認(rèn)為在煤層變薄區(qū)域會加劇應(yīng)力集中和能量積聚程度；He 等[13]通過數(shù)值模擬方法研究了堅(jiān)硬頂板對巷道圍巖的動力荷載效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了堅(jiān)硬頂板不僅會引起開采圍巖的應(yīng)力集中，而且會導(dǎo)致沖擊能量的積聚，容易引發(fā)沖擊災(zāi)害；王旭宏等[14]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了“三硬”煤層巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，并通過力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)側(cè)壓系數(shù)與煤壁沖擊線性相關(guān)。

1 煤巖系統(tǒng)不同組合形式

1.1 煤巖系統(tǒng)組成

在煤炭開采過程中，煤層及其頂?shù)装瀛h(huán)境是開采的主要研究對象，可以將煤層、頂板巖層及底板巖層3 部分共稱為煤巖系統(tǒng)。在地質(zhì)煤巖系統(tǒng)中，由于煤層及頂?shù)装鍘r性各不相同，所以產(chǎn)生的應(yīng)力分布及能量演化具有很大差異。針對不同的頂?shù)装鍡l件，根據(jù)頂?shù)装鍙?qiáng)度可得出煤巖組合形式，主要包括：頂?shù)装寰鶊?jiān)硬（RCR↑、RCF↑）、頂板堅(jiān)硬底板較軟（RCR↑、RCF↓）、頂板較軟底板堅(jiān)硬（RCR↓、RCF↑）及頂?shù)装寰^軟（RCR↓、RCF↓）等幾種形式（RCR、RCF為頂板、底板的單軸抗壓強(qiáng)度），頂?shù)装寮懊簩咏M合形式如圖1。

1.2 不同煤巖系統(tǒng)的破壞形式分析

以煤層和頂?shù)装褰M成的煤巖系統(tǒng)為研究對象，不同頂?shù)装鍙?qiáng)度組成煤巖系統(tǒng)的破壞形式有很大差別。當(dāng)頂板和底板堅(jiān)硬、而煤層較軟時，即ER＞EM、EF＞EM，那么硬頂硬底會對軟煤層產(chǎn)生“夾持”作用，頂?shù)装宓膽?yīng)力和能量使煤體首先發(fā)生破壞，并向巷道釋放大量能量，形成兩幫沖擊破壞；當(dāng)頂板較堅(jiān)硬，煤層及底板較軟（或留有底煤）時，即ER＞EF＞EM，則整個煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度相對減小，堅(jiān)硬頂板積聚的能量向較軟的煤層和底板傳遞，并在煤層及底板首先發(fā)生破壞，釋放轉(zhuǎn)化的沖擊能量，容易形成兩幫及底板沖擊破壞；當(dāng)頂板較軟、底板較硬時，即EF＞ER＞EM，由于頂板強(qiáng)度低，上覆巖層及外界傳遞下來的應(yīng)力和能量大部分被頂板耗散和釋放，能量大部分在頂板轉(zhuǎn)化為耗散能，剩余的沖擊動能不足使煤層巷道發(fā)生破壞。

圖1 頂?shù)装寮懊簩咏M合形式Fig.1 Combination of roof-floor and coal seam

在煤層及頂?shù)装褰M成的煤巖系統(tǒng)中，頂板的強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越好，儲存的能量就越大，這主要是因?yàn)閳?jiān)硬頂板能夠儲存和積聚能量，并長時間保存；相反，若頂板強(qiáng)度較低，或堅(jiān)硬頂板已經(jīng)受到破壞，此時儲存能量的等級就會變?nèi)酰⑶掖罅繌椥阅鼙粠r層內(nèi)的塑性變形耗散，逐漸緩慢釋放。因此，在堅(jiān)硬頂板條件下開挖巷道容易發(fā)生沖擊地壓，降低頂板強(qiáng)度可以增加頂板對彈性能的耗散程度，控制沖擊能量的積聚和釋放等級。

2 不同煤巖系統(tǒng)的沖擊顯現(xiàn)機(jī)理

2.1 頂?shù)装迨芰δＰ?/h3>

頂板巖層和底板巖層是煤巖系統(tǒng)的重要組成部分，由于煤巖系統(tǒng)不僅受到上覆巖層自重應(yīng)力的影響，還會受到水平構(gòu)造應(yīng)力的影響，煤巖系統(tǒng)在這2種應(yīng)力共同作用下會發(fā)生不同的沖擊顯現(xiàn)形式。不同巖性的煤巖組合系統(tǒng)也會發(fā)生不同的變形，尤其是頂?shù)装鍙?qiáng)度差異性較大時，整個煤巖系統(tǒng)會產(chǎn)生截然不同的破壞形式。

假設(shè)煤巖系統(tǒng)中巷道頂?shù)装迨艿缴细矌r層施加的自重應(yīng)力q 以及水平構(gòu)造應(yīng)力N 的共同作用，在頂板和底板的兩端分別產(chǎn)生彎矩M1和M2，底部兩側(cè)的支承力為NA和NB，頂?shù)装鍝隙葹棣兀敯搴偷装宓氖芰δＰ腿鐖D2。

2.2 沖擊顯現(xiàn)機(jī)理

圖2 頂?shù)装迨芰δＰ虵ig.2 Mechanical model of roof and floor

分別以頂板和底板為研究對象，將垂直應(yīng)力ρgH 簡化為均布載荷q，加上水平構(gòu)造應(yīng)力N 的作用，頂?shù)装宓膹澢匠炭杀硎緸椋?/p>

式中：ω 為頂?shù)装鍝隙?；Mx為與距離原點(diǎn)x 處的彎矩；E 為頂?shù)装鍙椥阅Ａ浚籎 為慣性矩。

經(jīng)化簡后，分別得出頂板和底板的彎矩方程為：

式中：x 為距離原點(diǎn)的距離；l 為頂?shù)装彘L度。

通過參考文獻(xiàn)[15-16]對頂?shù)装鍙澢茐牡姆治龊屯茖?dǎo)過程，可得出頂?shù)装逶谇茐臅r達(dá)到的最小軸向壓力Nc為：

此外，因?yàn)橄锏酪话懵裆钶^大，由自重應(yīng)力場在水平方向產(chǎn)生的水平應(yīng)力不可忽略，所以此時頂?shù)装灏l(fā)生彎曲破壞的最小軸向壓力Nc變?yōu)椋?/p>

式中：E 為頂?shù)装鍘r層的彈性模量，MPa；J 為巖層的橫截面慣性矩；l 為頂?shù)装鍘r層的水平長度，m；λ 為水平應(yīng)力系數(shù)；ρ 為巖體平均密度，t/m3；H 為巖層埋藏深度，m。

由式（5）可知，頂?shù)装灏l(fā)生屈曲破壞時的軸向壓力與埋深、頂?shù)装彘L度和強(qiáng)度有關(guān)。假設(shè)巷道埋深H及頂?shù)装彘L度l 一定，則軸向壓力與頂?shù)装宓膹?qiáng)度成正比關(guān)系。根據(jù)上文及關(guān)系式（5）可知，煤巖系統(tǒng)中巖層的彈性模量E 較大時，變形破壞程度小，所承受的應(yīng)力就越高，積聚的能量就越多，越容易發(fā)生沖擊地壓；巖層彈性模量E 較小時，容易發(fā)生變形破壞，積聚的能量易于耗散并釋放，巷道所受沖擊大大減小。

3 不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征模擬分析

3.1 模型建立

通過RFPA 數(shù)值模擬軟件對不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征進(jìn)行對比分析，模型尺寸50 m（寬）×40 m（高），代表50 000 mm×40 000 mm，其中巷道尺寸為4 m（寬）×3.6 m（高），煤巖系統(tǒng)模型如圖3。模型上方加載方式采用均布載荷，y 方向加載20 MPa，x方向施加水平方向位移約束，限制其水平位移，計(jì)算采用自重加載，模型假定符合Weibull 分布，巖石破裂采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖3 煤巖系統(tǒng)模型Fig.3 Coal-rock system model

以河北唐山煤礦8、9 煤層工作面具體參數(shù)進(jìn)行力學(xué)反演計(jì)算，煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖參數(shù)Table 1 Coal-rock parameters

3.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)結(jié)果分析，基于不同煤巖系統(tǒng)的受力變形特征，設(shè)定煤層強(qiáng)度不變，按照頂?shù)装遘浻矎?qiáng)度不等共設(shè)計(jì)硬頂硬底、硬頂軟底、軟頂硬底和軟頂軟底等4 種不同組合形式的煤巖系統(tǒng)，不同煤巖系統(tǒng)的沖擊地壓能量演化模型如圖4。對比分析不同組合形式下煤巖系統(tǒng)的沖擊能量演化特征。

圖4 不同煤巖系統(tǒng)的沖擊地壓能量演化模型Fig.4 Rock burst energy evolution models of different coal-rock mass

3.3 不同煤巖系統(tǒng)沖擊能量演化特征

1）硬頂硬底型。當(dāng)巷道頂?shù)装鍙?qiáng)度均較高時，即頂板和底板的抗壓強(qiáng)度較大，表現(xiàn)為硬頂硬底型煤巖系統(tǒng)。結(jié)合煤巖系統(tǒng)受力及沖擊顯現(xiàn)機(jī)理，巷道頂板和底板因受到垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用，能夠儲存大量彈性變形能，當(dāng)能量積聚到一定程度后，便會向強(qiáng)度較低的煤層轉(zhuǎn)移，那么能量便會在煤層巷道周圍進(jìn)行釋放，導(dǎo)致巷道容易發(fā)生變形破壞并耗散能量，形成煤層型沖擊地壓。硬頂硬底型能量演化模擬結(jié)果如圖5。巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度較高，煤幫變形破壞程度嚴(yán)重，聲發(fā)射密集，巷道兩側(cè)彈性能密度最大值達(dá)到273 kJ/m3，能量全部在此區(qū)域積聚并釋放，煤層優(yōu)先發(fā)生破壞，就會形成巷道兩側(cè)煤體發(fā)生破壞的沖擊地壓。

2）硬頂軟底型。當(dāng)巷道頂板堅(jiān)硬，底板由于含有夾層或留有底煤，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度相對較低，就形成了硬頂軟底型煤巖系統(tǒng)。通過煤巖系統(tǒng)描述可知，硬頂軟底型強(qiáng)度與硬頂硬底型相比有所減小，在疊加形成的集中應(yīng)力作用下，較堅(jiān)硬的頂板能夠積聚大量彈性能，由于底板及煤層強(qiáng)度低，能量便向下傳遞至煤層及底板，當(dāng)?shù)竭_(dá)煤層及底板的自穩(wěn)極限后，就會發(fā)生能量釋放，煤層及底板就會成為能量耗散的主要場所。硬頂軟底型能量演化模擬結(jié)果如圖6。在垂直應(yīng)力恒定條件下，煤層及底板的變形破壞十分嚴(yán)重，聲發(fā)射密度有所增大，巷道兩側(cè)彈性能密度有所下降，峰值大小為252 kJ/m3，說明煤層及底板耗散了部分沖擊能量；能量釋放主要集中在煤層及底板區(qū)域，通過巷道及底板的破壞來實(shí)現(xiàn)對能量的耗散，則形成以底板為主的沖擊破壞形式。

圖5 硬頂硬底型能量演化模擬結(jié)果Fig.5 Simulated result of energy evolution with hard roof-hard floor

圖6 硬頂軟底型能量演化模擬結(jié)果Fig.6 Simulated result of energy evolution with hard roof-soft floor

3）軟頂硬底型。當(dāng)巷道頂板為泥巖及其他巖性較軟巖層、或受到人為破壞時，就會形成軟頂硬底型煤巖系統(tǒng)。由于頂板強(qiáng)度低，臨界承載極限較小，容易發(fā)生變形破壞，當(dāng)應(yīng)力作用在頂板時，頂板就會首先發(fā)生破壞，耗散大部分能量，只將小部分能量繼續(xù)向下傳遞至煤層，那么煤層及底板積聚的彈性能減少，巷道所受的應(yīng)力和能量降低，其變形幅度就會縮小。軟頂硬底型能量演化模擬結(jié)果如圖7。巷道頂板所形成的破壞范圍要大于前2 種類型，聲發(fā)射密集程度也同樣增大，巷道及底板的破壞稍有程度減小，從能量分布圖可知，巷道兩側(cè)彈性能密度最大值為224 kJ/m3（硬頂硬底和硬頂軟底分別為273 kJ/m3和252 k/m3），說明部分能量在頂板破壞過程中已被耗散釋放，有助于緩解巷道圍巖應(yīng)力與能量，減小沖擊地壓的破壞等級及發(fā)生幾率。

圖7 軟頂硬底型能量演化模擬結(jié)果Fig.7 Simulated result of energy evolution with soft roof-hard floor

4）軟頂軟底型。當(dāng)巷道頂?shù)装寰^軟弱時，因其軟弱巖層的比例最多，所處煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度為最小。頂?shù)装宓奈芎哪艹潭仍黾?，在同樣的?yīng)力環(huán)境中，頂?shù)装宓淖冃纬潭茸畲?，耗散和釋放的彈性能比例最多，巷道周圍集中?yīng)力及積聚的能量大幅度減小，使巷道呈現(xiàn)出低應(yīng)力狀態(tài)。軟頂軟底型能量演化模擬結(jié)果如圖8。由圖8 可知，巷道兩側(cè)變形破壞范圍大大縮小，聲發(fā)射密度較低，最大彈性能密度降低至216 kJ/m3，說明頂?shù)装搴纳⒌膹椥阅茌^多，緩解了巷道周圍壓力，使其穩(wěn)定系數(shù)提高。

圖8 軟頂軟底型能量演化模擬結(jié)果Fig.8 Simulated result of energy evolution with soft roof-soft floor

不同組合煤巖系統(tǒng)的能量演化特征見表2。對比以上4 種煤巖系統(tǒng)的能量演化特征，可知強(qiáng)度對巷道周圍能量分布及耗散程度有很大影響。當(dāng)煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度較大時，巷道兩側(cè)最大彈性能密度變大，破壞形式主要為煤體沖擊破壞，而當(dāng)煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度較小時，巷道周圍能量大小逐漸降低，破壞類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫數(shù)装遄冃纹茐?。由此可以解釋煤巖系統(tǒng)中具有堅(jiān)硬頂?shù)装宓南锏廊菀追e聚能量并易于發(fā)生沖擊破壞，而頂板較軟的巷道可以耗散大量的彈性能，能夠減小沖擊地壓的發(fā)生。

表2 不同組合煤巖系統(tǒng)的能量演化特征Table 2 Energy evolution characteristics of different coal-rock mass

4 結(jié) 論

2）通過RFPA 數(shù)值模擬方法對比分析了硬頂硬底、硬頂軟底、軟頂硬底和軟頂軟底等4 種不同煤巖系統(tǒng)的能量演化特征，隨著煤巖系統(tǒng)整體強(qiáng)度的下降，巷道周圍最大彈性能密度峰值逐漸減小，降低沖擊地壓的發(fā)生幾率。

3）利用不同煤巖系統(tǒng)的沖擊能量演化規(guī)律可以很好地解釋具有堅(jiān)硬頂?shù)装宓南锏廊菀追e聚能量并易于發(fā)生沖擊破壞，而頂板較軟的巷道可以耗散大量的彈性能，能夠減小沖擊地壓的發(fā)生。