淺談沖擊地壓與瓦斯突出模型的建立

趙書東

摘 要：高瓦斯礦井產(chǎn)生沖擊地壓后，會出現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的現(xiàn)象。文章對沖擊地壓與瓦斯涌出之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模型模擬時(shí)，簡要闡述怎么建立模型、建立模型應(yīng)該考慮哪些因素。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓;瓦斯;數(shù)值模型

1? ? 沖擊地壓

煤礦開采過程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下，煤巖體受應(yīng)力作用，儲存了大量的彈性能量，這些大量積聚的彈性能受煤礦開采過程中的采動影響，穩(wěn)定狀態(tài)會突然發(fā)生改變，釋放儲存的彈性能量。這種快速、破壞強(qiáng)度大的礦山壓力現(xiàn)象就是沖擊地壓。沖擊地壓的發(fā)生，經(jīng)常伴隨著劇烈的響聲、煤巖體的強(qiáng)烈震動和強(qiáng)力的沖擊波現(xiàn)象，就如同在巷道掘進(jìn)中放炮一樣。受沖擊地壓影響，煤和巖石會被突然拋出，拋出的煤和巖石的總量從幾噸到幾百噸重不等，而且拋出的速度非常快，這些被拋出的煤巖會損壞支架，堵住巷道。而且，沖擊地壓的發(fā)生還有可能引發(fā)其他煤礦災(zāi)害的發(fā)生，比如煤塵和瓦斯方面的災(zāi)害等。

很多學(xué)者認(rèn)為沖擊地壓成因和機(jī)理是由于3項(xiàng)高應(yīng)力的作用。成煤過程受地質(zhì)運(yùn)動等因素的影響，煤層和巖層處于一種平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，由于之前地質(zhì)運(yùn)動等對煤巖體的作用，煤巖體內(nèi)儲存大量的彈性能量。當(dāng)這些處于平衡狀態(tài)的煤巖體受到采掘活動影響時(shí)，原來的平衡狀態(tài)就會被打破，致使儲存的大量彈性能量被快速釋放，大部分的彈性能量會轉(zhuǎn)化為動能，對周圍煤巖體產(chǎn)生動力沖擊，而引發(fā)各種動力現(xiàn)象。

引發(fā)沖擊地壓的原因有很多，而且比較復(fù)雜，常見的原因有壓力沖擊、突發(fā)沖擊和爆裂沖擊等。但從生產(chǎn)角度來看，可以分成自然條件、現(xiàn)有的技術(shù)條件和采掘的組織管理這3個(gè)方面。

沖擊地壓的危害主要有這幾種：（1）嚴(yán)重?fù)p壞巷道，瞬間使巷道斷面收縮變小，損壞支架，嚴(yán)重時(shí)使巷道頂?shù)装搴蠑n。（2）損壞設(shè)備，在沖擊地壓發(fā)生瞬間，使設(shè)備顛覆移位、損壞變形。（3）摧毀通風(fēng)設(shè)施，強(qiáng)大的沖擊波會摧毀風(fēng)門和掘進(jìn)工作面的風(fēng)筒。（4）造成人員傷亡，人員大部分受撞擊、沖擊波和埋沒傷害。（5）可能引發(fā)瓦斯次生事故。2005年2月14日，阜新瓦斯爆炸事故是由沖擊地壓造成瞬間瓦斯大量涌出引發(fā)的。

沖擊地壓的特點(diǎn)主要有以下幾種：

（1）突發(fā)性，在發(fā)生沖擊地壓前沒有明顯的征兆，無法確定發(fā)生位置，很難事先準(zhǔn)備。（2）瞬時(shí)震動性，震動的時(shí)間非常短暫，幾秒到幾十秒不等，震動波及范圍可達(dá)幾公里至幾十公里，地面有震感。（3）巨大破壞性，有時(shí)頂板瞬間明顯下沉，有時(shí)底板突然開裂鼓起甚至接頂，造成設(shè)備損壞和人身傷害。（4）復(fù)雜性，發(fā)生原因復(fù)雜、防治措施復(fù)雜。

沖擊地壓分類，根據(jù)煤體應(yīng)力狀態(tài)不同可分3類：

（1）重力型，主要受重力作用，沒有或只有極小構(gòu)造應(yīng)力影響。（2）構(gòu)造應(yīng)力型，構(gòu)造應(yīng)力超過巖層自重應(yīng)力，主要受構(gòu)造應(yīng)力的作用。（3）中間型或重力—構(gòu)造型，受重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用。

2? ? 瓦斯突出

瓦斯突出多發(fā)生在煤礦開采過程中，又常被叫作“煤與瓦斯突出”。

瓦斯事故是我國煤礦五大自然災(zāi)害之一，煤與瓦斯突出是煤礦在井下開采過程中發(fā)生的一種瓦斯動力現(xiàn)象，這種動力現(xiàn)象是由瓦斯、巖石和煤共同引發(fā)的。煤與瓦斯突出時(shí)，會在很短時(shí)間內(nèi)，對巷道和采煤空間拋出大量的煤、巖石和瓦斯。拋出的煤和巖石的總量從幾噸到幾百噸不等，拋出的瓦斯從幾立方米到幾百萬立方米不等。這種突出災(zāi)害常伴有較大的動力現(xiàn)象，如破壞支護(hù)設(shè)施、摧毀支架、使風(fēng)流反向、推倒礦車等。

發(fā)生條件：（1）地應(yīng)力條件。地應(yīng)力狀態(tài)的突然變化有可能會引起煤與瓦斯突出。主要體現(xiàn)在這幾方面：地應(yīng)力對瓦斯壓力有控制的作用;煤體及圍巖受壓達(dá)到極限后，會釋放彈性能，使煤體突然產(chǎn)生破壞、位移。（2）煤的結(jié)構(gòu)和煤的力學(xué)性質(zhì)條件。研究表明煤越硬，要使煤破碎所需的能量就越大;并且瓦斯放散、解析能力和瓦斯在煤層的透氣性表現(xiàn)以及煤巖的不均質(zhì)性特點(diǎn)，都會對煤與瓦斯突出的發(fā)生造成影響。（3）瓦斯條件。在煤體內(nèi)賦存的大量高壓游離瓦斯，會對周圍煤體產(chǎn)生膨脹作用;工作面前方形成的瓦斯壓力梯度，造成作用于壓力降低方向的力;高壓瓦斯分子全面縮煤的骨架，促使煤體中產(chǎn)生彈性潛能。

統(tǒng)計(jì)分析表明：沖擊地壓主要發(fā)生在巷道（91%），而且主要發(fā)生在采煤和掘進(jìn)工序中。發(fā)生過沖擊地壓和由沖擊地壓引起過瓦斯災(zāi)害的煤礦都屬于高瓦斯礦井，這些煤礦因?yàn)槊后w本身就賦存大量瓦斯，使瓦斯涌出具備了基礎(chǔ)條件，再因沖擊地壓影響，為高瓦斯煤體中的瓦斯涌出創(chuàng)造了條件。本文僅對研究沖擊地壓與瓦斯涌出之間的關(guān)系進(jìn)行簡單數(shù)值模型建立的研究。

3? ? 數(shù)值模型建立

沖擊地壓與瓦斯涌出數(shù)值模型建立，首先需要了解被研究礦井的工程概況、礦井的地理位置、煤層的埋藏深度、走向長度、傾向長度、煤田的面積、礦區(qū)含有多少個(gè)煤層、煤層的總厚度、每層煤的厚度、煤層與煤層之間的距離、煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量等。這些數(shù)據(jù)是建立模型的基礎(chǔ)。

模型的建立通過RFPA軟件來進(jìn)行，本文所運(yùn)用的RFPA系統(tǒng)，即巖石破裂過程分析系統(tǒng)，是基于彈性損傷模型的一個(gè)工具軟件。

在對巷道圍巖的力學(xué)場和滲流場建立數(shù)值模擬模型時(shí)，把巷道變形當(dāng)作平面應(yīng)變問題來模擬，這樣可以減少模型的尺寸，減少軟件的模擬計(jì)算時(shí)間。在建立模型時(shí)，應(yīng)該以采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置條件：對模型的左右邊界和下邊界設(shè)置為垂直方向位移約束，上邊界設(shè)置成上覆巖層的均布載荷，具體數(shù)值按現(xiàn)場資料設(shè)置。模擬時(shí)，讓上邊界的均布載荷開始作用，然后進(jìn)行瓦斯?jié)B流與應(yīng)力的耦合計(jì)算。滲流場模擬時(shí)，把邊界瓦斯設(shè)置為均勻分布且固定數(shù)值，在挖空的巷道單元設(shè)置固定的大氣壓力值。為了簡化計(jì)算，忽略支護(hù)和巖層的影響，可以把煤層的厚度設(shè)置得很大。

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