煤巖弱沖擊傾向性影響的數(shù)值模擬研究

崔 雅

（蘭花科技股份創(chuàng)業(yè)有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

隨著煤炭資源的開采工作向深部延伸，影響煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害因素也越發(fā)繁多，除了傳統(tǒng)的“五大自然災(zāi)害”以外，沖擊地壓相關(guān)的鑒定和預(yù)防也成為礦山安全工作中不可忽視的環(huán)節(jié)。

沖擊地壓是指井工礦在采掘過程中，在應(yīng)力集中影響下，煤（巖）結(jié)構(gòu)層理遭到破壞，體內(nèi)聚集的彈性勢(shì)能瞬間將煤（巖）釋放（拋出），并伴有巨響和氣浪沖出的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。由于沖擊地壓具有高突發(fā)性和高危害性，不僅會(huì)影響采掘計(jì)劃和儲(chǔ)量損失，還會(huì)造成企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的損壞，甚至出現(xiàn)一定的人員傷亡[1-3]。因此，需要對(duì)礦井沖擊地壓進(jìn)行系統(tǒng)的研究，鑒定其沖擊傾向性和危害性，并在此基礎(chǔ)上分析煤巖沖擊對(duì)采掘工作面的影響，從而更有針對(duì)性地制定防沖措施[4]。

1 唐安煤礦3號(hào)煤層煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

唐安煤礦隸屬于晉城蘭花集團(tuán)，位于高平市馬村鎮(zhèn)，年產(chǎn)能力180×104t/a，批準(zhǔn)開采3#、9#、15#煤層，現(xiàn)采3#煤層。

目前唐安煤礦所開采的3#煤層三盤區(qū)3302、3304等工作面的最大采深均超過400m，其中3302 工作面部分區(qū)域甚至超過500m。另外根據(jù)礦井鉆孔柱狀圖等資料顯示，3#煤層上方100m范圍內(nèi)存在單層厚度超過10m的堅(jiān)硬巖層。因此需對(duì)該煤層煤巖沖擊傾向性進(jìn)行鑒定以制定有效防沖措施，降低事故發(fā)生的概率。

根據(jù)煤巖沖擊傾向性鑒定的要求，參照《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》等相關(guān)規(guī)定，對(duì)唐安煤礦3#煤層及頂板巖層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，具體內(nèi)容見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定表

1.1 煤巖采樣

為確保所得結(jié)果可以真實(shí)反映3#煤層的力學(xué)特性，采樣過程需嚴(yán)格遵循《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》規(guī)程進(jìn)行取樣作業(yè)。針對(duì)巖樣，本次將采用ZDY2300LS 型履帶式全液壓鉆機(jī)，使用半徑25mm 的專用鉆頭在巷道頂板30m 范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行取樣，取樣完畢后，需對(duì)所取煤樣進(jìn)行編號(hào)，并注明采樣地點(diǎn)、巖厚、巖層特征狀態(tài)等；同理取巷道不同位置的多個(gè)煤樣進(jìn)行編號(hào)與記錄。

1.2 頂板巖樣分組

通過對(duì)唐安煤礦3#煤層頂板巖層30m厚度范圍的巖芯試樣測(cè)定分析后，決定將影響巷道頂板的巖層分為5種巖性進(jìn)行試驗(yàn)，分別為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和中砂巖。

2 煤（巖）試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)唐安礦巖樣測(cè)試，全過程通過RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制器、手動(dòng)控制器、液壓控制器、液壓作動(dòng)器、三軸壓力源、液壓源以及進(jìn)行各種功能的試驗(yàn)附件等組成。

2.2 試樣的規(guī)格

針對(duì)煤的沖擊傾向性鑒定需選用完整性較好的煤樣制備，采用切割結(jié)合鉆磨工序，制成多個(gè)長(zhǎng)100mm，寬50mm（或直徑50mm）的長(zhǎng)方體（或圓柱體）待用；頂板巖樣沿紋理制成?50mm，高度介于30～100 的試樣多個(gè)待用。在對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，每組煤（巖）試樣數(shù)量不得少于3 個(gè)，在對(duì)煤的沖擊傾向性指數(shù)測(cè)試時(shí)，每組煤（巖）試樣數(shù)量不少于5個(gè)。對(duì)待測(cè)試樣需妥善保存，放在底部盛有一定水分的容器內(nèi)靜置24h 以上，期間試樣不得接觸水面。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)將對(duì)煤（巖）試樣的自然視密度、抗拉強(qiáng)度、堅(jiān)固性系數(shù)等方面進(jìn)行鑒定，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 煤（巖）試樣測(cè)定結(jié)果

經(jīng)過對(duì)3#煤層的試樣檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，該煤層煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT為223ms，彈性能指數(shù)WET為1.94，沖擊能量指數(shù)KE為2.015，單軸抗壓強(qiáng)度RC為11.635MPa。根據(jù)煤的沖擊傾向性指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，按照煤的沖擊傾向性強(qiáng)弱的綜合判定為弱沖擊傾向性。

3 沖擊傾向性對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及能量場(chǎng)的影響規(guī)律

由于唐安煤礦3#煤層煤巖沖擊傾向性判定為弱沖擊傾向，因此需要制定礦井防沖措施[5]。筆者在對(duì)工作面制定具體措施之前，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及能量場(chǎng)的影響規(guī)律進(jìn)行研究分析。

3.1 物理模型的確認(rèn)

筆者對(duì)本次模擬選用FLAC 3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)巖層受沖擊的情況進(jìn)行分析研究。首先需要對(duì)物理模型進(jìn)行建模處理，具體如下：沿工作面走向和傾向的長(zhǎng)度分別設(shè)置為200m 和300m，巖層高度設(shè)置為60m。工作面順槽長(zhǎng)度參考實(shí)際尺寸設(shè)置為4×5m，寬度為100m。在模型四周設(shè)置固定邊界條件，上部模擬上覆巖層的重量，根據(jù)工作面采深（約500m）施加豎向荷載1.4×107MPa，如圖1所示。

圖1 3#煤層沖擊傾向性模擬圖

模擬選擇為應(yīng)變軟化模型，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則對(duì)煤（巖）體屈服程度進(jìn)行判斷，為了研究弱沖擊傾向性煤層對(duì)工作面的影響，將對(duì)煤層應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律、工作面能量場(chǎng)分布和工作面塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行模擬。

3.2 弱沖擊傾向性對(duì)煤層工作面能量場(chǎng)分布的影響

弱沖擊傾向性對(duì)工作面能量場(chǎng)分布的模擬結(jié)果如圖2所示：①工作面推進(jìn)期間，超前支撐壓力范圍內(nèi)有能量聚集且出現(xiàn)能量峰值的現(xiàn)象，能量峰值隨工作面的距離而變遠(yuǎn)而減弱；②巷道兩側(cè)煤壁的能量場(chǎng)隨煤層巷道能量峰值距離的變遠(yuǎn)而大幅減弱；③巷道與工作面交界處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加現(xiàn)象，工作面隅角周圍的能量聚集程度大幅增大，較工作面其他區(qū)域更高；④位于工作面后方的巷道受采空區(qū)卸壓影響，未開采煤層兩側(cè)的能量集中區(qū)域緩慢增大。

圖2 弱沖擊傾向性下煤層工作面能量場(chǎng)分布示意圖

3.3 弱沖擊傾向性對(duì)煤層應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響

弱沖擊傾向性對(duì)煤層應(yīng)力場(chǎng)分布的模擬結(jié)果判斷為：①工作面推進(jìn)時(shí)，超前支撐壓力范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力峰值距離工作面較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)力集中程度隨之減弱；②較巷道兩側(cè)煤壁垂直應(yīng)力，隨與煤層內(nèi)應(yīng)力峰值的距離變遠(yuǎn)而大幅減弱；③巷道與工作面交邊界處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加現(xiàn)象，工作面隅角周圍受此影響垂直應(yīng)力峰值較其他位置處更高；④位于工作面后方的巷道受采空區(qū)卸壓影響，未開采煤層兩側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)域緩慢增大。

3.4 弱沖擊傾向性對(duì)工作面破壞區(qū)分布規(guī)律的影響

受工作面采動(dòng)影響，煤巖的弱沖擊將對(duì)煤體邊緣及巷道兩側(cè)煤體產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在此區(qū)域，分析認(rèn)為，煤層邊緣破壞性質(zhì)屬于拉剪復(fù)合破壞，隨著深入煤層內(nèi)部，破壞性質(zhì)主要是剪切破壞；模擬結(jié)果顯示，其工作面前方塑性區(qū)范圍為15m，工作面兩側(cè)塑性區(qū)范圍為12m，兩側(cè)未開采煤層塑性區(qū)范圍為12～14m。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)唐安煤礦沖擊地壓所采煤巖試樣的測(cè)試結(jié)果，通過理論分析、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和鑒定計(jì)算，判斷目前所采3#煤層具有弱沖擊傾向性。筆者根據(jù)FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面構(gòu)造應(yīng)力、能量聚集情況以及塑性區(qū)的分析后，得出工作面前方塑性區(qū)范圍為15m，工作面兩側(cè)塑性區(qū)范圍為12m，兩側(cè)未開采煤層塑性區(qū)范圍為12～14m。為礦井制定放沖措施提供了理論依據(jù)和參考意義。