于麗艷 王建國 王 冀

(黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

現(xiàn)階段我國的很多煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，隨著采深的不斷加深，沖擊地壓發(fā)生的頻度和強(qiáng)度也越來越大，產(chǎn)生的后果也越來越引起人們的重視。沖擊地壓[1，2］是煤巖體急劇破壞，釋放彈性能的一種動力現(xiàn)象。發(fā)生前一般沒有明顯的宏觀前兆，發(fā)生過程短暫，猝不及防，并伴有強(qiáng)烈震動、聲響和沖擊波，最大震級達(dá)到里氏震級3.8級以上，具有很大的破壞性，嚴(yán)重威脅了礦井的安全生產(chǎn)，同時(shí)使煤礦職工遭受不同程度的傷害和恐怖感。沖擊地壓是影響煤礦安全生產(chǎn)的惡性災(zāi)害事故之一，也是世界主要采礦國家面臨的共同難題。

1 煤體壓縮型沖擊地壓實(shí)例分析

煤體壓縮型沖擊地壓是沖擊地壓的一種類型，在礦井中比較常見，其發(fā)生的深度一般不超過500 m。雖然該類沖擊地壓發(fā)生時(shí)的沖擊波衰減快，震動時(shí)間短，但造成的危害卻很大，使大量煤塊被拋出，造成設(shè)備損壞和人員傷亡。如北京礦務(wù)局城子礦[3］在1971年9月10日發(fā)生一次煤體壓縮型沖擊地壓，當(dāng)時(shí)該礦八層－250 m水平西巷在回收煤柱時(shí)使巷道上幫煤被拋出，拋出的煤使巷道空間被堵塞，棚倒塌折斷，致使巷道長達(dá)35 m處于癱瘓狀態(tài)。同時(shí)該礦的八層－340 m水平西巷又在1974年10月25日回收上幫煤柱時(shí)致使該巷道的上幫煤體拋出，使巷道75 m遭到摧毀，輸送煤的機(jī)器遭到破壞，支撐巷道的支架倒塌。造成如此大的災(zāi)難的原因是煤柱屬四周已采空的孤立條帶形煤柱，煤質(zhì)堅(jiān)硬，脆性大，屬強(qiáng)烈沖擊傾向煤層。頂?shù)装宓某煞志鶠樯皫r，其質(zhì)地堅(jiān)硬且難垮，開采活動進(jìn)行后頂板大面積懸空，此時(shí)煤柱承受強(qiáng)大的壓力，頂?shù)装鍖γ褐纬蓨A制作用，使之形成高度應(yīng)力集中。當(dāng)壓力超過煤柱的承載能力時(shí)，發(fā)生煤體壓縮型沖擊地壓。

2 煤體壓縮型沖擊地壓機(jī)理分析

煤體壓縮型沖擊地壓的發(fā)生用力學(xué)知識可解釋為煤巖層局部高應(yīng)力集中并超過其強(qiáng)度，由于煤巖物理力學(xué)性質(zhì)和煤巖層約束條件發(fā)生變化而發(fā)生突然的破壞現(xiàn)象。對該類型沖擊地壓進(jìn)行機(jī)理分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)把煤系地層視為煤層—頂?shù)装逑到y(tǒng)，如圖1所示。在一定的采場空間內(nèi)，煤巖體在原始應(yīng)力和采動應(yīng)力作用下，煤被較堅(jiān)硬的底板和頂板夾持，這樣阻礙了深部圍巖—煤體交界處及煤體本身的卸載變形。隨著工作面的開采，上覆堅(jiān)硬頂板懸露彎曲下沉，使煤體更加壓實(shí)，承受更高的壓力，煤體夾持作用增強(qiáng)，系統(tǒng)積聚的彈性能增加，圖1中沿傾斜方向，離采場煤壁越近，夾持力越大，反之越小。

由于開采而形成的煤巖結(jié)構(gòu)的組成材料為巖石和煤，和一般的工程結(jié)構(gòu)不同，此類結(jié)構(gòu)中的一部分材料會避免不了在塑性區(qū)工作，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)煤巖的強(qiáng)度會超過自身的峰值強(qiáng)度，煤巖材料變成了應(yīng)變軟化的非穩(wěn)定材料。由于煤的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于它周圍巖石的抗壓強(qiáng)度，所以在煤巖結(jié)構(gòu)中它被看作是最薄弱的部分[4］。結(jié)合此類沖擊地壓實(shí)際發(fā)生的情況，建立其力學(xué)模型如圖2所示，圖2中的2a代表采空區(qū)的跨度，L代表煤柱中心線到采空區(qū)中心線的距離，h代表煤柱的高度，q代表頂板施加給煤柱的力。

圖1 煤層—頂?shù)装迨疽鈭D

圖2 力學(xué)模型

3 煤體壓縮型沖擊地壓數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬參數(shù)

模擬時(shí)上下頂板為砂巖，各煤巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬分析

將煤巖體結(jié)構(gòu)簡化為沿巷道走向的二維平面應(yīng)變有限元彈塑性模型，采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型的長、高分別取200 m，煤層厚度取10 m。模型底面固定約束，頂面距地表313 m，頂面加載7.51 MPa作為模擬上覆巖層自重[5-7］，模擬結(jié)果如下。

由圖3和圖4可以看出，在預(yù)留煤柱附近，采空區(qū)兩側(cè)應(yīng)力值比較大，形成了高應(yīng)力集中區(qū)，此區(qū)域成為了煤體壓縮型沖擊地壓發(fā)生的高危區(qū)域，預(yù)留煤柱在高應(yīng)力區(qū)受到來自上下巖層頂板的夾制力，并隨著開采的進(jìn)行所受壓力繼續(xù)增大，當(dāng)超過其峰值強(qiáng)度時(shí)發(fā)生煤體壓縮型沖擊地壓。

圖3 開采25 m預(yù)留煤柱Y向應(yīng)力

圖4 開采25 m預(yù)留煤柱剪應(yīng)力

4 結(jié)語

1)通過案例可看出煤體壓縮型沖擊地壓造成的后果是十分慘重的，有必要以后加大人力物力和財(cái)力來防治煤體壓縮型沖擊地壓的發(fā)生。

2)運(yùn)用力學(xué)知識分析了煤體壓縮型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理并給出了此類沖擊地壓的力學(xué)模型，為后續(xù)從理論角度分析煤體壓縮型沖擊地壓奠定基礎(chǔ)。

3)運(yùn)用ANSYS分析軟件分析了在采煤過程中煤體壓縮型沖擊地壓所發(fā)生的區(qū)域?yàn)轭A(yù)留煤柱的高應(yīng)力集中區(qū)域，這為以后預(yù)測煤體壓縮沖擊地壓提供一種輔助手段。

[1]Brauner G.Rock Bursts in Coal Mines and Their Prevention[M］.Rotterdam:A.A.Balkema，1994:2-64.

[2]趙本鈞.沖擊地壓及其防治[M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1994.

[3]石 強(qiáng)，潘一山，李英杰.我國沖擊礦壓典型案例及分析[J］.煤礦開采，2005，10(2):13-17.

[4]潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過程研究[D］.北京:清華大學(xué)工程力學(xué)系，1999.

[5]于麗艷，潘一山，李忠華，等.吉林省道清礦北斜井南平峒煤層沖擊危險(xiǎn)性數(shù)值模擬[J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(1):94-98.

[6]王永秀，齊慶新.煤柱應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析[J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，3(10):59-62.

[7]朱伯芳.有限元法原理及應(yīng)用[J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999(4):24-26.