断层区域能量聚积对冲击地压影响分析.pdf

1 8 8 东 撼晨 科枝 2 0 1 1 年 第5 期 断层 区域能量 聚积对 冲击地压影响分 析 杨建飞， 徐明武， 宋兆国 济宁矿业集团霄云煤矿， 山东 济宁2 7 2 2 1 3 摘要该文分析了断层对煤层巷道弹性能分布的影响， 结果表明， 断层不仅影响到弹性比能的数值， 而且影响到弹性比能的分布规律， 巷道 两帮煤体 中的弹性 比能最大值 由巷道 四角处转移到煤壁深处 ， 可以积 聚更大 的能量 ， 煤层弹性模量与抗压强度 ， 对弹性能分布也有较大影响。 关键词 断层 能量聚积数值模 拟 中图分类号 T D 3 2 2 文献标识码A Ab s t r a c t T h a t p a p e r a n a l y z e t h e i n fl u e n c e t o e l a s t i c e n e r g y b y f a u l t ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mi n i n g d e p t h e ff e c t n o t o n l y n u m e ri c a l v a l u e b u t d i s t r i b u 。 t i o n o f t h e e l a s t i c s p e c i f i c e n e r g y，a n d w i t h t h e mi n i n g d e p t h e x c e e d i n g a c e r t a i n l i mi t ，t h e ma x e l ast i c s p e c i fic e n e r gy a c c u mu l a t e d i n t wo s i d e s r o a d wa y c o a l mass t r a n s f e r r e d f r o m f o u r s q u a r e t o d e e p c o al f a c e ，wh i c h c a l l a c c u mu l a t e mo r e e n e r g y ；t h e E l ast i c Mo d u l u s a n d c o mp r e s s i o n s t r e n g t h h a v e l a r g e e ffe c t o n t h e d i s t rib u t i o n o f e l ast i c s p e c ific e n e r g y ． Ke y wo r d s f a u l t e n e r g y a c c u mu l a t e fin it e e l e me n t me t h o d 在地下工程 中， 开挖硐室、 巷 隧 道围岩的结构 是复杂多样的。一方面， 围岩中常常存在着各种各样 的节理、 裂隙、 断层等地质构造u ； 另一方面， 围岩的 矿物成分也各不相同。于是出现了围岩介质的不连续 性、 非线形、 各向异性 。对于这种非线弹性介质该 怎么解决呢数值计算方法的出现为地下工程中非连 续介质的研究 提供了新的方法和思路。特别是近年 来 ， 随着电子计算机的迅速发展， 近代计算力学方法已 成为求解岩土工程中变形和稳定的有力工具。 图1 断层力学模型 q 2 0 M P a 1 建 立几何 模 型 ． 2 断层 区域 能置聚 积分 布影 响 的数 值模 拟 某煤层巷道的顶底板均为坚硬的砂岩， 围岩参数 见表 1 。煤层倾角为0 。 ， 煤层埋深为 8 0 0 m， 巷道形状 尺寸为3 2 m的矩形巷道。建立平面应变力学模型如 图 1 所示。根据上述力学模型建立弹塑性有 限元模 型， 材料本构模型为 D r u c k e r P r a g e r 弹塑性材料。模 型几何参数如表 1 。 表 1 岩体的力学参数表 厚度 弹性模 体积密度 抗压强度 黏聚力 内摩擦 岩性 泊松 比 m 量 G P a k N m一 MP a MP a 角 。 砂岩 3 9 2 5 0 ． 2 5 2 5 4 0 1 0 4 5 煤 2 4 O ． 2 1 3 1 5 2 3 5 断层 2 3 I ／ 2 1 0 ． 1 2 0 O ． 1 O ． 1 2 5 表 2 模型的参数表 收稿 日期 2 0 1 l一0 9一 o 7 作者简介 杨建飞 1 9 8 0一 ， 男， 硕士研究生学历 ， 2 0 0 8 年毕业于 山东科技大学固体力学专业， 助理工程师， 现任济宁矿业集团霄云井 田资源开发有限公司开拓工区主管技术员。 2 ． 1 断层倾角的影响 断层倾角是影响巷道围岩应力水平及弹性比能的 主要 因素 图 2 。 V V ＼ ． - - ， ／I C ／ ＼／ T V a 最大主应力 b 最小主应力 图2 巷道附近的应力等值线图 单位 MP a 图3 巷道附近的弹性比能等值线图 单位 k J ／ m。 2 0 1 1 年 第5 期 互 撼差 科技 1 8 9 图2 、 图3为断层倾角6 0 。 时应力及弹性比能示意图。 图4 、 图5为断层倾角4 5 。 时应力及弹性比能示意图。 a 最大主应力 b 最小主应力 图4 巷道附近的应力等值线图 单位 MP a 图5 巷道附近的弹性比能等值线图 单位 k J ／ m 。 2 ． 2 断层厚度的影响 1 断层厚度为 3 ∽IT I 时等值线示意图如图6 、 图 7。 a 最大主应力 b 最小主应力 图6 巷道附近的应力等值线图 单位 MP a 图7 巷道附近的弹性比能等值线图 单位 L l ／ m 2 断层厚度为 2 x 3 n l 时等值线示意图如图 8 、 图 9 。 3 结 论 由以上模拟可知， 断层对巷道左侧， 特别是左上角 的应力分布和大小有十分显著的影响。煤层中的应力 分布比岩石中的应力分布集中， 相应的数值也 比较大。 不同倾角的断层对巷道附近应力的大小没有很显著的 影响， 倾角越大对巷道应力的影响越小 ， 应力变化的范 围就越大。断层对巷道左侧的弹性 比能影响比较大， f＼ 、 、 ＼ a 最大主应力 b 最小主应力 图8 巷道附近的应力等值线图 单位 M P a 图9 巷道附近的弹性比能等值线图 单位 k J ／ m 特别是巷道靠近断层的左上角。应力在巷道四个角区 域呈现应力集中现象 ， 煤层中的应力比岩石中的应力 更集中， 数值更大。 弹性比能也在巷道四个角区域发生集 中现象， 巷 道四个角区域弹性 比能变化的剧烈程度有所缓和， 弹 性比能的最大值也有所降低 ， 巷道两侧的弹性 比能分 布规律发生变化， 两侧的弹性比能区域扩大， 而顶板和 底板的弹性 比能区域却变小。断层对巷道左侧的弹性 比能分布有较大的影响。这个区域的弹性能是发生冲 击地压的重要能量。巷道附近上下 3 m的断层弹性比 能的数值比较大， 在与煤层相连接的地方变化非常剧 烈， 同时向上下两个方向衰减。有限元分析表明， 对围 岩弹性比能的影响因素有断层的倾角和厚度等。 通过模拟计算， 这部分煤体所聚集的能量均未达 到发生冲击地压所需要的能量值 ， 未能满足发生冲击 地压的能量判据 ， 因此 ， 该煤体没有可能发生动力破 坏， 无冲击危险。 参考文献 [ 1 ] 宋振骐． 实用矿山压力与控制[ M ] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 8 8 ． [ 2 ] 钱鸣高， 刘昕成． 矿山压力及其控制[ M] ． 北京 煤炭工业 出版 社 。 1 9 9 1 ． [ 3 ] 唐春安， 王述红， 傅宇方著． 岩石破裂过程数值试验[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 孙振武． 煤层厚度局部变化区地应力场分布的数值模拟[ J ] ． 矿 山压力与顶板管理， 2 0 0 3 ， 3 ． [ 5 ] 孙振武， 代进等． 矿山井巷和采场冲击地压危险性的弹性能判据 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 7 ， 8 ． [ 6 ] 谭云亮， 李芳成． 冲击地压声发射前兆模式初步研究[ J ] ． 岩石力 学与工程学报， 2 0 0 0 ， 1 9 4 ．