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第7期 冲击地压在煤厚变化区的发生机制 孙连胜高玉良 （国家能源集团神东煤炭公司寸草塔煤矿， 内蒙古鄂尔多斯， 017000） 摘要 为了研究煤层厚度区在开采过程中对冲击地压发生概率的影响， 基于FLAC3D数值模拟软 件， 分别模拟了工作面和煤厚变化区在不同距离下应力分布规律以及不同煤层厚度变化下煤厚变化 区内支承压力与弹性应变能的分布规律。 研究结果表明， 煤层厚度相同时， 工作面和煤厚局部变化区 的距离从90m逐渐变为20m的过程中， 超前支撑应力将会逐渐向变薄区传递且变薄区储存的能量明 显高于变厚区， 当煤厚分别从8m逐渐变为6m、 4m和2m的过程中， 煤厚变化率越大， 煤厚变化区的应 力集中度也将越大， 由此冲击地压的发生机率也将大幅度提高， 即煤厚变化区发生冲击地压的概率与 煤厚变化率的增加呈正相关。 关键词 煤厚化区冲击地压数值模拟弹性应变 中图分类号 TD324文献标识码 A文章编号 2096-7691 （2020） 07-024-05 作者简介 孙连胜 （1973-） ， 男， 副高级工程师， 1997年毕业于中国矿业大学， 现任国家能源集团神东煤炭公司寸草塔煤矿总工程师， 主要从事 矿井管理和生产工作。 Tel 18647188733， E-mail 10025512 1引言 国内外生产实践证明， 煤层厚度变化区、 背向斜 等地质构造区域对发生冲击地压有显著的影响。 当工 作面推进至煤层厚度局部变化区时， 由于应力集中和 弹性应变能的急剧增加而发生强度较大的冲击地 压 ［1-2］。 煤田经过复杂的长期构造演化和应力场作用， 给煤层厚度变化提供了动力条件 ［3］。 新泰煤田发生了 14次动力灾害事故， 其中9次发生在煤厚变化区 ［4］。 王勇等 ［5-6］仅通过模拟煤层厚度在10m内局部变化 时， 煤壁前方支承压力与弹性应变能的分布规律， 而 未考虑其不同煤厚局部变化区下应力集中程度， 考虑 不够全面。 刘西峰 ［7］等针对煤厚变化区的应力分布规 律进行深入研究， 但是并未对变化区的弹性应变能进 行阐释， 本文通过分析不同煤层厚度以及煤厚变化区 和工作面在不同距离时， 煤壁前方支承压力与弹性应 变能的分布规律， 研究了煤厚变异区冲击地压的发生 机制。 2冲击地压发生过程 冲击地压属于复杂的能量聚集和岩体抛出破坏过 程， 对矿井的安全生产产生很大的威胁， 目前对于冲击 地压的发生力学机制仍处于探索阶段。 专家依据国内外 大量案例研究分析 ［ 8 ］发现岩体应力状态、 地质条件和生 产工艺诸多因素皆对冲击地压的发生有着很大影响。 冲击地压形成因素中， 高应力是其发生的主要因 素， 因此研究其发生机理高应力因素便是重要的切入 点。 矿井高应力的产生主要为埋藏深、 逆断层等初始 地质条件和巷道布置、 高强度开采等采掘工艺2个方 面， 在此高应力条件下大量的弹性应变能积聚在煤岩 体中， 而受采掘扰动， 存储的能量将持续向采掘空间 传递、 释放 ［9］。 由于能量释放的空间分布是不均匀的， 或者集中在某一点或某几点上， 则在这些点上所释放 的能量就有可能克服周围煤岩体的阻力， 从而形成冲 击地压等动力灾害。 3煤厚变化区原岩应力理论分析 煤厚变化区属于一种相变的地质构造， 由于在变 化区段内原岩应力异常， 开采时经常会出现较强的矿 压显现。 图1为煤厚变化构造的物理模型， 当煤岩体 并未受到采掘影响的时候， 顶底板和煤体处于原岩应 力状态， 可以近似为弹簧体， 为了进一步对变化区煤 层冲击地压的发生进行力学机制分析， 构造了简易的 力学模型， 如图2所示。 第18卷 第7期 VOL.18NO.7 2020年7月 Jul.2020 第7期孙连胜等 冲击地压在煤厚变化区的发生机制 上覆岩层 顶板 煤层 底板 应力异常区 工作面推进方向 图1煤厚变化物理模型 岩层 煤层 煤层 AB H O E σ2 σ1 σ2 HRHC σ1 ε 图2煤厚变化力学模型 煤、 岩体串联部分的弹性模量可以表示为 1 E 1 ER 1 EC H HR （1） 式中， ER为岩体的弹性模量， Pa； EC为煤体的弹性 模量， Pa； HR为岩石的厚度， mm； HC为煤体的厚度， mm； H为模型高度， mm。 依据弹性力学的平衡关系可知 σ1ECε（2） σ2Eε（3） 式中， σ1、 σ2分别为煤厚变薄和变厚区域的应力； ε为模型的应变。 通过联立以上三式可得 σ2 σ1 E EC 1 EC ER H HR （4） 由于EC/ER0， H/HR1， 故 EC/ERH/HR1（5） E/EC0时， 煤体具有冲击危险性， 则冲击 启动时， 释放的总能量为煤壁前方各单位体积煤体弹 性余能的总和， 由此提出煤壁前方冲击能量计算公式 ET∑ i1 n Ui-UfminVi∑ i1 n △UiVi（10） 冲击强度与冲击能量ET有着密切的关系， 冲击 能量越大， 释放速度越快， 冲击强度及破坏性就越强。 5.2弹性应变能积聚研究 针对弹性应变能在煤壁前方的变化规律， 取煤体 抗压强度σc15.32MPa， 弹性模量E2.5GPa， 由式 （7） 可得 Ufmin47kJ/m3， 并结合式 （8） 和式 （10） ， 结合8 4m数值模拟监测应力线上各点三向应力取值得到了 煤壁前方应力监测线上弹性煤体冲击能量ET的变化 曲线， 如图8所示。 由图9可以看出， 推进方向由厚向 薄时， 冲击能量表现为非线性快速增加， 其增加速率 越大。 显然， 煤层由厚向薄回采到煤厚变化区时， 由于 煤壁前方积聚的冲击能量会突然急剧增加， 煤体产生 非稳定性失稳破坏时， 极易引发大范围的冲击破坏。 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 1240 5060708090100110120130140150160 煤层中心线坐标 （m） 垂直应力 （MPa） 86m 84m 82m 厚煤层 煤层变化区 薄煤层 图8初始应力下不同煤厚变化应力曲线 01020304050607080 工作面距煤厚变化区距离 （m） 1.5 1.0 0.5 0.0 冲击能量 （MJ） 煤厚变化84m 图9煤厚变异区开采应力演化曲线 当工作面由厚向薄回采时， 超前支承压力由变厚 区向变薄区传递， 处于弹性平衡状态的煤体承受的应 力越高， 存储的弹性变形能就越高， 而煤厚变薄区的 应力比变厚区大， 所以煤厚变薄区存储的能量较变厚 区高， 但能量的传递方向是从高到低， 而超前支承压 力传递到煤厚变薄区时无法正常传递， 造成应力不断 叠加， 形成第二峰值应力。 在煤壁前方2个峰值应力 区会形成2个高能区， 造成存储的冲击能量ET较高， 当冲击地压发生时， 冲击能量在向深部传递的过程中 第二峰值应力区形成的高能区会对其传递过程造成 阻碍， 产生的冲击能量将主要向巷道或者工作面临空 面释放， 冲击地压的影响范围较大。 6结论 （1） 在煤层厚度局部变化区域， 应力集中现象十 分明显， 煤厚变化区的冲击危险程度随着煤厚变化率 的增加呈正相关。 （2） 随着煤层厚度与煤厚变化率的增大， 在煤厚 局部变化区的应力与弹性能的差值明显增大， 该区域 发生冲击地压的程度也逐渐增加， 回采过程中应采取 相应的防冲措施。 （3） 工作面由厚向薄回采， 冲击灾害发生时， 第二 峰值应力区形成的高能区会阻碍能量向煤壁深部传 递， 产生的冲击能量将主要向巷道或者工作面临空面 释放， 冲击灾害范围大。 （4） 工作面由厚向薄回采时， 冲击地压防治的主 要工作是防止煤厚变化区第二峰值应力的产生， 避免 第二峰值应力区形成的高能区阻碍冲击能量向煤壁 深部转移。 参考文献 ［1］史利燕， 孙魁.沉积与构造作用对玉华煤矿4 （-2） 煤层厚度变化 的影响 ［J］ .煤炭技术， 2019， 38 （8） 69-71. ［2］南存全， 丁维波， 吕进国， 等.采动影响下煤厚变异区超前支承压 力变化规律的数值模拟 ［J］ .安全与环境学报， 2018， 18 （6） 2200- 2204. ［3］陈文龙.深井变煤厚沿空顺槽围岩稳定性分析及控制技术研究 ［D］ .山东科技大学， 2018. ［4］ 解建伟. 厚煤层开采冲击地压防治分析 ［J］ . 能源与节能， 2020 （6） 15-16. ［5］王勇， 杨毕， 邓川， 等.煤厚变化对冲击地压影响的数值模拟分析 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （5） 198-201. ［6］陈文龙.深井变煤厚沿空顺槽围岩稳定性分析及控制技术研究 ［D］ .山东科技大学， 2018. ［7］刘西锋， 梁小山.新泰煤矿5号煤层赋存特征及厚度变化原因分 析 ［J］ .四川建材， 2018， 44 （3） 83-84. ［8］宁廷洲， 朱斯陶， 张宇， 等.煤柱下方强冲击特厚煤层防冲开采设 计研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2020， 40 （5） 15-18. 孙连胜等 冲击地压在煤厚变化区的发生机制27 第7期 ［9］姚金鹏， 尹延春， 汤兴学， 等.岩石冲击破坏室内试验方法研究现 状及展望 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （5） 192-196. ［10］魏辉.不同煤岩系统的冲击显现机理及能量演化特征分析 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （5） 197-202. ［11］赵毅鑫， 周金龙， 刘文岗.新街矿区深部开采邻空巷道受载特征 及冲击失稳规律分析 ［J］ .煤炭学报， 2020， 45 （5） 1595-1606. Occurrence Mechanism of Rock Burst Where Coal Thickness Changes Sun Liansheng，Gao Yuliang （Cuncaota Coal Mine，CHN Energy Shendong Coal Group Corporation，Erdos，Inner Mongolia，017000） AbstractTo understand the effect of coal thickness varying areas on the probability of occurrence of rock burst，the numerical simulation software FLAC3D is applied to simulate the distribution rules of stress in the working face and the coal thick varying areas in different distances，and that of the support pressure and the elastic strain energy in the coal thick varying areas with different thicknesses. The results from the research demonstrate that，in the case of the same coal thickness，in the process of the distance between the working face and the coal thickness locally varying area becoming from 90m to 20m gradually，the fore support stress will spread gradually to the thinning area and the energy stored in the thinning area is obvi⁃ ously higher than that in the thickening area，and in the process of the coal thickness turning from 8m to 6m，4m and 2m gradually，the higher the change rate of the coal thickness，the bigger the stress concentra⁃ tion in the coal thickness varying area，thus the probability of occurrence of rock burst soaring，i.e. the probability of occurrence of rock burst is positively correlated to the increase of the change rate of the coal thickness in the coal thickness varying area. Key WordsCoal thickness varying area；Rock burst；Numerical simulation；Elastic strain （收稿日期 2020-06-07责任编辑 穆建玲） Analysis and Application of Supports for Fault-crossing Driving in Large-section Roadway Feng Lei （Halagou Coal Mine，CHN Energy Shendong Coal Group Corporation，Shenmu，Shaanxi，19315） AbstractTo address the difficult in fault-crossing driving and support in large-section roadways，the road⁃ way at the intersection between the faults 13L 15 L in the transmission crossheading for the working face 22303 of Halagou Coal Mine is selected for the research，theoretical analysis and numerical simulation are combined，and the numerical simulation software FLAC3D is used to analyze the distribution rules of stress field and displacement field during the fault-crossing driving there and building on this，the support scheme for the working face 22303 during fault crossing is optimized. The research demonstrates that during driving in faults，stress concentration occurs at the top angle of Zhenbang （fault interface） ，the stress concentration factor is 2.36，and a stress reduced area“like an inverted pot cover”occurs in the top and the Fubang， where the reduction ranges between 0 and 1 m，the max. subsidence at the roof is 2.42 mm，the max. swell in the bottom plate is 1.57 mm，the max. deation 2.19 mm and 2.13mm for Zhengbang and Fu⁃ bang respectively. The engineering practices show the“anchor bolt anchor cable reinforcing mesh”rein⁃ forcement support measures can effectively control the wall rock deation. Key WordsLarge-section roadway；Fault-crossing driving；Numerical simulation；Roadway support （收稿日期 2020-06-07责任编辑 穆建玲） （上接第23页） 28