巨厚煤层应力集中诱发冲击矿压的作用机理.pdf

2 0 0 9年第 7期 煤炭工程 巨厚煤层应 力集 中诱发冲击矿 压 的作用机理 窦凤金，屠世浩，吴 其 中国矿业 大学 煤 炭资源与安全开采 国家重点实验室 ，江苏 徐 州2 2 1 0 0 8 摘要 针对千秋煤矿 2 1 2 0 1工作面高地应力、巨厚 、易燃复杂地质条件下冲击矿压频发的 现 状 ．采 用 F L A C 软件 模拟 了3 - 作 面超前 支承应 力与 相 邻 工作 面采 空 区侧 向 支承应 力叠 加后 形 成动态应力场的变化规律。结果表 明，在工作面前方局部区域产生3 ． 3倍于原岩应力的垂直集中 应力，在较 高的动态集中应力作 用下，煤体聚集 了大量的弹性能，且该区域附近形成变化较 大的 错动剪应力，一定程度上加剧煤体破坏而引发 冲击矿压。 关键词深部开采 ；巨厚煤层 ；F L A C ；冲击矿压 中图分类号 T D 3 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 7 - 0 0 7 5 -04 St r e s s c 0 nc e n t r a t i 0 n r o l e me c ha n i s m o f ul t r a t hi c k s e a m t o c a us e p r e s s u r e bu mpi n g D O U F e n g j i n ，T u S h i h a o ，wU Q i S t a t e K e y L a b o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t y Mi n i n g ， C h i n a U n i v e r s it y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r o c k b ump i ng f r e qu e n t l y o c c u r r e d s t a t u s un d e r t h e h i g h s t r e s s，u l t r a t h i c k s e a m，s p o nt a n e o us c o m b u s t i o n c o m p l i c a t e d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n 2 1 2 0 1 c o al mi n i n g f a c e o f Q i a n q i u M i n e ， t h e F L A C s o f t w a r e w a s a p p l i e d t o s i mu l a t e t h e v a r i a t i o n l a w o f t h e d y n a mi c s t r e s s fie l d f o r me d b y t h e pi l o t s u pp o s t r e s s o f t h e c o a l mi n i ng f a c e p l us wi t h s i d e s u p p o s t r e s s o f t h e g o a f o f t h e a d j a c e n t c o a l m i n i n g f a c e s ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a v e r t i c a l c o n c e n t r a t e d s t r e s s 3 ． 3 t i me s o f t h e o r i g i n a l r o c k s t r e s s o c c u r r e d i n t h e f r o n t a r e a o f t h e c o a l mi n i n g f a c e ． Un d e r t h e f u n c t i o n o f t h e h i g h d y n a mi c c o n c e n t r a t e d s t r e s s，t he c o a l b o d y wo u l d a c e un ml a t e g r e a t e l a s t i c e n e r g y a nd a l a r g e v a r i a t i o n d i s pl a c e me n t s h e a r i n g s t r e s s wo u l d b e f o r me d n e a r t h a t a r e a． Th e r e f o r e t h e c o a l b o d y f a i l e d i n c e r t a i n de g r e e c o u l d c a us e t he r o c k b u mpi n g ． Ke y w o r d s d e e p m i n i n g ；u l t r a t h i c k s e a m；F L A C -j I J ；p r e s s u r e b u m p 冲击矿压是开采过程中诱发并伴有微震活动和弹性能 突然释放的煤岩体结构破坏的过程 。其 发生机理 十分复杂 ， 国内外学者 从不 同角度 提 出 了诸如 强 度理 论 、刚 度理 论 、 能量理论、冲击倾向性理论、三准则理论和系统变形失稳 理论等 。其实质就是应 力集 中导致 裂纹扩 展 和变形 而产 生 的失稳现象 ，与岩石介 质 的力学性 质 和集 中应 力场 的演 化 与失稳密切相关 。 冲击矿压发生 的影响 因素较 多 ，目前 还没 有能够 对 于 其发生的时间 、地点 和强 度进行 定量 判定 的方法 ，只能在 一 定程度上定性的预测预报。论文中采用 F L A C 数值软件 模 拟了工作 面超 前支承应 力和 相邻工 作 面采空 区侧 向支承 应力等叠加后形 成动 态应 力场 的演化 过程 。分 析垂直 应力 和剪应力对煤层大量弹性能的聚集和突然释放的作用机理， 得出一些有 益的结论 ，有 助于进一步认识 和防治冲击矿压 。 1工作面 概况 千秋矿 2 煤 为主采 煤层 ，平 均厚 度 1 3 ． 8 m。煤层 极 易 自燃 ，自然发火期最短 1 5 d 。井 田为单 斜构造 ，构造类型简 单 ，冲击矿压 主 要表 现 为重 力型 冲击。随 采 深不 断 加大 ， 冲击矿压发生 的频率 和强 度都 有所增 长 。在 回采 2 0 0 2 1工 作面时 ，先后 四次发生 冲击矿 压 ，最严 重 的一次摧 毁巷 道 4 3 ． 5 m、崩倒支架 8 8架 、突 出煤量 1 0 0多 吨 、煤层 塌落 最 厚处达 1 ． 7 0 m，严重影 响正常生产 。 2 1 2 0 1 工作面位于矿井二水平 2 1采区，北接 2 1 1 8 1工 作面采空 区，南边为实体煤 ，工 作面倾斜 长度 1 3 0 m，运 输 巷中约9 0 0 m沿空掘巷，平均采深7 3 5 m，煤层厚度 1 0 ． 6 3 6 ． 5 m，平 均 1 9 ． 8 m。由于瓦斯 、煤层 自然发火 等复杂地 质 因素，分层开采管理难度非常大，故采用综采放顶煤一次 采全 高开采技术。 由于采深较大 ，冲击 矿压现象 尤为明显 。 工作 面布置见图 1 。 2冲击矿压动力冲击性分析 许多学者认为，质点运动速度是衡量物体运动的最好 标尺，破碎煤岩体向自由空间抛出的动能很大程度上取决 收稿 日期 2 0 0 9 0 41 6 作者简介窦凤金 1 9 8 4一 ，男，陕西横山人，中国矿业大学硕士研究生 ，从事采矿方面的研究。 7 5 煤炭 工程 2 0 0 9年第 7期 于破碎煤岩体的平均初速度。研究资料表明， 。 l O m ／ s 时 ，肯定是 冲击矿压 。 以煤岩体作为研究对象 ，则需要聚集的动能至少为 E ⋯ { ， 式 中 p 为 抛 出 破 碎 煤 岩 体 的 平 均 密 度 。 - 2 1 2 0 1 工 作面主要以煤体突出为主，P1 4 5 0 k g ／ m ；由此计算在该 0 0 。 c 寸 。。 0 0 ＼ 。 寸 o。 n 0 0 寸 t “ q 时 。。 地质条件下发生冲击矿压所需最小的动能 E 7 ． 2 5 1 0 J ／ m 。煤体聚集的弹性能可用形状变形能 和体积变形 能 E 表示 ，假设应力超过煤体的强度极限取决于形状改变 聚集的能量 ，则动力冲击的初始动能取决于煤体体积改 变聚集 的能量 E 。 3 7 5 7 3 0 0 0 3 7 5 7 3 2 0 0 3 7 5 7 3 4 0 0 3 7 5 7 3 6 00 3 7 5 7 3 8 0 0 3 7 5 7 4 0 0 0 37 5 7 4 2 0 0 3 7 5 7 4 40 0 ● 北 轨 道 顺 槽 l 女 盔 J L． 运输顺槽 瓦斯高抽站 运输顺槽 ‘ f 2 1 2 0 1 ．作面 轨道顺槽 - n 2 1 2 2 1 工 作面 2 1 2 叭 工 作面U 图 1 2 1 2 0 1工作面布置图 』 d y [ lo r 2 lor 3 。 or 2一or 3 ] J 式中 、 煤体 的剪应变和正应变 ； l 、or 2 、r ， 3 三向主应力 ； 运动速度； C 、 ～煤体的剪切模量和弹性模量。 在未开采前煤体原岩应力状态可认为 orl 【 z y h 采掘活动以后应力重新分布 ，其应力状态可认为 r 1 k y h { 2v k y h 【 0 式 中h为开采 深度 ，2 1 2 0 1工 作 面平均 采深 为 7 3 5 m；实 验室测得 0 ． 3 0 5 ；煤体 的弹性模 量 E 2 ． 0 4 G P a ；一般情 况下，工作面前方支承应力集中系数 3 。 由此分别算得两种状态下煤体的形状变形能 和体积 变形能 E 原岩状态下 r 2 ． 9 7 x 1 0 J ／ m ，E 3 ． 5 1 1 0 J ／ m ；应力重新分布后 4 ． 7 21 0 J ／ m ，E 9 ． 7 9 1 0 J ／ m 。该能量下产生的初速度 l 1 ． 6 m ／ s ，由此可知， 当工作面开采过程中应力集中系数超过2 ． 5 6时，煤体已经 具有动力冲击性，假如煤体的变形能超过其强度极限，则 在不采取相应措施的情况下 ，必然发生冲击矿压 。 3 复杂应力场的三维数值模拟 3 ． 1 模型建立及参数选取 7 6 模型以2 1 2 0 1 综放工作面及其相关地质资料和工作面 布置为依据 ，建立了基于 F L A C 程序的三维计算模型。模 型长度为6 0 0 m，宽度为4 0 0 m，整个模型共由 1 8 6 7 5 0个块 体和 2 0 9 2 0 2个节点组 成 。在最 大程 度 的网格 细化基 础上 ， 为得到更好的后 处理效 果 ，在水 平的两个 方 向都 采用均匀 网格划分，为提高计算效率，在垂直方向上煤层的顶底板 网格划分按一定的比率逐渐增大，见图 2 。 图 2 数值模拟计算三维模 型图 煤岩力学性能参数 由 中国矿业大 学岩层控制 实验 中心 试验室测试所得，煤岩的采样按照 煤和岩石物理力学性 质测定的采样一般规定M T 3 8 8 7的规定执行，试验测试 的主要内容有 2 1 2 0 1 工作面顶底板岩体包括 2 煤 的基本物 理力学参数。将试验测试的结果结合现场材料，最终确定 模拟计算采用的煤岩力学参数见表 1 。 3 ． 2 数值计算结果分析 3 ． 2 ． 1 垂直应力分析 图3 、图 4分别是工作面推进到 2 0 0 m和 3 0 0 m时煤层 垂直应力分布情况，从图上可知 1 由于掘进引起巷道围岩变形使得部分能量释放，在 沿巷道方向形成较窄的应力降低区，该应力降低区对于缓 解巷道型冲击矿压起到一定作用。 2 在工作面前方支承压力和相邻工作面采空区侧向支 承应力相互作用下，运输巷道内侧附近超前工作面 1 O～ 2 0 0 9年第 7期 煤炭 工程 3 0 m范 围 内，形 成 明显 的 应力 增 高 区。在 工 作 面 推 进 到 2 0 0 m、3 0 0 m时分别达到 6 5 ． 7 M P a和 5 9 ． 3 M P a ，应力集 中系 数分别达 3 ． 3和3 ． 0 。在较大的垂直应力作用下，煤体聚集 了大量 的弹性 能 ，在工 作面 回采 时 ，该 区域 运输 巷超前 支 护采用了长锚索、u型钢、单体支柱等多种支护手段 ，巷 道变形依然非常严重。 表 1 数值 计算 的岩体力学参数 6 O 凸一 4 0 2 0 0 图 3 工作面推进 2 0 0 m 时垂直应 力分布 O 图 4 工作面推进 3 0 0 m时垂直应力分布 3 整个应力场随着工作面推进不断向前移动，应力峰 值也有所不同 ，尤其在 初次来 压 和周期 来压 时应力 集 中程 度更高，发生冲击矿压的几率也更大。 3 ． 2 ． 2 剪应力 分析 图 5 、图 6分别为工作面推进 2 0 0 m时垂直应 力与两个 水平应力作用形成的剪应力 ，从图 中可 以看 出 1 最大剪应力 出现在垂直应力集 中区域 ，垂直应 力集 中程度越高 ，剪应 力越大 。工 作 面前方靠 近运 输巷 附近 剪 应力最大可达 6 ． 3 5 M P a ，最小值为 一 4 ． 5 8 MP a ，两峰值相差 不到 l O m，剪应力在近距离内由最大值变为最小值，且随 着工作面推进不 断向前 移动 ，对 于工作 面煤 体极 易形成 剪 切破坏，而该区域煤体受压聚集了大量的弹性能，在破坏 的瞬间形成冲击矿压。该工作面开采 以来 ，已发生多起冲 击矿压 ，在 2 0 0 7年 6月 5日 1 3时和 6日 1 2时 发生 的冲击 矿压比较严重 ，造成工作面瓦斯超限、割煤机轻度损坏等。 1 委． 晷 ． -1 。 主 瘟R 图 5 工作面推进 2 0 o re时剪应 力分布 图 6 工作面推进 3 0 0 m时剪应力分布 2 沿运输巷和轨道巷都形成了明显的剪应力带 ，由于 运输巷采用沿 空掘 巷 ，小煤柱 已基 本塑 性发育 ，应 力集 中 程度较小，剪应力在实体煤侧的急剧增加 ，加之 2 1 1 8 1工 作面采空 区侧 向支 承应 力共 同作用 ，成为 冲击矿 压频发 的 区域 。其主要表 现为煤 炮 ，轨 道巷应 力集 中程 度较 弱 ，煤 炮也时有发生 ，但相对较少 。 4结论 1 通过煤层动力冲击指数分析 ，当2 1 2 0 1 工作面回采 过程中煤体应力集中系数超过 2 ． 5 6时，煤体已经具有动力 冲击性 。 2 从数值模拟结果来看 ，垂直应力在工作面前方支承 应力 和相邻 工作面采 空区侧 向支 承应力 相互叠 加的 区域 集 7 7 煤炭 工程 2 0 0 9年第7期 特厚冲积层矿井竖向局部保温冻结 技术研究与应用 王晓健 ，程 桦 ，姚直书 ，荣传新 1 ．安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ． 安徽建筑工业学院，安徽 合肥2 3 0 0 2 2 摘要 煤炭深部资源开采过程 中，采用局部保 温冻结技术的特殊凿井法逐步得到应用并显 示出较大优越性。文章结合特厚冲积层矿井冻结工程 ，给 出局部保温冻结设计的优化计算；提 出 采用合理的局部保温方案。特厚冲积层上部和下部的冻结壁厚度、冻结壁位移等均能满足施 工 要 求 。 关键词 特厚冲积层；局部保温；径向位移 中图分类号 T D 2 6 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 7 - 0 0 7 8 - 0 3 Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f mi n e v e r t i c a l pa r t i a l i ns u l a t i o n f r e e z i ng t e c h no l o g y i n s u pe r - t hi c k a l l uv i u m WA N G X i a o j i a n ，C H E N G H u a ，Y A O Z h i s h u ，R O N G C h u a nx i n 1 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，An h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． An h u i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d I n d u s t r y H e f e i A n h u i 2 3 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r ac t Du r i n g t h e pe r i o d o f e x p l o r i ng o f c o a l i n d e e p a l l u v i u m ， a p p l i c a t i o n o f s p e c i al s i nk i ng me t h o d wh i c h us e p a r t i a l i n s u l a t i o n f r e e z i n g t e c h n o l o g y h a s s h o w t h e a d v a n t a g e s ． T h e p a p e r g a v e o p t i ma l c a l c u l a t i o n o f p a r t i a l i n s u l a t i o n fr e e z i n g d e s i g n t o g e t h e r wi t h fr e e z i n g e n g i n e e r i n g t o c o a l s h a f t i n s p e c i a l d e e p all u v i u m． A r e a s o n a b l e p a r t i al i n s u l a t i o n p l a n wa s p r o p o s e d ． T h i c k n e s s a n d d i s p l a c e me n t o f fr o z e n w a l l c a n f u l fi l l w i t h t h e d e ma n d o f c o n s t r u c t i o n i n t h e t o p a n d b o t t o m o f s p e c i a l d e e p all u v i u m． Ke y wo r d s s p e c i a l d e e p a l l u y i u m ；p a r t i a l i n s u l a t i o n ； r a d i a l d i s p l a c e me n t 。 扩 。 矿、 矿 中程度较高 ，最大 为 6 5 ． 7 MP a ，使得 煤体 聚集 了大量 的弹 性能 。 3 剪应力始终伴随着垂直应力出现，且随着垂直应力 的增大而增大，剪应力正负峰值距离极近，随着T作面推 进，形成不断错动的剪应力破坏带 ，加剧了冲击矿压的 发生。 综上所述 ，工作面前方 靠近运输 巷 附近 以及沿 空掘进 的运输巷成为 冲击矿压发生危 险区域和重点防治区域 。 参考文献 1 ] 窦林名 ，何学秋． 冲击 矿 压防 治理论 与技 术[ M] ．徐 州 中国矿、 啦大学出版社 ，2 0 0 1 ． 2 ] 郭玉龙，任高峰．三维有限元数值模拟在采空区稳定性评价 78 中的应用 [ J ] ．西部探矿工程 ，2 0 0 5 ， 3 2 0 4 ～2 0 6 ． [ 3 ] 谢文兵，郑百生．变形局 部化对引发冲击矿压 的分析 [ J ] ． 采矿与安全学报 ．2 0 0 8 ， 4 4 6 7～ 4 7 1 ． [ 4 ] 赵本均．冲击地压及其防治 [ M] ．北京煤炭工业出版社 ， 1 9 9 5． [ 5 ] 窦林名 ，赵从 国，杨思光 ，等．煤矿开采冲击矿压灾害防治 [ M] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 6 ． [ 6 ] 张 晓春 ，缪协兴 ，杨挺青．冲击矿压 的层裂板模 型及试验研 究 [ J ] 岩石力学与工程学报 ，1 9 9 9，1 8 5 4 9～ 5 0 2 ． [ 7 ] 潘一 山，李忠华 ，章梦涛．我国冲击地压分布 、类型 、机理 及 防治研究[ J ] ．岩 石力 学与工 程学 报 ，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 8 4 _4 ～l 8 5 1 ． 责任编辑马光辉 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 2 3 基金项目安徽省高等学校省级优秀青年人才基金立项项 目 2 0 O 9 S Q R Z O 6 8 ；安徽省优秀青年科技基金资助项 目 0 8 0 4 0 1 0 6 8 2 8 ；安徽理工大学硕士 、博士研究生资助项 目 2 0 0 6 y b 2 1 作者简介王晓健 1 9 7 8一 ，男 ，安徽肥东人 ，安 徽理 工大学 博士研 究生 ，主要从 事煤 矿地下 工程方 向教 学和科 研 工作。