吉林临江市永安煤矿煤层冲击倾向性数值模拟

王世娟，潘一山，李忠华，李国臻，阎海鹏

（辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

冲击倾向性是指煤岩体能够积聚弹性应变能并在超过其本身的强度后会突然释放出来时的各种物理力学性质的总和。冲击倾向性是产生冲击地压的煤岩体的固有属性，决定了煤岩体产生冲击地压的能力，是发生冲击地压的内因，也是必要条件［1－3］。大量的现场调查表明，单纯依靠煤样冲击倾向性测试结果来判别冲击地压是否发生是远远不够的，应进行工程地质调查，充分考虑地质构造条件等影响因素，并辅以必要的数值模拟计算等手段，进行综合判别［4］。临江市永安煤矿大湖矿区煤层在走向、倾斜上均发育有宽缓褶皱，并有较多大中型和小型断层，构造类型应属中等构造类型。近年来在采掘过程中矿山动力现象比较明显，给生产和安全带来了严重威胁。因此，对煤层进行冲击倾向性数值模拟研究，分析矿区水平应力、垂直应力大小及分布规律，预测其冲击倾向性研究是十分必要的［5－6］。

1 冲击倾向性决定因素

冲击地压的自身规律显示，煤层本身具有冲击倾向性时，开采中都可能发生冲击地压，冲击地压又都发生在高应力集中区的煤岩体上。因此，寻找冲击地压的危险区域，首先要判定煤层冲击倾向性、煤岩体的高应力区域。确定了高应力区域，也就确定了易于发生冲击地压危险区域。当然，在高应力区域内，并不是每一处都要发生冲击地压，因此还要依据煤体的自身物理力学性质、与周围生产的关系、地质构造特点、所采取的降低煤体应力措施的效果等有关联。

依据地质条件判别法、经验类比法综合判断，矿井的高应力区主要集中在：

（1）地质构造复杂的变化带处（如向斜轴部及背斜两翼、煤层厚度急剧变化带、活动断层两侧），火成岩侵入体两侧不仅地应力高，且集聚高瓦斯压力，也是典型高应力区。

（2）具有弹性能煤柱的上、下方。

（3）开采支撑压力增高区，由于应力的增高变化，往往受外界微小扰动而失稳破坏，也是冲击地压危险地带。

（4）对于瓦斯煤层，瓦斯压力或瓦斯含量增高区。

依据上述判断高应力区的原则，结合采区开采过程中的地质、开采条件，确定冲击地压危险区域如下：

Ⅰ类：无冲击倾向。

Ⅱ类：冲击地压危险区域（一般冲击危险区）：回风道、皮带道、工作面、掘进巷道；

Ⅲ类：冲击地压危险区（严重冲击危险区）：穿越向、背斜轴处的巷道；接近向、背斜轴部的采面；采面前方 20 ～60m 的巷道处［7－8］。

2 数值模拟

2.1 地质概况

大湖矿区基本走向为东西—北东东向，总体向北倾斜的舒缓波状不完整向斜构造，倾角最大44°，最小接近水平，一般倾角20°～29°，由于受边缘 F2逆断层和后期构造运动影响，北部边缘和区内出现较凸缓的背斜构造，使该区煤层构造及产状有所复杂化。本区含煤岩系为中生界侏罗系上统石人组下段，现将煤层及其顶底板特征简述如下：（1）Ⅲ上层煤：煤厚2m，直接顶板为页岩，厚10m，老顶为粉砂岩，Ⅲ上层煤底板为粉砂岩，底部即Ⅲ下层顶板为粉砂岩，厚7.69m。（2）Ⅲ下层煤：煤厚1.9m，底板即Ⅱ层顶板为粉砂岩，厚度为18.1m。（3）Ⅱ层煤：煤层厚度为3.08m，底板为中细砂岩。

2.2 数值模型的建立

为分析大湖矿区地质构造的影响，模拟该矿区垂直应力、水平应力大小及分布情况。基于ANSYS有限元软件根据第7勘探线地质剖面图建立有限元弹塑性本构模型，采用 Drucker-Prager屈服准则进行计算［9－11］。通过现场取样，在实验室测得煤层和岩石的力学参数（表1）。模型长宽为1200m×800m，底端固定约束，左右两侧均为X向约束，整个模型考虑自重。所设模型距地表333m，则模型顶面受铅垂地应力 8.48MPa［12－13］。模型图如图 1。

图1 模型图Fig.1 Illustratonofm odel

3 结果分析

图2为水平方向应力图。不同色块代表不同的应力值，等值色块单位为应力单位Pa，仅表示变化趋势，不具有绝对意义。图中各种色块代表的应力包括压应力和拉应力，也就是从图中最下边的应力变化轴上显示，压应力值是由中间向左端逐渐增大，拉应力值是由中间向右端逐渐增大，以下各图一样。

表1 模型主要参数表Tab le 1 The m ain param eters of the m odel

图2 水平应力分布Fig.2 Con tour m ap of horizon tal stress distribution

从图2可知水平应力整体变化不大，集中位置主要出现在煤层褶皱和尖灭附近，在Ⅱ层煤尖灭处值较大。在煤层褶皱、尖灭、模型边缘处出现应力最值区，在模型右边界Ⅲ下、Ⅱ层煤下端面产生最大水平压应力，值为 15MPa。

从图3可知垂直应力分布的总体趋势是随深度的增加而逐渐增大，最大垂直压应力出现在150m水平附近的Ⅱ层煤下尖角处，最大应力值37.7MPa。同一标高的剖面上垂直应力变化很大。

（1）沿－200m标高的剖面：垂直应力最大值在模型右边界处，最大值为26.1MPa；垂直应力最小值在距模型右边界200m处，最小值为20.7MPa；在距模型左边界约200m的范围内，垂直应力变化很大，最大值与最小值之间相差约5.4MPa；在煤层附近，垂直应力相对较小，远离煤层的区域，垂直压应力随与煤层距离的增加而逐渐增加，逐渐达到自重压应力。

（2）沿0m标高的剖面：垂直应力最大值在距模型左边界118m处，最大值为19MPa；垂直应力最小值在距模型右边界300m处，最小值为17.3MPa；垂直应力变化不大，最大值与最小值之间相差约1.7MPa；在煤层附近，垂直应力相对较小，远离煤层的区域，垂直压应力随与煤层距离的增加而逐渐增加，逐渐接近自重压应力。

（3）沿150m标高的剖面：垂直应力最大值在距模型左边界160m处，最大值为18.8MPa；垂直应力最小值在距模型左边界165m处，最小值为8.6MPa；在包含Ⅱ层煤尖灭尖角的5m范围内垂直压应力骤变，最大值与最小值之间相差约10.2MPa；在Ⅲ煤层附近，垂直应力相对较小，远离煤层的区域，垂直压应力随与煤层距离的增加而逐渐增加，逐渐达到接近自重压应力。

图3 垂直应力分布Fig.3 Con tour m ap of vertical stress d istribu tion（图（c）、（d）、（e）中横坐标O点位置为所取剖面的中点）

4 结论

（1）对临江市永安煤矿大湖矿区Ⅱ层、Ⅲ上和Ⅲ下煤层进行分析，得出水平应力、垂直应力大小及分布规律。高应力集中区都出现在地质构造复杂的变化带处——向斜轴部；煤层厚度急剧变化带——煤层尖灭处。水平应力最大值与垂直应力最大值均出现在尖灭与煤层交汇处。水平应力最大值接近自重应力，垂直应力最大值约为自重应力的1.8倍。

（2）影响应力分布的因素主要包括两个方面，一方面是煤层褶皱，另一方面是尖灭的影响。由于煤层褶皱，造成沿煤层倾向垂直位移梯度、水平应力梯度、垂直应力梯度和剪应力梯度都很大，随埋深的增加而增加；由于存在尖灭的影响，在尖灭周围应力梯度更大。

（3）虽然对煤层褶皱、尖灭处试样的力学性质与动态破坏特性的试验研究，显示其具有较弱的冲击倾向，但由于复杂构造条件的影响，开采时由于应力的增高变化，往往受外界微小扰动而失稳破坏，所以煤层的冲击危险性较强。

（4）结合煤样冲击倾向性测试，进行工程地质调查，充分考虑地质构造条件影响因素，并辅以必要的数值模拟计算手段，进行综合判别，具有一定参考价值。

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