急倾斜煤层开采冲击危险性数值模拟研究★

于丽艳 盖芳芳 于月民

(黑龙江科技大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

·岩土工程·地基基础·

急倾斜煤层开采冲击危险性数值模拟研究★

于丽艳 盖芳芳 于月民

(黑龙江科技大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

对北京昊华能源股份责任公司的长沟峪煤矿的急倾斜煤层进行三维数值模拟，利用ANSYS有限元软件单元“处死”的功能真实模拟4槽工作面的开挖过程，对沿巷道走向和沿煤层走向推采不同距离时的塑性应变云图和应力云图进行分析，得出数值模拟结果与现场实际开采情况基本吻合，说明ANSYS有限元数值模拟方法可为冲击地压的防治工作和煤矿的安全开采提供参考。

急倾斜煤层，冲击危险性，三维数值模拟

0 引言

冲击地压[1-4]是全球范围内岩石工程及煤矿中遇到的最为严重的自然灾害之一，冲击地压发生时煤体坍塌、崩落、巷道底板发生底鼓、顶板下沉、巷道支护物破坏等现象，并造成人员伤亡，严重威胁井下安全生产，是煤矿井下开采过程中严重的灾害之一，是目前国际采矿工程和岩石力学界迫切需要研究解决的科学难题。我国的急倾斜煤层分布较广泛，在南部地区80%的矿山赋存急倾斜煤层。在地方和乡镇煤矿中急倾斜煤层的矿井数约占37.58%，产煤量占7.0%，国有重点煤矿开采急倾斜煤层的矿井数占17%，产煤量占3.88%。随着采深的增加，由于急倾斜煤层地质条件比较复杂，开采时易发生冲击地压现象，这已成为制约我国煤矿安全生产的重大灾害之一。鉴于此在开采前结合矿区地质条件用数值模拟方法判断出煤层的冲击危险性是很有必要的，这样可为煤矿的安全顺利开采提供保障，为预测和防治冲击地压提供依据[5-7]。

1 冲击危险性的判定原则

冲击地压自身规律显示，冲击地压通常发生在应力值比较高且集中的煤岩体上。因此要判断煤岩体哪个区域的冲击危险性大，首先要判定煤岩体哪个区域的应力值比较大，煤岩体高应力区域确定了，易于发生冲击地压的危险区域也就确定了。当然在应力比较高的区域，并非每处都要发生冲击地压，只是此处冲击危险性较大，至于开采时是否发生冲击地压还要根据煤岩体本身的物理力学性质、所处的地质构造特点、开采时的生产条件以及为降低煤岩体应力所采取的措施等有关。

依据生产的技术条件、经验及地质条件综合判断矿井的高应力区[8-11]主要集中在：

1)采空区周围，工作面前方回采巷道或其他巷道。

2)本层或邻层的开采边界或遗留煤柱影响区。

3)地质构造比较复杂处如向斜轴部、断层、褶曲、煤层突变处、火成岩侵入体两侧。

4)煤矿开采形成的垂直应力集中处，开采支撑压力增高处，由于应力发生变化，受外界微小干扰而发生失稳破坏，此处为冲击地压危险区域。

2 三维数值模拟

2.1 地质概况

采区位于长沟峪向斜南翼,为单斜地层,该区地质构造属于较简单类型，煤层的倾角为45°～80°，平均倾角为55°，在向斜轴部附近倾角比较小，为45°左右。采区4槽煤层最小厚度为0.05 m,煤层最大厚度为7 m,平均煤厚3.3 m,平均倾角为55°, 煤层厚度较为稳定,大部分可采，基本为单层结构,局部为双层结构,地质储量29.4万t,可采储量18.6万t。底板为粉砂岩,厚度10.7 m；老顶为砂岩,厚度22.0 m; 直接顶为粉砂岩,厚度15.0 m;伪顶为粉砂岩,厚度0.5 m。

2.2 三维数值计算有限元模型

据回采巷道地质、煤岩等条件在回采巷道推进方向建立煤层的三维数值计算有限元模型。为了减少模型边界效应的影响，在模型垂直方向上取200 m，模型走向方向上取200 m,厚度取100 m。模型左右端面和背面施加平面约束，模型底部端面固定，模型顶部和正面为自由面。取模型上边界距地表575 m,在模型上部施加均布载荷14.37 MPa，在模型左右端面施加载荷16.78 MPa,并且考虑自重[12-14]。

建立三维数值计算有限元模型，如图1所示。

2.3 三维数值计算所取参数

数值计算所用的煤岩层的物理、力学参数以力学实验结果和现场地质调查给定,具体见表1。

表1 三维数值计算参数表

2.4 三维数值计算结果与分析

由图2可以看出应力集中区都出现在开采工作面的上下端。随着沿巷道走向逐渐推进，应力集中区域也随之向里扩展，即工作面上下端头具有一定的冲击危险性。

通过图3可以看出塑性变形出现在煤层与底板交界处和工作面上、下端头，随着开采推进，塑性应变出现的范围在逐渐扩大，最大塑性变形都发生在工作面上下端头。

由图4可知,未开采时垂直应力为压应力，大小分布的总体趋势均匀，在煤层倾角较大处容易出现应力升高区和应力降低区，如模型倾角大的上下底板处，急倾斜煤层的存在导致应力集中的产生。整个模型应力值都不大，应力最小值出现在底板和煤层边界处，最小应力值5.73 MPa，相对大的应力值出现在老顶处，值为54.3 MPa，且范围很小。

由图5可以看出：

1)虽然沿煤层走向推采距离不同，但应力集中的区域出现在同处，最大的拉应力区出现在工作面下端处，最大压应力区出现在工作面上端处。

2)推采15 m时压应力最大值为55.8 MPa，拉应力最大值为10.5 MPa；推采25 m和35 m时应力值减小，推采45 m时应力值又增大为53.5 MPa，8.9 MPa。在推采不同距离时应力值变化不大，原因是在数值计算过程中没有忽略支护的作用。

3)工作面下巷临近工作面65 m范围内和工作面上端头25 m的范围内区域应力值会比较大，为高应力区域，此区域冲击危险性大。

3 结语

1)通过对长沟峪煤矿向斜南翼4槽煤层沿巷道走向和沿煤层走向推采不同距离时的三维Y向塑性应变云图和三维垂直应力云图分析可知：在工作面下巷临近工作面65 m范围内和工作面上端头25 m范围内为高应力集中区，此处冲击危险性大，是发生冲击地压的危险区域。

2)运用ANSYS软件对长沟峪煤矿急倾斜煤层开采进行了三维数值模拟计算，找到了开采时冲击危险性大的区域，这一模拟结果与开采实际基本吻合,说明数值模拟可为煤矿的安全开采和冲击地压的防治提供借鉴。

3)急倾斜煤层大多数具有冲击倾向性,为了达到预防冲击地压事故发生的目的,在开采前必须进行相关实验研究,确定煤层冲击性的强度，根据实验结果并结合数值模拟结果确定相对危险的区域，开采时采取相应的措施，确保急倾斜煤层的安全开采。

[1] 潘一山.冲击地压发生和破坏过程研究[D].北京:清华大学，1999.

[2] 潘一山，徐秉业.冲击地压定量预测的研究[J].煤矿开采，1998(3):35-38.

[3] 李忠华，潘一山.采煤工作面冲击地压的解析分析[J].辽宁工程技术大学学报，2002，21(1):40-42.

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

[5] 王世娟,潘一山，李忠华，等.通化八宝矿煤层冲击倾向性实验与数值模拟[J].中国地质灾害与防治学报,2010,21(3):105-108.

[6] 邓利民,张 芳，于 华.倾斜煤层冲击地压危险状况的数值模拟研究[J].辽宁工程技术大学学报，2001，20(4)：455- 456.

[7] 关 杰，孙可明，朱月明.急倾斜煤层开采解放层防治冲击地压数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报，2002，21(4):411-413.

[8] 王永秀，齐庆新.煤柱应力分布规律的数值模拟分析[J].煤炭科学技术，2004，3(10):59-62.

[9] 毛德兵.冲击矿压发生危险性评价方法[J].煤矿开采,2000(4)：52-53.

[10] 李英杰，潘一山，唐巨鹏，等.五龙矿冲击地压危险区划分研究[J].矿山压力与顶板管理，2005(1):94-96.

[11] 于丽艳,潘一山，李忠华，等.吉林省道清矿北斜井南平峒煤层冲击危险性数值模拟[J].中国地质灾害与防治学报, 2011,22(1)：94-98.

[12] 朱伯芳.有限元法原理及应用[M].北京：水电出版社,1979.

[13] 唐巨鹏，潘一山.ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究[J].岩土力学，2004，25(sup):329-342.

[14] 于丽艳,闫龙海.急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究[J].山西建筑，2012,38(24)：84-85.

Research of dimensional numerical simulationon rockburst risk of mining steeply inclined coal seam★

YU Li-yan GAI Fang-fang YU Yue-min

(College of Science, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In the paper, there is a analysis of three dimensional numerical simulation on the steeply inclined coal seam in the Beijing Haohua energy shares the responsibility of the company’s Changgouyu coal mine, based on the function of element is “killed” of ANSYS finite element analysis software to really simulate mining process of 4 slot mining face, there are anlysises on the cloud picture of vertical stress and plastic strain under the different pushed distance along the roadway and the seam of pushing. Results obtained by the numerical simulation basically consistent with the actual situation. So the method of numerical simulation provides the reference for the prevention of rockburst and safely mining of the coal.

steeply inclined coal seam, rockburst risk, three dimensional numerical simulation

1009-6825(2014)31-0070-03

2014-08-30★:国家自然科学基金项目资助(项目编号：11202070)

于丽艳(1979- )，女，硕士，副教授； 盖芳芳(1981- )，女，博士，讲师； 于月民(1972- )，女，硕士，教授

TD324

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