煤岩弱冲击倾向性影响的数值模拟研究

崔 雅

（兰花科技股份创业有限公司唐安煤矿分公司，山西 晋城 048400）

随着煤炭资源的开采工作向深部延伸，影响煤矿安全生产的灾害因素也越发繁多，除了传统的“五大自然灾害”以外，冲击地压相关的鉴定和预防也成为矿山安全工作中不可忽视的环节。

冲击地压是指井工矿在采掘过程中，在应力集中影响下，煤（岩）结构层理遭到破坏，体内聚集的弹性势能瞬间将煤（岩）释放（抛出），并伴有巨响和气浪冲出的动力学现象。由于冲击地压具有高突发性和高危害性，不仅会影响采掘计划和储量损失，还会造成企业生产设备的损坏，甚至出现一定的人员伤亡[1-3]。因此，需要对矿井冲击地压进行系统的研究，鉴定其冲击倾向性和危害性，并在此基础上分析煤岩冲击对采掘工作面的影响，从而更有针对性地制定防冲措施[4]。

1 唐安煤矿3号煤层煤岩物理力学参数测定

唐安煤矿隶属于晋城兰花集团，位于高平市马村镇，年产能力180×104t/a，批准开采3#、9#、15#煤层，现采3#煤层。

目前唐安煤矿所开采的3#煤层三盘区3302、3304等工作面的最大采深均超过400m，其中3302 工作面部分区域甚至超过500m。另外根据矿井钻孔柱状图等资料显示，3#煤层上方100m范围内存在单层厚度超过10m的坚硬岩层。因此需对该煤层煤岩冲击倾向性进行鉴定以制定有效防冲措施，降低事故发生的概率。

根据煤岩冲击倾向性鉴定的要求，参照《煤矿安全规程》、《防治煤矿冲击地压细则》等相关规定，对唐安煤矿3#煤层及顶板岩层的物理力学参数进行测定，具体内容见表1。

表1 物理力学参数测定表

1.1 煤岩采样

为确保所得结果可以真实反映3#煤层的力学特性，采样过程需严格遵循《煤与岩石物理力学性质测定方法》规程进行取样作业。针对岩样，本次将采用ZDY2300LS 型履带式全液压钻机，使用半径25mm 的专用钻头在巷道顶板30m 范围内的岩层进行取样，取样完毕后，需对所取煤样进行编号，并注明采样地点、岩厚、岩层特征状态等；同理取巷道不同位置的多个煤样进行编号与记录。

1.2 顶板岩样分组

通过对唐安煤矿3#煤层顶板岩层30m厚度范围的岩芯试样测定分析后，决定将影响巷道顶板的岩层分为5种岩性进行试验，分别为砂质泥岩、泥岩、细砂岩、粉砂岩和中砂岩。

2 煤（岩）试验

2.1 试验设备

对唐安矿岩样测试，全过程通过RMT-150B岩石力学试验系统进行测试，该试验系统主要由主控计算机、数字控制器、手动控制器、液压控制器、液压作动器、三轴压力源、液压源以及进行各种功能的试验附件等组成。

2.2 试样的规格

针对煤的冲击倾向性鉴定需选用完整性较好的煤样制备，采用切割结合钻磨工序，制成多个长100mm，宽50mm（或直径50mm）的长方体（或圆柱体）待用；顶板岩样沿纹理制成∅50mm，高度介于30～100 的试样多个待用。在对每个参数进行试验时，每组煤（岩）试样数量不得少于3 个，在对煤的冲击倾向性指数测试时，每组煤（岩）试样数量不少于5个。对待测试样需妥善保存，放在底部盛有一定水分的容器内静置24h 以上，期间试样不得接触水面。

2.3 试验结果

试验将对煤（岩）试样的自然视密度、抗拉强度、坚固性系数等方面进行鉴定，具体试验结果如表2所示。

表2 煤（岩）试样测定结果

经过对3#煤层的试样检测结果进行计算，该煤层煤样的动态破坏时间DT为223ms，弹性能指数WET为1.94，冲击能量指数KE为2.015，单轴抗压强度RC为11.635MPa。根据煤的冲击倾向性指标的测试结果，按照煤的冲击倾向性强弱的综合判定为弱冲击倾向性。

3 冲击倾向性对采动应力场及能量场的影响规律

由于唐安煤矿3#煤层煤岩冲击倾向性判定为弱冲击倾向，因此需要制定矿井防冲措施[5]。笔者在对工作面制定具体措施之前，利用数值模拟软件对采动应力场及能量场的影响规律进行研究分析。

3.1 物理模型的确认

笔者对本次模拟选用FLAC 3D 数值模拟软件对岩层受冲击的情况进行分析研究。首先需要对物理模型进行建模处理，具体如下：沿工作面走向和倾向的长度分别设置为200m 和300m，岩层高度设置为60m。工作面顺槽长度参考实际尺寸设置为4×5m，宽度为100m。在模型四周设置固定边界条件，上部模拟上覆岩层的重量，根据工作面采深（约500m）施加竖向荷载1.4×107MPa，如图1所示。

图1 3#煤层冲击倾向性模拟图

模拟选择为应变软化模型，采用Mohr-Coulomb屈服准则对煤（岩）体屈服程度进行判断，为了研究弱冲击倾向性煤层对工作面的影响，将对煤层应力场分布规律、工作面能量场分布和工作面塑性区分布规律进行模拟。

3.2 弱冲击倾向性对煤层工作面能量场分布的影响

弱冲击倾向性对工作面能量场分布的模拟结果如图2所示：①工作面推进期间，超前支撑压力范围内有能量聚集且出现能量峰值的现象，能量峰值随工作面的距离而变远而减弱；②巷道两侧煤壁的能量场随煤层巷道能量峰值距离的变远而大幅减弱；③巷道与工作面交界处会产生应力叠加现象，工作面隅角周围的能量聚集程度大幅增大，较工作面其他区域更高；④位于工作面后方的巷道受采空区卸压影响，未开采煤层两侧的能量集中区域缓慢增大。

图2 弱冲击倾向性下煤层工作面能量场分布示意图

3.3 弱冲击倾向性对煤层应力场分布规律的影响

弱冲击倾向性对煤层应力场分布的模拟结果判断为：①工作面推进时，超前支撑压力范围内会出现应力集中现象，当应力峰值距离工作面较远时，应力集中程度随之减弱；②较巷道两侧煤壁垂直应力，随与煤层内应力峰值的距离变远而大幅减弱；③巷道与工作面交边界处会产生应力叠加现象，工作面隅角周围受此影响垂直应力峰值较其他位置处更高；④位于工作面后方的巷道受采空区卸压影响，未开采煤层两侧的应力集中区域缓慢增大。

3.4 弱冲击倾向性对工作面破坏区分布规律的影响

受工作面采动影响，煤岩的弱冲击将对煤体边缘及巷道两侧煤体产生破坏现象，塑性区主要出现在此区域，分析认为，煤层边缘破坏性质属于拉剪复合破坏，随着深入煤层内部，破坏性质主要是剪切破坏；模拟结果显示，其工作面前方塑性区范围为15m，工作面两侧塑性区范围为12m，两侧未开采煤层塑性区范围为12～14m。

4 结束语

本文根据唐安煤矿冲击地压所采煤岩试样的测试结果，通过理论分析、实验室测试和鉴定计算，判断目前所采3#煤层具有弱冲击倾向性。笔者根据FLAC 3D数值模拟软件对工作面构造应力、能量聚集情况以及塑性区的分析后，得出工作面前方塑性区范围为15m，工作面两侧塑性区范围为12m，两侧未开采煤层塑性区范围为12～14m。为矿井制定放冲措施提供了理论依据和参考意义。