通化八宝矿煤层冲击倾向性实验与数值模拟

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)

通化八宝矿煤层冲击倾向性实验与数值模拟

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)

为防治通化矿业(集团)公司八宝矿冲击地压的发生，对其可能发生冲击地压的－412区1号、－213区4号和6号煤层试样进行了力学性质与动态破坏特性的试验研究，并结合了冲击倾向性数值模拟研究，分析了矿区水平应力、垂直应力、最大主应力大小及分布规律，得出结论:(1)应力较大值多出现在地质构造复杂地带，凡遇褶曲和断层带，特别是断层上、下盘处，而且强度相对较大，即冲击倾向性相对较强。(2)水平应力约为自重应力的2倍，垂直应力约为自重应力的2.7倍，最大主应力略小于自重应力，最大应力值远远小于极限强度。(3)实验研究与数值模拟结论较好吻合，与通化八宝矿未发生冲击地压的实际一致。

冲击地压;冲击倾向性;实验研究;数值模拟;通化

0 引言

冲击倾向性是煤岩材料的固有力学性质。1967～1969年，Bieniawski等通过室内煤的应力应变试验结果，同时结合现场调查发现，相同地质和开采条件下，煤层是否发生冲击地压有很大差异，并提出冲击倾向性指标。认为当冲击倾向性指标大于某个值时，就会发生冲击地压。但是，大量的现场调查表明，具有相同冲击倾向性的煤层，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压。而且许多属于强冲击倾向性的煤层并不发生冲击地压，而某些冲击倾向性很弱或无冲击性的煤层却发生了冲击地压。因此，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［1－4］。通化矿业(集团)公司八宝矿井田第10勘探线剖面的－412区1号和－213区4号、6号煤层断裂构造较为发育，多不对称向斜构造，其中北翼造成煤层以倾斜和急倾斜为主，中部较平缓，南翼倒转。近年来在采掘过程中矿山动力现象比较明显。随着采深的增加，预计煤层矿山动力现象将会更加明显，给生产和安全带来了严重威胁。因此，对冲击倾向进行分析十分必要。

1 冲击倾向性实验

1.1 实验方法

根据通化矿业(集团)公司八宝矿目前开采情况与接续情况，选择具有代表性的－412区1号和－213区4号、6号煤层，按要求采集煤样，加工成50mm×50mm×100mm方柱体标准试件，每组采用试样8个试件，最后对测得各值求平均。加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油压的伺服实验［5－7］。

试验机以0.5～1.0MPa/s的速度对试件加载，当加载到平均破坏载荷的78%～85%时，以相同的速度卸载至平均破坏载荷的1%～5%，以此方式反复对同一煤样加载、卸载，每一次重复加载的最大值比上一次提高平均破坏载荷的5%，直至试件破坏。记下破坏载荷，描述记录破坏特征并给出试件的动态破坏时间(DT值)。绘制加、卸载时的载荷—位移曲线，根据此曲线由相关公式计算煤的弹性能量指数WET。

载荷传感器测量试件承受的载荷，用位移传感器测量试件的全程轴向变形，用0.1 ms级高速计算机数据采集处理系统采集数据，绘制加载全过程的载荷—位移曲线，根据此曲线由相关公式计算煤的冲击能量指数KE。

1.2 实验结果分析

图1 煤样动态破坏时间曲线Fig.1 Dynamic damage time of coal layers samples

图2 煤样弹性能量曲线Fig.2 Elastic energy of coal layers samples

图3 煤样冲击能量曲线Fig.3 Impact energy of coal layers samples

表1 煤样冲击倾向性指标试验结果Table 1 Test results of coal sample burst tendentiousness index

经试验研究煤层不具有冲击倾向性(表1)，但冲击地压是否发生，与煤层和顶板息息相关，由于煤层不具冲击倾向，故不会产生冲击地压现象［8－10］。在对煤样加工试块成形过程中，6层煤较“酥”，内部裂纹较多，加工成形困向性。煤试块破坏时的动态破坏时间可作为冲击倾向性鉴定的辅助指标，时间越短，冲击倾向性越强烈［10－12］。

2 数值模拟

2.1 地质概况

八宝井西起F1号断层，东至F15号断层，南起6号煤层－600m标高，北至井田边界线。走向长2.7km，倾向宽(平均)0.55km，面积1.51km2。该区总体构造形态为不对称的向斜构造，西部抬起，向东倾伏。北翼陡，岩层倾角60°～80°左右，中部较平缓，倾角10°～30°，南翼倒转。向斜轴展布方向为北东南西向。倒转轴向与向斜轴向略有交角。井田内断裂构造较为发育。八宝井于1992年1月开始建井，2000年建成投产，设计与核实能力120×104t/a，开拓方式为立井——斜井混合开拓，采煤方法为综合机械化采煤和水力采煤。

2.2 数值模型的建立

基于ANSYS有限元软件根据第10勘探线剖面图建立立体有限元弹塑性本构模型，采用Drucker-Prager屈服准则进行计算。模型相关力学参数见表2。模型取长宽高为450m×100m×300m，底端固定约束，左右两侧均为X向约束，前后两侧均为Z向约束。所设模型距地表350m，则模型顶面受铅垂地应力为8.92MPa［13－16］。立体模型图如图4所示。

表2 模型主要参数表Table 2 Main parameters of the model

2.3 计算结果分析

从图5中可以看出:

(1)顶底板水平方向上的应力，在近煤区域表现为压应力，在离煤层远一些的区域表现为拉应力。

综上所述，主要是讲述了融资结构对企业的投资行为的影响，股权融资、债务融资等不同的融资方式会对企业的投资行为产生不同的影响，针对不同性质的企业也会产生不同的作用，对于中小企业而言可能产生投资不足的情况，对于国有企业来讲可能产生投资过度的现象，当然具体情况具体分析，目前最需要的还是要进一步完善金融制度，规范融资事项，使得企业能够作出合理的投资行为。

(2)水平方向上的应力分布状态表现出差异，在近煤区域，底板的水平应力大于顶板的水平应力，最大值为19.30MPa。

图4 立体有限元模型Fig.4 Finite element model of three-dimensional

图5 水平应力图Fig.5 Contour map of horizontal stress

图6 垂直应力图Fig.6 Contour map of vertical stress

从图6中可以看出:

(1)垂直应力大小分布的总体趋势是随深度的增加而逐渐增大。

(2)垂直方向上的应力基本都为压应力，越靠近断层越高，最大值出现在－450m水平附近的断层处，值为33.00MPa。

从图7中可以看出:

图7 最大主应力图Fig.7 Contour map of major principal stress

(1)应力较大值多出现在地质构造复杂地带，凡遇褶曲和断层带，特别是断层上、下盘处，而且强度相对较大，即冲击倾向性相对较强。

(2)在此模型上断层煤层与底板交界处产生最大主应力值为7.43MPa。

3 结论

(1)根据煤层冲击倾向性指标，对八宝矿可能发生冲击地压的－412区1号、－213区4号和6号煤层试样进行了力学性质与动态破坏特性的试验研究。

(2)冲击倾向数值模拟，分析第10勘探线剖面的水平应力、垂直应力和最大主应力分布规律及最大值情况。

(3)实验研究与数值模拟结论较好吻合，综合做出了矿区无冲击倾向性判定结果，与通化八宝矿未发生冲击地压的实际一致。

(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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Abstract:To prevent the occurrence of rockburst in Tonghua-Babao Coal Mine，samples from its-412 district-1#，-213 district-4#and-213 district-6#coal layers，which were possible to rockburst，were tested for their mechanic properties and dynamic failure behaviors.Combining with burst tendency numerical simulations，the authors analyzed the size and the distribution of horizontal stress，vertical stress and major principal stress.The results for this research were as the following.First，the maximum stress appears in complex geological structure zone，always in folds and distributed faults.Specially，it was relatively strong in the hanging wall and the footwall，namely，a strong burst tendency. Second，the horizontal stress was about twice as the gravitational stress;the vertical stress was 2.7 times more than the gravitational stress;the major principal stress was slightly less than the gravitational stress;the maximal stress value was much less than the breaking point.Third，the experimental data agreed fairly well with the simulation results and were consistent with the fact that there was no rockburst at Babao in Tonghua Coal Mine.

Key words:rockburst;burst tendency;experimental investigation;numerical simulation;Tonghua

Experimental and numerical simulation studies on burst tendency of coal layers at Babao in Tonghua coal mine

WANG Shi-juan，PAN Yi-shan，LI Zhong-hua，LI Guo-zhen，YAN Hai-peng
(School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin123000，China)

1003-8035(2010)03-0105-04

TU823.86

A

2010-04-06;

2010-06-12

国家重点基础研究发展规划项目(2010CB226803)

王世娟(1986—)，女，辽宁丹东人，硕士。

E-mail:ygjbwsj6510513@163.com。