底板煤岩组合对冲击矿压灾害影响规律研究

朱江伟

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南　焦作　454003； 2.郑煤集团 芦沟煤矿，河南　新密　452374)



·试验研究·

底板煤岩组合对冲击矿压灾害影响规律研究

朱江伟1，2

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南焦作454003； 2.郑煤集团 芦沟煤矿，河南新密452374)

摘要某煤矿下巷底板多次发生冲击矿压，以该矿采区地质和采掘条件为基础，研究底板煤岩属性对底板冲击矿压发生的影响，运用数值模拟，研究在不同底板煤岩属性条件下开挖巷道后应力演化规律对冲击的影响。研究表明：巷道5 m范围内强弱组合应力值远大于弱强组合，更容易引发冲击矿压危害。

关键词底板；煤岩属性；冲击；数值模拟；应力演化

冲击矿压是一种日益严重的矿井灾害，给生产和安全带来了重大的危害[1-2].受采深、煤层性质、顶板结构等多种因素影响，煤层回采后工作面底板出现破坏且逐渐增多。底板采动破坏后不但易出现底鼓变形，而且因其承载强度急剧降低而易发生冲击矿压。了解煤层底板性质的影响是研究煤层底板破坏的重要前提，不同煤矿冲击的发生有不同的发生条件和判别准则。

许胜铭等[3]研究表明，义马煤田地质因素对冲击地压具有主导作用。陈国祥等[4]对冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式进行研究。姜福兴等[5]对巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理进行了分析。由于不同矿井的地质开采条件不同，冲击矿压发生的形式也不同。因此，冲击矿压的研究仍是一项比较复杂的难题。

本文根据某煤矿某工作面地质条件，利用FLAC2D数值模拟软件研究底板煤岩层属性对底板冲击的影响规律，根据数值模拟的结果分析煤层底板不同组合在采动应力下巷道开挖应力演化规律，定量的揭示底板煤岩属性对冲击矿压发生的影响。

1底板性质对巷道开挖应力演化规律的数值模拟

1.1工程概况

本次研究的数值模拟模型地质条件参考某煤矿采区的地质和开采条件，某面相邻工作面的布置参考图见图1，工作面开挖第一个面长152 m，第二个面长192 m，在此基础上开挖巷道，下巷在开挖过程中发生多次冲击，发生过较大能量的冲击事故，所以以下巷为研究对象。工作面下巷沿煤层顶板布置，留底煤，巷道尺寸为宽4 m×高3 m.

图1　计算模型图

模型从上到下，砾岩厚度300 m局部区域厚度约为700 m甚至直达地表，泥岩厚3 m，煤层厚 2 m，粉砂岩厚12 m，泥岩厚2 m，煤层厚3 m，泥岩厚20 m，开采煤层厚10 m，泥岩厚24 m，砾岩厚50 m.

1.2数值模拟模型与方案

1) 采掘地质条件。

根据采区的地质和开采条件，建立FLAC2D数值计算模型，模拟进行简化。岩层倾角取0°，采用平面应变，模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，模型各层物理力学参数见表1,重力加速度9.8 m/s2，首先计算初始应力场，岩体垂直应力按岩体自重计算，载荷按下式得到：σx=σy=σz，λ=1，初始应力条件按水平方向的初始应力与垂直方向应力相等考虑。

表1　煤岩体力学参数表

2) 模拟方案。

下巷底板是由煤和砾岩组成，分析强-弱和弱-强两种不同的结构的影响。

在不同条件影响下，回采相邻工作面后开挖巷道，在不同条件组合下开挖巷道时监测巷道底板4 m处应力位移变化。

1.3数值模拟结果与分析

下巷位于煤层的顶部，其底板是由煤层和砾岩组成，下巷多次发生冲击矿压灾害，为研究底板属性对巷道冲击灾害的影响规律，把组成底板的煤和砾岩的结构分为硬煤软底的强-弱和软煤硬底的弱-强两种结构。通过在两种不同结构条件下回采后开挖时的应力演化规律研究，从而定量地揭示不同的底板结构对冲击矿压发生的影响，为探索底板结构对冲击矿压灾害的影响提供借鉴。

在两种结构下开挖巷道时，底板下面4 m处的应力变化规律见图2，3.在两种不同结构下回采两个工作面后，巷道未开挖前所受的应力状态不同，巷道在开挖过程中应力变化规律也不同。在强弱结构下开挖巷道时，水平应力迅速升高，垂直应力迅速降低，水平应力由21.56 MPa升高到25.33 MPa，垂直应力由27.50 MPa降低到19.53 MPa.在弱强结构下开挖巷道过程中，底板下方4 m处的水平应力和垂直应力都降低到应力平衡，垂直应力由27.91 MPa迅速降低到7.41 MPa，降低了73.45%.水平应力由21.66 MPa迅速降低到14.09 MPa，降低了34.95%.巷道开挖过程中应力以软煤为突破口释放能量。

图2　强-弱结构下底板4 m处应力监测图

图3　弱-强结构下底板4 m处应力监测图

巷道开挖后应力场平衡后应力分布规律见图4,5.在距离巷道底板5 m内弱强组合下产生的水平应力远小于强弱组合，在距离底板10 m处弱强结构的水平应力开始大于强弱结构,在距离顶板5 m处随着距离增加，弱强结构的水平应力大于强弱结构，可知，在距离顶底板5 m范围内强弱结构产生的水平应力比较大。巷道两帮的垂直应力分布规律相类似，在距离巷道两帮5 m范围强弱结构的垂直应力远大于弱强结构，随着距离的增加，弱强结构的垂直应力大于强弱结构。

图4　巷道顶底板水平应力分布图

图5　巷道顶底板垂直应力分布图

两种结构底板垂直位移见图6.从图6中可以看出，巷道开挖过程中弱强结构下底板的位移发生了很大的变化，上升了663 mm，远大于强弱结构，可知巷道开挖过程中应力以软煤为突破口，释放能量引起底板位移发生较大的变化，产生了局部较大的破坏。强弱结构在硬煤下引起底板的位移变化较小，局部破坏也较小。弱强结构下开挖巷道更容易引起底板冲击的发生。

图6　底板垂直位移图

2结论

强弱组合下开挖巷道底板下4 m处水平应力升高，垂直应力降低，弱强组合巷道开挖过程中水平应力垂直应力都降低。巷道围岩应力场平衡后，巷道5 m范围内强弱组合应力值远大于弱强组合。

参考文献

[1]高明仕.冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理研究[D].徐州:中国矿业大学博士学位论文,2006.

[2]潘俊锋，宁宇，毛德兵，等．煤矿开采冲击地压启动理论[J]．岩石力学与工程学报，2012，31(3):586-596.

[3]许胜铭，李松营，李德翔，等.义马煤田冲击地压发生的地质规律[J].煤炭学报,2015,40(9):2015-2020.

[4]陈国祥，郭兵兵．冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式[J]．煤炭学报，2015，40(9):2021-2025.

[5]姜福兴，魏全德，王存文，等．巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析[J].煤炭学报，2014，39(7):1191-1196.

Research on the Influence Law of Floor Coal and Rock Combination on Rock Burst Disaster

ZHU Jiangwei

AbstractA coal mine floor under the roadway has the rock burst many times, based on the coal mine mining area geological and mining conditions, researches the impact of floor rock properties on floor rock burst. By numerical simulation, studies the impact of stress evolution rules on shock under the condition of different coal attributes after excavation roadway. The study shows that within the scope of 5 m, roadway stress value of strong and weak combination is greater than the weak and strong combination. It's easier to cause rock burst hazards.

Key wordsFloor; Coal and rock attributes; Shock; Numerical simulation; Stress evolution

中图分类号：TD324

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)01-0030-03

作者简介：朱江伟(1980—)，男，河南南阳人，2013级河南理工大学在职研究生，助理工程师，主要从事矿山安全与灾害防治方面的研究工作(E-mail)455972890@qq.com

收稿日期：2015-11-03