巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击研究

刘建刚，郁钟铭，刘 赛，井广成，刘洪洋，李志刚

(1.六盘水师范学院矿业工程系，贵州 六盘水 553004；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)



巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击研究

刘建刚1，郁钟铭1，刘 赛2，井广成2，刘洪洋1，李志刚1

(1.六盘水师范学院矿业工程系，贵州 六盘水 553004；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

基于FLAC2D数值模拟软件分析巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击的动态响应规律。结果表明：随着底煤厚度的增加，动力扰动下巷道底板水平应力峰值先升高后降低并逐渐向底板深处转移，底板垂直位移峰值、塑性区深度及最大能量密度均呈非线性增加，且增加趋势越来越弱，并趋于稳定；动力扰动下特厚煤层巷道极易发生底鼓冲击动力灾害，动力效应明显；现场矿震演化规律分析验证数值模拟结论的合理性。研究成果可为特厚煤层巷道底冲击矿压防治提供借鉴。

底煤厚度；矿震；动态响应；底鼓冲击；特厚煤层

底板型冲击矿压是在矿山采动或采掘面扰动下诱发底板煤岩层变形能的瞬时释放，表现为底板煤岩层突然、急剧、猛烈的向上突出，引起采掘空间围岩、设备破坏的冲击动力灾害[1]。研究表明[2-4]，对于较薄或中厚煤层，巷道沿底板布置容易产生两帮煤体(柱)冲击；对于厚煤层或特厚煤层，开采上分层或综放开采将巷道沿顶板布置留底煤时，由于对底板没有采取有效卸压措施和合理支护，易发生底鼓冲击。

动力扰动对巷道围岩稳定性影响的研究已取得不少成果。朱万成等[5]采用数值软件系统RFPA对岩石在动态扰动触发深部巷道发生的破裂过程进行了研究，探讨了不同地应力条件下动态扰动触发的巷道破裂过程。彭维红等[6]运用LS-DYNA软件对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、顶板岩性对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟分析，得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。温颖远等[7]通过有限差分数值计算软件FLAC对动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩动态响应规律进行了模拟，发现动力扰动下硬煤层巷道围岩应力场、位移场及塑性区范围等特征参量均大于软煤，更易发生冲击破坏。谢龙等[8]基于FLAC2D数值模拟软件探讨动载作用下不同侧压系数对巷道底板冲击的影响，表明动载作用下水平构造应力越大，巷道底板冲击危险性越高。

近年来，特厚煤层开采过程中巷道冲击等动力显现越来越频繁，目前特厚煤层工作面回采巷道在煤岩地层中位置选择对特厚煤层巷道冲击的影响研究较少。本文利用FLAC2D数值模拟软件结合现场微震监测结果对矿震扰动下特厚煤层工作面巷道留底煤底鼓冲击的动力响应规律研究，以期为具有类似地质条件特厚煤层巷道底鼓冲击矿压控制提供一定理论指导。

1 数值计算模型和方案

1.1 数值计算模型

陕西永陇矿区某矿250204工作面在回采过程中巷道多次发底鼓甚至底板冲击等动力显现，严重影响煤矿正常生产，基于该工作面运输平巷地质条件利用FLAC2D建立数值模型。模型尺寸及模型的岩性参数如表1、图1所示。

表1 煤层及顶底板岩层力学性质参数

图1 巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击数值模拟模型

根据文献[9]将矿震震源简化为简谐波，通过对该矿井微震监测系统实际记录的震动波简化处理，利用FLAC2D软件中的动载模块将其施加到巷道右上方20m处，该震动波频率为50Hz，最大峰值应力为20MPa。

1.2 模拟方案

为分析矿震扰动下底煤厚度对巷道底鼓冲击的影响，建立7个相同的模型，分别取底煤层厚度为0m、1m、3m、5m、10m、15m、20m，其他参数相同。利用巷道底板监测点记录矿震扰动下底板应力、位移及塑性区分布演化特征，进而揭示不同底煤厚度对矿震诱发巷道底鼓冲击的影响。

2 模拟结果及分析

2.1 矿震扰动下底板水平应力动力特性分析

系统平衡后，提取巷道底板(煤)10m范围内水平应力数据进行分析。由图2可见，矿震作用下巷道底板水平应力随时间变化呈现波动，应力集中程度先瞬间升高后降低，此后应力波动效果逐渐减弱，主要由于震动波处于逐渐衰减状态；相比静载作用下应力水平，矿震扰动下不同底煤厚度巷道底板应力峰值平均升高4.47MPa。由图3可见，随着巷道底煤厚度的增加，最大水平应力先升高后降低并逐渐向底板深处转移；当1m≤d≤5m，应力峰值位于粗砂岩底板中，最大水平应力由32.93MPa增加至42.53MPa，应力集中程度高，由于水平应力集中区域位于厚硬砂岩中，岩石极限强度较大，底板相对稳定；当底煤厚度增加到一定值(d=10m)后，应力峰值不再向深部转移而位于底煤中，且基本保持恒定，由于煤体较岩石更容易破坏，本阶段容易发生失稳破坏。以上表明，矿震扰动底鼓冲击与底煤厚度和底板岩性密切相关。

图2 底板水平应力动力特性曲线图

2.2 矿震扰动下底板位移动力特性分析

不同底煤厚度巷道底板垂直位移演化曲线如图4所示，位移峰值随底煤厚度的变化如图5所示。静载作用下巷道垂直位移量较小，最大位移量为138mm，矿震扰动下巷道位移增加明显，最大位移增量达到390.40mm(d=20m)，动态响应效果明显；随着巷道底煤厚度的增加，底板垂直位移峰值呈非线性增加(由101.08mm增至528.92mm)，当1m≤d≤5m，底板垂直位移量增加趋势明显，当底煤厚度增加到10m后，位移量基本保持相对稳定。由此可见，巷道留设底煤越厚，底鼓量越大，矿震等动载扰动下特厚煤层底鼓冲击危险性更高，冲击显现明显。

图3 底板最大水平应力随底煤厚度的变化

图4 底板垂直位移演化曲线

图5 底板最大垂直位移随底煤厚度变化曲线

2.3 矿震扰动下底板塑性区响应规律分析

矿震扰动作用巷道底板岩层破坏可由底板岩层岩塑性区分布变化直接反映。由图6可知，矿震扰动下底板出现明显塑性破坏，底煤厚度较小时(1m≤d≤3m)，塑性区主要分布在巷道顶板及两帮区域，底板塑性区相对较少，主要由于巷道底板为厚层粗砂岩，岩石强度大，不易发生塑性破坏；随着底煤厚度的增加(d≥5m)，底板塑性区相应扩大，底煤破坏范围增加，底鼓冲击动态响应增强。由图7可见，随着巷道底煤厚度的增加，底板塑性区深度呈非线性增加(由2.5m增至10m)，且增加趋势越来越弱，并趋于稳定。以上表明，底煤厚度越大，巷道底板塑性区范围越大，矿压显现越明显，矿震扰动下特厚煤层巷道底煤破坏严重，冲击危险性高。

图6 底板围岩塑性区演化图

图7 底板塑性区深度随底煤厚度变化曲线

2.4 底板能量的积聚特征

煤岩体中积聚有大量的弹性能以冲击载荷的形式瞬间释放为冲击矿压发生的实质，而弹性能的释放诱发冲击主要涉及弹性能的积聚程度，以能量密度Ud描述，其值越大，冲击危险性越高[10]。

运用FLAC2D中的FISH语言可以获得煤岩体应变能密度，巷道围岩能量密度分布云图如图8所示，底板能量密度最大值(Ud)max随底煤厚度演化曲线见图9。动载扰动后，不同厚度底煤的巷道围岩弹性能积聚程度不同，底煤赋存较薄时，而底板为坚硬、厚度大且完整性较好的粗砂岩，应变率小，能量集中区域主要分布在巷道两角部且范围较小；底煤厚度较大时，能量主要积聚在巷道底板及角部且范围增大，主要由于底煤硬度小，变形量大，易释放弹性能。随着底煤厚度的增加，最大能量密度呈非线性增加(由5×104J·m-3增至22×104J·m-3)，此后基本保持不变，且能量密度峰值位置不断向底板深处移。由此可见，矿震扰转动下特厚煤层巷道底板能量密度大，易发生底鼓冲击。

图8 巷道围岩能量积聚云图

图9 随底煤厚度演化曲线

通过以上对矿震扰动下不同底煤厚度的巷道底板应力、位移、塑性区及能量密度等冲击效应特征参量的变化分析，留设底煤厚度越大，底板冲击危险性越高，受矿震动载扰动特厚煤层巷道极易发生底鼓冲击动力灾害。

3 工程实践

250204综放工作面位于矿井2502采区中部，南至二水平轨道大巷，北至井田边界，东为250205工作面采空区，西为正在掘进的250203工作面，如图10所示。工作面构造较为复杂，自南向北由背斜转入向斜，同时沿走向次级褶曲发育，造成煤层波状起伏。工作面标高+1100～+1220m，地面标高+1509～+1603m，倾斜长225m，走向推进约2000m。工作面开采5煤层，均厚38.1m，为特厚煤层，倾角8°；煤层直接顶为砂质泥岩，厚2.0～5.0m，老顶为5.0～18.0m的粉砂岩；直接底为0.05～0.2m的泥岩，老底为中粗砂岩，厚6.5～19m。本工作面开采上分层厚度10～13m，受厚层底煤、坚硬砂岩顶板及褶曲构造影响严重。

表2 底板各参量动力特性统计

图10 250204工作面平面示意图

250204综放工作面自2011年1月6日开始至2012年12月26日回采结束共发生54次冲击矿压，其中实体煤侧的运输顺槽发生49次，占总冲击次数的90.74%，临空区侧的材料顺槽发生5次，占9.26%，底鼓动力显现严重，造成设备损坏、巷道破坏与人员伤亡等。矿震震源的空间分布能够反映采掘区域煤岩体的破裂与应力场状况，且能量大于105J的强矿震极易诱发冲击矿压的发生[11]。工作面回采期间矿震活动剧烈，大能量强矿震多，见图11所示。

图11 工作面矿震分布图(E≥1×105J)

由图可见，大能量矿震震源主要分布在工作面内部，表明采掘作用下高应力集中区内煤岩体破裂运动释放弹性能孕育强矿震，与其空间关系一致；与以往矿震主要分布在采空区侧不同，工作面运输顺槽侧强矿震相比轨道顺槽侧较多，主要由于受褶曲构造应力影响所致；沿走向剖面上，除开采初期首次见方顶板活动剧烈强矿震在顶板有较多分布外，大部分强矿震分布在煤层和底板位置，表明特厚煤层底板更容易积聚弹性能造成冲击失稳。

6 结 论

1)底板水平应力随着动态时间变化出现波动，水平应力先瞬间升高后降低，冲击后应力集中现象消失；底煤厚度较小时，应力峰值高且位于粗砂岩底板中，冲击危险性低；底煤厚度较大时，应力集中区域位于底煤中，易发生失稳破坏。表明底鼓冲击与底煤厚度有及底板岩层岩性紧密相关，特厚煤层底板坚硬且巷道底煤较厚时易发生底鼓冲击。

2)随着底煤厚度的增加，位移峰值呈非线性增加，且增加趋势越来越弱，最终趋于稳定；矿震扰动下特厚煤层底鼓冲击危险性高，冲击显现明显。

3)随着底煤厚度的增加，巷道围岩塑性区范围增加，动态响应强度增大，且底板塑性区深度呈非

线性增加，并趋于稳定。

4)随着底煤厚度的增加，弹性能积聚范围增大，最大能量密度 呈非线性增加，且能量密度峰值位置不断向底板深处移。矿震扰转动下特厚煤层巷道易发生底鼓冲击。

5)通过现场矿震演化规律分析验证数值模拟结论的合理性，为类似条件下特厚煤层安全开采提供借鉴意义。

[1] 窦林名，赵从国，杨思光，等．煤矿开采冲击矿压灾害防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2006．

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Study on different bottom coal thickness on floor rock-burst induced by mine tremor

LIU Jian-gang1，YU Zhong-ming1，LIU Sai2，JING Guang-cheng2，LIU Hong-yang1，LI Zhi-gang1

(1.Department of Mining Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China； 2.School of Mining Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

Analyzing of dynamic response law of roadway floor rock-burst induced dynamic disturbance at different bottom coal thickness by using FLAC2D.The results showed that the maximum horizontal stress increases at first and then decreases and gradually transfers toward floor depths under dynamic disturbance，the floor vertical displacement peak and plastic depth and maximum energy density all increase nonlinearly with the increase of bottom coal thickness，meanwhile the increase trend gets more and more weakly.It is easy to occur floor rock-burst for roadway induced dynamic disturbance in extremely thick coal seam，and the dynamic effect is significant.The rationality of numerical simulation analysis is verified by the analysis of mine earthquake law.The conclusions will provide reference for floor rock-burst prevention of extremely thick coal seam.

bottom coal thickness；mine tremor；dynamic response；floor rock-burst；extremely thick coal seam

2016-04-10

贵州省科技厅技术基金项目资助(编号：黔科合LH字[2015]7619号)；国家自然科学基金青年科学基金项目资助(51204165)；采矿工程省级特色重点学科项目资助(编号：黔学位合字ZDXK[2015]9号)

刘建刚(1988-)，男，山东昌乐人，讲师，硕士，毕业于中国矿业大学，从事采矿工程专业的教学和科研工作。E-mail：363534629@qq.com。

TD823.25

A

1004-4051(2016)11-127-05