煤岩力学参数对断层型冲击地压影响的数值模拟分析

贾 腾 雷瑞德

(1. 贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州省贵阳市，550001； 2. 重庆大学资源及环境科学学院，重庆市沙坪坝区，400044)



煤岩力学参数对断层型冲击地压影响的数值模拟分析

贾 腾1雷瑞德2

(1. 贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州省贵阳市，550001； 2. 重庆大学资源及环境科学学院，重庆市沙坪坝区，400044)

为了研究煤岩力学参数影响下断层附近应力演化规律，基于FLAC3D数值模拟软件，分析煤层弹性模量、煤岩埋深以及顶板岩性等不同条件下断层附近应力峰值与弹性应变能的演化规律。结果表明，工作面煤壁前方断层附近应力集中程度与弹性模量呈负相关，与煤岩埋深以及顶板岩性坚硬程度呈正相关。研究结果可为相似煤岩条件下工作面遇断层安全开采及巷道布置提供依据。

断层 冲击地压 煤岩力学参数 弹性模量 埋深变化 顶板岩性

近年来随着煤矿开采深度与开采程度的增加，冲击地压已成为主要的煤岩动力灾害之一。有学者采用数值仿真方法研究了逆断层倾角对煤岩冲击失稳机理的影响，分析了切眼的不同布置位置对断层带两侧应力分布规律的影响，但未考虑其它煤岩力学因素的影响。由于研究侧重点不同，分析断层冲击危险时很少将煤岩埋深、弹性模量及顶板等影响冲击危险的主要因素综合分析探讨。本文对比分析不同煤岩埋深、煤岩弹性模量和煤岩顶板等工况下断层附近的冲击危险程度。

1 模型的建立及模拟方案

1.1 模型建立

模型尺寸为240 m×150 m×90 m。采用摩尔-库伦本构模型，其中X方向为工作面走向方向，Y方向为工作面倾向方向。为了消除边界效应的影响，距边界30 m的位置开挖。底部边界为垂直约束，在模型顶部边界施加竖直方向的等效荷载模拟上覆岩层的自重，其中上覆岩层容重γ为24 kN/m3，厚度h为900 m，得到模型上部施加等效荷载为21.6 MPa。三维数值计算模型如图1所示，模型中煤岩层的力学参数见表1。

图1 三维数值计算模型图

岩性厚度/m体积模量/GPa内摩擦角/(°)内聚力/MPa抗拉强度/MPa粉砂岩2481341845煤646285224粉砂岩481341845细砂岩41281421078粗砂岩2018145154102中砂岩1215540119细砂岩201281421078

1.2 模拟方案

断层附近应力峰值与弹性能分布规律对于研究断层型冲击灾害的发生十分重要，因此本文把工作面煤壁前方断层附近应力峰值与弹性能分布规律作为主要研究对象。

在制定模拟方案时，根据以往研究结果发现，工作面布置在上盘开采时断层附近发生冲击危险的概率较大，所以把工作面布置在上盘开采作为研究基础，分析煤岩弹性模量、煤岩埋深以及煤岩顶板岩性变化时煤壁前方断层附近应力峰值的演化规律。

详细模拟方案如下：

(1)以煤岩弹性模量1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa和5 GPa为基础，获得不同煤岩弹性模量在各个步距时断层附近应力峰值与弹性能的演化规律。

(2)以煤岩埋深300 m、600 m、900 m和1200 m为基础，获得不同煤岩埋深在各个步距时断层附近应力峰值与弹性能的演化规律。

(3)以煤岩顶板中砂岩、粉砂岩和泥岩为基础，获得不同煤岩顶板岩性在各个步距时断层附近应力峰值与弹性能的演化规律。

2 断层附近支承压力影响因素分析

2.1 煤岩弹性模量

为了研究不同煤岩弹性模量对煤壁前方断层附近冲击危险程度的影响，分别对不同煤岩弹性模量(1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa和5 GPa)在工作面煤壁前方距离断层不同位置时应力峰值的分布规律进行分析。不同煤岩弹性模量条件下煤壁前方断层附近峰值应力分布曲线如图2所示。

图2 不同煤岩弹性模量煤壁前方峰值应力分布曲线

由图2可知，随着煤岩弹性模量的减小，工作面煤壁前方距离断层不同位置的应力峰值呈现增大趋势，且在同一煤岩弹性模量条件下距离断层位置越近，其前方的应力峰值越大，因此煤岩弹性模量越低，该工作面发生冲击灾害的可能性就越大。

当煤岩弹性模量为5 GPa时，煤壁前方的应力峰值达到52.1 MPa，应力集中系数为2.41；当煤岩弹性模量为3 GPa时，煤壁前方的应力峰值达到58.9 MPa，应力集中系数为2.73，相比弹性模量5 GPa时增幅较小；但当煤岩弹性模量为1 GPa时，煤壁前方的应力峰值达到82.2 MPa，相比弹性模量为5 GPa时增长36.7%，并且应力集中系数达到3.81，增长幅度较大。整体的应力峰值曲线以递减函数的形式缓慢下降。当煤层弹性模量为定值时，工作面距离断层越近，断层附近应力峰值越大，随着工作面距离断层变远，应力峰值逐渐减小。

2.2 煤岩埋深

为了研究不同煤岩埋深条件下煤壁前方断层附近的冲击危险程度，通过对不同煤岩埋深在工作面煤壁前方距离断层不同位置时应力峰值的分布规律进行分析，得到开采深度由浅部向深部的应力分布规律。不同煤岩埋深时煤壁前方峰值应力分布曲线如图3所示。

图3 不同煤岩埋深煤壁前方峰值应力分布曲线

由图3可以看出，随着煤岩埋深的增加，工作面煤壁前方应力集中程度越高。当煤岩埋深为300 m时，煤壁前方的应力峰值达到17.9 MPa，应力集中系数为2.49；当煤岩弹性模量为600 m时，煤壁前方应力峰值达到33.1 MPa，应力集中系数为2.30，相比煤岩埋深300 m时增幅较小；当煤岩埋深为1200 m时，煤壁前方的应力峰值达到65.3 MPa，应力集中系数为2.27，但相比煤岩埋深为300 m时应力变化值较高。不同煤岩埋深下应力峰值曲线也以递减函数的形式平缓下降。

2.3 煤岩顶板

分析不同煤岩顶板岩性条件下(中砂岩、粉砂岩、泥岩)的工作面煤壁前方弹性能的演化规律，从而得出不同岩性的工作面顶板在遇断层过程中的冲击危险程度。不同顶板岩性时煤壁前方峰值应力分布曲线如图4所示。

图4 不同煤岩顶板煤壁前方峰值应力分布曲线

由图4可以看出，无论煤岩顶板为泥岩、粉砂岩或中砂岩，其煤壁前方峰值应力分布曲线近似重合，但中砂岩的峰值应力集中程度整体上较泥岩和粉砂岩均有所增加，因此当煤层顶板为坚硬的中砂岩时，煤层上方顶板中应力集中程度较高，工作面开采过程中容易集聚较大的弹性应变能，在顶板垮落时容易引起冲击地压事故。

3 断层附近弹性应变能影响因素分析

3.1 煤岩弹性模量

基于FLAC3D中内嵌语言程序功能，通过编写Fish语言后导入FLAC3D中得到工作面煤壁前方弹性应变能的大小，并运用绘图软件得到不同煤岩弹性模量时煤壁前方峰值弹性能分布曲线，如图5所示。

图5 不同煤岩弹性模量前方峰值弹性能分布曲线

由图5可知，随着煤岩弹性模量的减小，工作面煤壁前方弹性能峰值逐渐增加，发生冲击地压的可能性越大。当煤岩弹性模量为5 GPa时，煤壁前方弹性应变能峰值为164.4 kJ/m3；当煤岩弹性模量为3 GPa时，煤壁前方弹性应变能峰值为225.9 kJ/m3，相对于弹性模量为5 GPa时应变能增加了61.5 kJ/m3；当煤岩弹性模量为1 GPa时，煤壁前方的弹性应变能峰值达到471.2 kJ/m3，相对于5 GPa时应变能增加了306.8 kJ/m3，增幅剧烈，工作面开采过程中发生冲击地压的可能性较大。

3.2 煤岩埋深

以原始模型为基础，其他煤岩物理、力学参数以及断层面性质不变，只改变煤岩埋深进行模拟分析。分析不同埋深时工作面煤壁前方断层附近弹性能的分布规律，从中得出不同煤岩埋深时断层附近的冲击危险程度大小。不同煤岩埋深的煤壁前方弹性能峰值分布曲线如图6所示。

图6 不同煤岩埋深煤壁前方峰值弹性能分布曲线

由图6可以看出，当煤岩埋深为300 m时，煤壁前方弹性能峰值达到21.6 kJ/m3；当煤岩埋深为600 m时，煤壁前方弹性能峰值达到56.4 kJ/m3，相比煤岩埋深300 m时增幅较小；但当煤岩埋深为1200 m时，煤壁前方弹性能峰值达到214.9 kJ/m3，相比煤岩埋深为600 m时弹性能变化值较高。由此可知，当工作面由浅部向深部逐渐开采过程中，尤其在开采过程中遇到断层等地质构造时，发生冲击的地压的可能性将会急剧增大。

3.3 顶板岩性

以原始模型为基础，其他煤岩物理、力学参数以及煤岩埋深不变，只改变顶板岩性进行模拟分析，得出不同岩性的顶板对工作面开挖过程中的冲击危险程度。不同顶板岩性时煤壁前方弹性能峰值分布曲线如图7所示。

图7 不同顶板岩性煤壁前方峰值弹性能分布曲线

由图7可以看出，无论煤岩顶板为泥岩、粉砂岩或中砂岩时，其煤壁前方峰值弹性能分布曲线近似重合，但中砂岩的弹性能峰值整体上较泥岩和粉砂岩均有所增加。因此当煤层顶板为坚硬中砂岩时，顶板中应力集聚程度较高，工作面开采过程中容易引起集聚的较大弹性应变能突然释放，导致顶板垮落时引起冲击地压事故。

4 结论

(1)随着工作面的推进，距离断层越近，煤壁前方支承压力越大，其断层附近的冲击危险性也越高，且断层附近的应力峰值随着煤岩弹性模量减小而增大。当煤岩弹性模量为1 GPa时，支承压力峰值达到82.2 MPa，相比于弹性模量为5 GPa时增长了36.7%，并且应力集中达到3.81。

(2)随着工作面开采深度由浅部向深部延伸以及顶板岩性坚硬程度的增加，尤其遇到难垮落的坚硬顶板时，应降低工作面的推进速度和采取切顶冒落措施，以此来减缓强烈弹性应变能对断层活化带来的冲击影响。

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(责任编辑 陶 赛)

Numerical simulation analysis of influence of coal rock mechanics parameters on fault-induced rockburst

Jia Teng1, Lei Ruide2

(1. Guizhou Anhe Mining Technology Engineering Co., Ltd., Guiyang, Guizhou 550001, China; 2. College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Shapingba, Chongqing 400044,China)

In order to study the stress evolution laws near faults zone during mining process, using FLAC3D software to simulate the evolution laws of stress peak and elastic strain energy near faults in different coal seam elastic modulus, coal seam depth and roof lithology. The results showed that there was a negative correlation between stress concentration and elastic modulus of coal face while there was a positive correlation between stress concentration and depth of coal and roof rock lithology. The research could provide reference for safety mining and roadway layout with the similar geological conditions.

fault, rock burst, coal rock mechanics parameter, elastic modulus, depth variation, roof rock lithology

贾腾，雷瑞德. 煤岩力学参数对断层型冲击地压影响的数值模拟分析 [J]. 中国煤炭，2017，43(3)：58-61. Jia Teng，Lei Ruide. Numerical simulation analysis of influence of coal rock mechanics parameters on fault-induced rockburst [J]. China Coal，2017,43(3)：58-61.

TD324

A

贾腾(1988-)，男，湖北天门人，硕士，助理工程师，现从事煤矿瓦斯灾害治理方面的研究工作。