急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究

1、急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究于丽艳闫龙海（黑龙江科技学院理学院黑龙江哈尔滨150027）摘 要：对长沟峪煤矿的急倾斜煤层进行了数值模拟并对推采不同距离时的垂直应力云图进行分析得出危险区域为工作面的 上下端头与实际开采情况基本吻合说明数值模拟方法可为急倾斜煤层安全开采和冲击地压的防治工作提供参考。尖键词：急倾斜煤层冲击地压危险区域数值模拟中图分类号：tu413 6文献标识码：a0引言随着经济的不断发展我国对煤炭的需求量也在不断增长 现阶段我国大部分煤矿已进入深部幵采阶段沖击地压现象随着 幵采深度的逐步增加而越来越频繁。冲击地压发生时其冲击过 程急剧而短暂从几秒到几十秒沖出的煤炭屋很大，从

2、几吨到几 百吨曾记录到的矿111冲击地压最大震级已超过里氏5级有时 在几千米范围内的地面都能感觉到形成大屋煤尘和强烈的空气 波"如果冲击地压发生在采矿巷道工作面还会对井下巷道、生产 设备対矿工以及地表的建筑物均造成不同程度的影响。冲击地 压的发生不仅威胁煤矿安全生产，而且影响生产指标造成产屋 波动坑木消耗加大吨煤成本提高対矿工安全造成很大威胁 使人员惊恐工人出勤率降低给生产往往造成严重破坏。冲击 地压是世界范围内最危险的矿山动力现象 是煤矿最为严重的自 然灾害之一。由于冲击地压发生的原因极其复杂 影响因素颇多且发生 前无明显宏观前兆因此对冲击地压的研究已成为岩石力学研究 的一个重大课

3、题（t。我国急倾斜煤层分布广泛 尤其在南方地区80%的矿区赋存 有急倾斜煤层国有重点煤矿幵采急倾斜煤层的矿井数占17% - 产呈占3 88%在地方煤矿和乡镇煤矿中急倾斜煤层的矿井数约 占37 58%产屋占7 0%。急倾斜煤层地质条件大多数比较复 杂开采急倾斜煤层时易发生冲击地压现象。因此有必要在幵采 前结合矿山地质条件及生产实际辅以数值模拟方法划分出易于发 生冲击地压的危险区域，对煤矿冲击地压的有效预测和防治 提供一定的参考，继而保证了采矿生产的安全顺利进行提高了 煤矿企业的经济效益。1冲击地压危险区域划分依据一般在煤岩体的高应力集中区域处易发生冲击地压现象因 此作者把判断煤岩体的高应力区域作

4、为划分冲击地压危险区域 的依据。而高应力集中区域主要出现在以下几处33：1）矿井幵采后顶板冒落不充分区域及开采所形成的垂直应 力集中区域。2）一些特殊煤层处如含瓦斯煤层（尤其在瓦斯压力或瓦斯 含量增高区）倾角较大的煤层沒有被解放的煤层。3）具有弹性能的煤柱的上、下方。4）复杂地质构造处如火成岩侵入体附近、向背斜急转轴处、 断层、煤层厚度急剧变化处。当然在此区域内并不是说每一处都要发生冲击地压现象只 是一个把它作为相对危险的区域由于产生冲击地压的因素颇 多所以要综合各种因素来考虑比如说煤和岩层本身的物理力 学特性煤岩所处的地质概况及煤层的开采方法等。2数值模拟2 1地质概况长沟峪向斜南翼采区为单

5、斜地层煤岩层走向在东二' 9剖 面线之间为295。-9剖面线 ' 长沟峪向斜轴部转折端之间为 315°平均为300°。该区4槽煤层平均倾角为55° 煤层最小厚度 为0 05 m最大厚度为7 m平均煤厚3 3 m 大部分为单层结构 局部为双层结构。伪顶为粉砂岩厚度0 5 m 极发育；直接顶为 粉砂岩厚度15 0 m较发育；老顶为砂岩厚度22 0 m较发育；底 板为粉砂岩厚度10 7 m不发育"煤层厚度较为稳定穴部分可 采。地质储量29 4万t可采储量18 6万t。2 2有限元模型根据采区地质和煤岩条件在回采巷道推进方向逢立二维数 值模拟有限

6、元模型。为减小模型边界效应的影响并根据4槽煤 层顶底板的围岩力学特征在模型走向方向上取200 m在模型垂 直方向上取200 模型上边界距地表约570 m 因此模型上部施 加约为14 25 mpa的均布载荷 并考虑自重（1h3o建立模型如 图1所示。图1有限元模型2 3煤岩物理力学参数各煤岩的物理力学参数以现场地质调查和煤岩力学实验结 果给定参数见表io表1煤岩物理力学参数表成分毎度/kgm 7弾性模呈/gpa泊松比内聚力/mpa内鎏葆角/（°）砂岩2 450400 33040煤1 75090 21045粉砂岩2 60015 780 268 615452 4数值模拟结果与分析从图2可知

7、未幵采时垂直应力大小分布的总体趋势是均勻 的值均为负值煤岩体为受压状态应力升高区和应力降低区出 现在图中的上下底板处而应力集中的主要原因是由于急倾斜煤 层的存在。应力最小值出现在煤层和底板下边界处，最小应力值收稿日期：2012-06-12作者简介：于丽艳（1979-）女硕士餅师于丽艳等：急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究85 4 67 mpa整个模型应力值都不大相对大的应力值出现在老顶 处值为37 4 mpa且范围很小。-.374e+08 -.301e+08 -.228e+08 -.156e+08 - 831e+07-.338e+08 -.265e+08 -.192e+08 -.119e+0

8、8 -.467e+07图2未幵采垂直应力分布图-.725e+08 -.534e+08 -.343e+08 -.151e+08.398e+07-.630e+08 -.438e+08-.247e+08 -.558e+07.135e+08a）推采13m时垂直应力分布图-.718e+08 -.529e+08 -.341e+08-.152e+08.350e+07-.624e+08 -.435e+08-.247e+08-.582e+07 .130e+08b）推采26m时垂直应力分布图-.720e+08 -.531e+08 -.342e+08 -.152e+08.370e+07-.626e+08 -.436

9、e+08 -.247e+08 -.577e+07.132e+08c）推采39 m时垂直应力分布图-.726e+08 -.534e+08 -.343e+08 -.152e+08.386e+07-.630e+08-.439e+08 -.248e+08 -.569e+07 .134e+08d）推采52m时垂直应力分布图图3推采不同距离时垂直应力分布图由图3可以看出：1)幵采13m时拉应力最大值为13 5 mpa 压应力最大值为72 5 mpa幵采26 m和39 m时应力集中区应力值减小开采52 m时应力值又增大为13 4 mpa 72 6 mpao由于 在模拟过程中考虑了支护的作用故应力值变化不大。

10、2)虽然向 上推采距离不同但应力集中区域出现在同处最大拉应力区出顼 在工作面下端处最大压应力区出现在工作面上端头。3)工作頂 上端头30 m范围内和工作面下巷临近工作面70 m以内区域应 力值较大此区域为鬲应力区域.3结语1)通过对长沟峪向斜南翼4槽煤层在推采不同距离时的垂 直应力分布图的分析可以划分出在工作面上端头30 m范围内和 工作面下巷临近工作面70 m以内是发生冲击地压的危险区域。 2)利用ansys有限元软件对长沟峪煤矿急倾斜煤层进行数值模 拟，划分出的冲击地压危险区域这一模拟结果与开采实际基本吻 合说明该数值模拟方法对研究预测急倾斜煤层的冲击地压具有 一定指导意义。参考文献：1

11、brauner g rock bursts in coal mines and their prevention m rotterdam: a a balkema -1994:2-642潘一山徐秉业冲击地压定量预测的研究j.煤矿幵采 1998(3):35-383潘一山冲击地压发生和破坏过程研究d北京：清华大 学工程力学系-19994李忠华潘一lu采煤工作面冲击地压的解析分析j辽宁 工程技术大学学报2002 21 (1):40-42.5尖 杰孙可明侏月明急倾斜煤层开采解放层防治冲击 地压数值模拟j辽宁工程技术大学学报-2002 -21 ( 4): 41w136王世娟潘一11| 李忠华等通化八宝矿

12、煤层冲击倾向性实 验与数值模拟j中国地质灾害与防治学报2010 21( 3): 105-1087邓利民张芳于华倾斜煤层冲击地压危险状况的数 值模拟研究j辽宁工程技术大学学报2001 20(4):455- 4568李英杰潘一山唐巨鹏等五龙矿冲击地压危险区划分研 究j矿山压力与顶板管理2005( 1):94-56夏均民张幵9智冲击倾向性理论在工程实践中的应用j矿山压力与顶 板管理 2003 20(4):97-9910毛德兵 冲击矿压发生危险性评价方法j煤矿幵采 2000( 4): 52-5311于丽艳潘一山李忠华等吉林省道清矿北斜井南平111同煤 层冲击危险性数值模拟j中国地质灾害与防治学报 20

13、11 22( 1):94-98.12朱伯芳有限元法原理及应用m北京：水电出版社 197913唐巨鹏潘一山ansys在煤矿开采数值模拟中应用研究j岩土力学 2004 25( sup): 329-342research on division of dangerous area of rockburst on the steeply inclined coal seamyu li-yan yan long-hai（college of science heilongjiang institute of science and technology harbin 150027 china）abstr

14、act: in the paper there is a analysis of numerical simulation on the steeply inclined coal seam in the changgouyu coal mine there are aril- ysises on the cloud picture of vertical stress and plastic strain under the different pushed distance - the dangerous areas are up and down the work- ing face results obtained by the numerical simulation basically consistent with the actual situation so the method of numerical simulation provides the referenee for safely mining of