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老虎台矿巷道断层冲击地压数值模拟研究
2011-08-05
结合抚顺老虎台煤矿的实际,对深埋巷道断层冲击 地压进行了数值模拟研究。模拟结果表明,深开采活动越接 近断层,断层处集中的应力就越大,随着应力不断积累,当达 到煤体极限强度时,就会通过喷射等方式释放其积累的弹性 能,从而诱发断层冲击地压。通过对老虎台矿断层冲击地压 的机理和特点的研究,提出了断层冲击地压的预防措施。
ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215 /TD 矿 业 研 究 与 开 发 第 28卷 M IN ING  R & D, Vol. 28,No. 2 第 2期   2008年 4月 Ap r. 2008   3 老 虎 台 矿 巷 道 断 层 冲 击 地 压 数 值 模 拟 研 究 1 , 2 2 3 2 张 艳 博 ,康 志 强 ,姜 国 虎 ,戚 伟 ( 1. 中 国 矿 业 大 学 力 学 与 建 筑 工 程 学 院 , 北 京 100083; 2. 河 北 理 工 大 学 资 源 与 环 境 学 院 ,   河 北 唐 山 市 063009; 3. 河 北 省 滦 平 县 国 土 资 源 局 ,河 北 滦 平 县 068250) 摘 要 :结 合 抚 顺 老 虎 台 煤 矿 的 实 际 ,对 深 埋 巷 道 断 层 冲 击 地 压 进 行 了 数 值 模 拟 研 究 。 模 拟 结 果 表 明 ,深 开 采 活 动 越 接 近 断 层 ,断 层 处 集 中 的 应 力 就 越 大 ,随 着 应 力 不 断 积 累 ,当 达 到 煤 体 极 限 强 度 时 ,就 会 通 过 喷 射 等 方 式 释 放 其 积 累 的 弹 性 能 ,从 而 诱 发 断 层 冲 击 地 压 。 通 过 对 老 虎 台 矿 断 层 冲 击 地 压 的 机 理 和 特 点 的 研 究 ,提 出 了 断 层 冲 击 地 压 的 预 防 措 施 。 关 键 词 :断 层 ;冲 击 地 压 ;数 值 模 拟 猛 烈 为 特 征 的 非 线 性 动 力 学 现 象 。 构 造 型 冲 击 地 压 主 要 指 受 构 造 应 力 作 用 ,煤 岩 体 发 生 的 突 然 失 稳 冲 击 。 它 是 研 究 者 公 认 的 最 主 要 [ 1~ 4 ] 的 冲 击 地 压 形 式 。 而 断 层 冲 击 地 压 属 于 构 造 型 冲 击 地 压 的 一 类 ,是 指 由 于 采 矿 活 动 引 起 的 断 层 的 突 然 相 对 错 动 而 猛 烈 释 放 能 力 的 现 象 。 目 前 有 关 断 层 冲 击 地 压 的 工 程 实 录 和 理 论 研 究 较 多 ,而 试 验 研 中 图 分 类 号 : TD324  文 献 标 识 码 : A [ 2 ] 。 文 章 编 号 : 1005 - 2763 (2008) 02 - 0021 - 02 究 较 少 1   老 虎 台 矿 断 层 冲 击 地 压 显 现 特 征 Numerica l Sim ulation of Fault Im pact Ground Pressure in Roadway a t Laohuta i Coa lM ine 1 . 1工 程 简 介 老 虎 台 矿 井 田 位 于 抚 顺 煤 田 的 中 部 ,井 田 西 部 与 西 露 天 矿 相 邻 ,东 部 为 与 龙 风 井 田 ,南 自 煤 层 露 头 ,北 至 18断 层 ,东 西 走 向 长 4. 95 km,南 北 宽 . 5 km左 右 ,井 田 面 积 约 10 km 。 矿 井 采 用 斜 竖 井 结 合 阶 段 水 平 大 巷 开 拓 方 式 ,现 开 采 水 平 为 - 730 m 及 - 830 m,回 采 段 高 50 m,最 终 回 采 标 高 - 820 m。 1, 2 2 3 2 Zhang Yanbo , KangZhiqiang , J iang Guohu , Q iW ei 1. School ofMechanics & Civil Engineering, China University ofM ining & Technology,Beijiny 100083 , China; 2. College ( 1 F 与 F of Resources and Environment, Hebei Polytechnic University, Tangshan , Hebei 063009 , China; 3. Land and Resources Bureau of Luanping County of Hebei Province, 2 2 Luanping, Hebei 068250 , China) Abstract:Combining with the practice of Laohutai coal m ine in Fushun, the numerical simulation on fault impact ground pres2 sure in deep roadwaywasmade. The results of numerical simula2 tion indicated that with the excavation approaching the fault, the stress at the fault became higher; with the stress accumulating and being up to the ultimate strength of coal, the elastic energy accumulated in coal released in ejecting way and so on, conse2 quently resulting in fault impact ground p ressure. Through the study on the the mechanism and characteristics of fault impact ground p ressure in Laohutai coalm ine, some measures to prevent and control fault impact ground p ressure were put forward. Key W ords: Fault, Impact ground pressure, Numerical simula2 tion 现 在 井 田 东 部 、中 部 及 西 部 3个 采 区 同 时 进 行 开 采 。 老 虎 台 矿 的 东 翼 是 一 个 东 西 向 的 向 斜 构 造 ,西 翼 是 一 个 南 北 向 的 缓 向 斜 构 造 ,共 有 较 大 断 层 14 条 。 从 大 的 构 造 环 境 方 面 看 ,抚 顺 煤 田 位 于 纬 向 构 造 带 和 华 夏 式 构 造 带 交 接 复 合 部 位 ,特 别 是 1 F 和 F1a断 层 是 控 制 区 域 内 构 造 环 境 的 主 要 因 素 ,矿 区 所 发 生 的 较 大 规 模 的 冲 击 地 压 主 要 是 由 断 层 和 构 造 的 特 征 、空 间 位 置 以 及 它 们 之 间 的 相 互 关 系 所 控 制 。 从 老 虎 台 井 田 内 部 小 的 环 境 看 , 14条 大 断 层 及 周 围 形 成 的 向 背 斜 构 造 和 次 一 级 的 断 裂 构 造 ,是 引 发 冲 击 地 压 的 主 要 原 因 ,也 是 冲 击 地 压 发 生 次 数 最 密 集 (特 别 是 大 震 级 )的 地 方 。 冲 击 地 压 一 般 是 指 在 矿 井 井 巷 和 采 场 周 围 煤 岩 1. 2  老 虎 台 矿 冲 击 地 压 特 点 及 影 响 因 素 体 ,由 于 变 形 能 的 突 然 释 放 而 产 生 的 以 突 然 、急 剧 、 随 着 老 虎 台 矿 开 采 逐 步 向 深 部 和 断 层 临 近 区 域 3 收 稿 日 期 : 2007 - 05 - 28 基 金 项 目 :河 北 省 科 技 厅 资 助 项 目 (05276919D) ;河 北 理 工 大 学 科 学 研 究 基 金 项 目 (200527). 作 者 简 介 :张 艳 博 (1973 - ) ,河 北 徐 水 人 ,男 , 博 士 ,副 教 授 ,从 事 岩 石 力 学 及 工 程 力 学 方 面 的 教 学 研 究 工 作 , Email: kzqzsh@163. com。 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 28 (2) 2 2 转 移 ,出 现 了 与 浅 部 开 采 不 同 的 一 些 非 线 性 动 力 学 现 象 ,使 得 深 部 资 源 开 采 环 境 极 度 恶 化 ,特 别 是 冲 击 地 压 灾 害 ,发 生 的 频 率 高 、强 度 大 ,给 安 全 开 采 带 来 极 大 的 威 胁 。 水 平 ,水 平 厚 度 为 4. 0 m。 断 层 与 巷 道 及 煤 层 延 伸 方 向 一 致 ,断 层 与 煤 层 之 间 的 夹 角 为 60般。 为 简 化 模 型 ,假 定 巷 道 围 岩 均 为 泥 质 砂 岩 。 边 界 条 件 采 用 如 下 几 个 假 定 : 影 响 老 虎 台 矿 冲 击 地 压 的 因 素 多 且 复 杂 ,既 有 地 质 因 素 ,又 有 非 地 质 因 素 。 就 地 质 因 素 来 看 ,主 要 包 括 矿 井 的 自 重 应 力 和 区 域 构 造 应 力 场 ,煤 层 的 结 构 特 性 ,煤 层 中 的 瓦 斯 压 力 、含 量 及 其 封 闭 运 移 形 式 等 ,非 地 质 因 素 就 是 采 掘 活 动 的 影 响 。 在 上 述 诸 因 素 中 ,自 重 及 区 域 构 造 应 力 状 态 是 发 生 冲 击 地 压 的 动 力 条 件 或 力 学 条 件 ,煤 体 结 构 特 性 是 发 生 冲 击 地 压 的 物 质 基 础 ,而 采 掘 活 动 则 是 冲 击 地 压 的 诱 因 。 (1) 模 型 顶 部 承 受 700 m深 的 上 覆 岩 层 的 重 力 ; (2) 模 型 侧 向 和 底 部 固 定 ; (3) 锚 杆 支 护 对 巷 道 顶 板 围 岩 的 锚 固 力 为 20 kN,对 两 侧 围 岩 的 锚 固 力 为 20 kN; (4) 断 层 界 面 处 存 在 摩 擦 力 ,摩 擦 系 数 为 0. 1。 2   断 层 冲 击 地 压 的 模 拟 试 验 当 开 采 接 近 断 层 时 引 发 煤 岩 体 断 层 的 突 然 滑 动 ,成 为 断 层 冲 击 地 压 。 理 论 分 析 和 有 限 元 的 模 拟 结 果 表 明 ,开 采 对 断 层 的 影 响 主 要 是 使 断 层 所 受 到 的 剪 应 力 增 加 ,所 以 在 试 验 室 内 通 过 增 加 断 层 所 受 的 剪 应 力 ,可 以 模 拟 开 采 对 断 层 冲 击 地 压 的 影 响 。 通 过 实 验 发 现 ,当 正 应 力 小 于 等 于 16 kN时 ,只 有 稳 定 的 滑 动 ,没 有 冲 击 ;当 正 应 力 为 30 kN,剪 切 力 达 到 31 kN时 发 生 突 发 式 的 断 层 冲 击 ,上 下 盘 错 动 ,发 生 很 大 的 响 声 ,试 验 设 备 剧 烈 振 动 ,剪 切 力 迅 速 跌 落 ;当 正 应 力 为 37 kN和 48 kN时 也 发 生 了 断 层 冲 击 地 压 。 实 际 上 断 层 所 受 到 的 正 应 力 是 由 于 上 覆 层 自 重 产 生 的 。 这 就 解 释 了 为 什 么 断 层 冲 击 地 压 只 有 在 煤 层 开 采 达 到 一 定 深 度 时 才 发 生 ,而 在 浅 部 开 采 时 不 会 发 生 。 此 外 通 过 试 验 发 现 ,断 层 一 旦 发 生 一 次 冲 击 ,就 有 再 次 发 生 冲 击 的 可 能 性 ,但 震 级 相 对 减 小 。 图 1数 值 模 拟 模 型 及 网 格 划 分 3. 2  岩 体 力 学 参 数 由 收 集 的 资 料 选 取 煤 层 与 围 岩 在 存 在 断 层 情 况 下 的 力 学 参 数 见 表 1。 表 1力 学 参 数 弹 性 模 量 MPa) 密 度 ( kg/m3 ) 内 聚 力 (MPa) 摩 擦 角 ( 般) 材 料 泊 松 比 ( 煤 体 围 岩 1200 3400 0. 26 0. 30 1300 2100 1. 9 33 35 1. 25 3. 3  三 维 有 限 元 数 值 模 拟 方 案 通 过 分 步 开 挖 ,揭 示 巷 道 开 挖 过 程 中 断 层 处 的 应 力 、位 移 变 化 特 征 。 全 过 程 分 为 3次 开 挖 。 模 型 全 长 60 m,每 次 开 挖 20 m。 3   断 层 冲 击 地 压 数 值 模 拟 为 了 进 一 步 分 析 老 虎 台 煤 矿 巷 道 断 层 冲 击 地 压 3. 4  三 维 有 限 元 计 算 结 果 分 析 的 影 响 ,建 立 了 断 层 冲 击 地 压 的 ANSYS有 限 元 数 值 模 型 ,借 助 数 值 模 型 分 析 了 老 虎 台 煤 矿 断 层 冲 击 地 压 的 发 生 机 理 和 岩 石 破 坏 情 况 ,以 实 现 对 断 层 冲 击 地 压 的 预 测 与 防 治 。 本 次 研 究 对 象 垂 直 于 断 层 方 向 开 挖 ,通 过 断 层 时 ,根 据 断 层 及 巷 道 处 应 力 与 位 移 的 变 化 特 征 ,来 研 究 断 层 冲 击 地 压 的 发 生 机 理 。 通 过 数 值 模 拟 得 到 的 各 开 挖 步 中 巷 道 及 断 层 位 移 与 应 力 见 表 2。 3. 1  三 维 计 算 模 型 的 构 建 结 合 抚 顺 老 虎 台 煤 矿 的 实 际 ,建 立 了 如 图 1所 示 的 断 层 冲 击 地 压 三 维 有 限 元 计 算 模 型 。 计 算 模 型 为 老 虎 台 地 下 埋 深 700 m 的 巷 道 ,周 边 有 一 与 巷 道 延 伸 方 向 一 致 的 断 层 。 模 型 尺 寸 为 50 m 资 40 m 资 巷 道 未 开 挖 时 ,由 于 自 重 作 用 ,断 层 附 近 岩 体 会 发 生 较 小 的 变 形 ,为 0. 003 m。 变 形 程 度 微 弱 。 巷 道 进 行 一 次 开 挖 后 ,巷 道 两 侧 围 岩 的 应 力 与 应 变 重 新 分 布 ,在 巷 道 周 围 与 断 层 附 近 的 应 力 较 大 。模 拟 (下 转 第 74页 ) 6 0 m;巷 道 断 面 宽 资高 为 4 m 资 3 m。 煤 层 倾 角 近 乎 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 28 (2) 7 4 等 值 线 。 结 果 表 明 ,瓦 斯 含 量 对 煤 与 瓦 斯 突 出 的 影 响 不 大 ,而 最 大 主 应 力 的 影 响 则 较 大 ,这 主 要 是 因 为 最 大 主 应 力 容 易 使 煤 层 顶 板 的 岩 层 发 生 塑 性 变 形 , 并 使 煤 体 发 生 破 坏 ,降 低 了 煤 体 的 强 度 ,从 而 容 易 产 5   主 要 结 论 河 南 省 焦 作 市 中 马 村 矿 先 后 发 生 20多 起 煤 为 瓦 斯 突 出 事 故 ,严 重 影 响 着 该 矿 的 安 全 生 产 。 为 了 探 讨 影 响 煤 与 瓦 斯 突 出 的 地 质 因 素 ,采 用 空 心 包 体 应 力 解 除 法 对 该 矿 成 功 地 进 行 了 两 个 测 点 的 地 应 力 测 试 。 结 果 表 明 ,最 大 主 应 力 大 致 在 水 平 方 向 ,为 构 造 应 力 ,最 小 主 应 力 大 致 在 竖 直 方 向 ,基 本 接 近 或 小 于 上 覆 岩 层 的 重 力 。 根 据 地 质 钻 探 揭 露 的 各 岩 层 的 厚 度 和 深 度 ,通 过 点 → 线 、线 → 面 、面 → 体 的 顺 序 ,建 立 了 煤 与 瓦 斯 突 出 区 域 的 三 维 有 限 元 模 型 ,将 两 个 实 测 点 的 最 大 和 中 间 主 应 力 值 作 为 面 荷 载 施 加 到 模 型 上 ,并 施 加 了 合 理 的 约 束 条 件 ,根 据 模 拟 得 到 的 煤 层 的 最 大 主 应 力 云 图 及 煤 与 瓦 斯 突 出 点 和 瓦 斯 含 量 生 煤 与 瓦 斯 突 出 。 参 考 文 献 : [ [ [ [ 1 ] 汪 西 海 . 煤 和 瓦 斯 突 出 与 地 应 力 之 关 系 [ J ]. 地 质 力 学 学 报 997, 3 (1) : 88~ 94. 2 ] 朱 连 山 . 煤 瓦 斯 突 出 机 理 浅 析 [ J ]. 矿 业 安 全 与 环 保 , 2002, 29 2) : 23~ 25. 3 ] 邱 祥 波 ,李 术 才 ,李 树 枕 . 三 维 地 应 力 回 归 分 析 方 法 与 工 程 应 [ J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2002, 22 (10) : 1613~ 1617. 4 ] 戴 永 浩 ,陈 卫 忠 ,刘 泉 声 ,等 . 深 部 高 地 应 力 巷 道 断 面 优 化 研 究 J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2006, 23 (增 2) : 4960~ 4965. , 1 ( 用 [   (上 接 第 22页 ) 蕴 育 过 程 中 ,也 有 一 个 由 缓 到 急 的 变 化 ,最 终 导 致 爆 发 冲 击 地 压 。 巷 道 掘 进 过 程 中 ,煤 岩 内 部 参 数 不 断 变 化 ,仔 细 分 析 这 些 变 化 ,提 出 合 理 的 判 别 方 法 ,可 为 采 取 措 施 预 防 冲 击 低 压 提 供 参 考 。 发 现 巷 道 附 近 最 大 变 形 为 0. 03154 m。 表 2断 层 附 近 巷 道 围 岩 的 应 力 与 位 移 过 程 序 号 应 力 ( Pa) 位 移 (m) 6 利 用 有 限 元 ANSYS程 序 ,分 析 了 老 虎 台 矿 巷 道 冲 击 地 压 发 生 时 的 变 形 及 应 力 分 布 情 况 。 数 值 结 果 的 分 析 表 明 ,冲 击 地 压 发 生 时 ,冲 击 点 附 近 的 应 力 或 位 移 变 化 较 其 他 时 刻 同 一 位 置 的 变 化 和 其 他 位 置 同 时 刻 的 变 化 都 要 剧 烈 ,此 分 析 结 果 可 用 于 巷 道 掘 进 过 程 中 的 冲 击 地 压 预 测 。 开 挖 前 0. 23 资 10 2. 15 资 10 2. 69 资 10 0. 003 0. 031 0. 033 0. 038 6 6 一 次 开 挖 后 二 次 开 挖 后 三 次 开 挖 后 6 3. 4 资 10   巷 道 进 行 二 次 开 挖 后 ,在 巷 道 周 围 与 断 层 附 近 的 应 力 比 二 次 开 挖 前 (即 一 次 开 挖 时 ) 增 大 。 由 6 6 . 15 资 10 MPa增 加 到 2. 69 资 10 MPa。 巷 道 附 近 2 为 预 防 断 层 冲 击 地 压 可 采 用 以 下 工 程 对 策 : (1) 使 开 采 活 动 不 接 近 断 层 ,或 通 过 留 设 煤 柱 的 办 法 ,避 免 断 层 的 移 动 ; 最 大 变 形 增 大 至 0. 0326 m。 巷 道 进 行 三 次 开 挖 并 且 于 此 次 通 过 断 层 ,在 巷 道 周 围 尤 其 是 巷 道 顶 部 集 中 了 较 大 的 应 力 ,达 到 3. 4 (2) 对 中 小 断 层 增 大 断 层 面 与 工 作 面 的 夹 角 , 减 少 断 层 在 工 作 面 倾 向 方 向 上 一 次 性 暴 露 的 面 积 ; (3) 考 虑 大 断 面 巷 道 ,加 大 构 造 应 力 的 释 放 空 间 ,同 时 对 煤 层 进 行 软 化 ,解 除 重 力 的 约 束 作 用 ,使 6 资 10 MPa,比 第 二 次 开 挖 时 有 较 大 的 增 加 。 巷 道 处 发 生 的 变 形 最 大 增 大 至 0. 038 m。 以 上 数 值 模 拟 结 果 说 明 ,地 下 赋 存 的 岩 体 ,未 采 动 之 前 处 于 自 然 应 力 状 态 ,但 一 经 开 挖 而 形 成 空 洞 后 ,自 然 应 力 状 态 遭 到 破 坏 ,引 起 应 力 重 新 分 布 ,使 围 岩 的 应 力 集 中 。 随 着 开 采 范 围 的 不 断 扩 大 ,或 者 越 接 近 断 层 ,断 层 处 集 中 的 应 力 就 越 大 ,应 力 也 在 不 断 积 累 ,当 煤 体 达 到 其 极 限 强 度 时 ,就 会 通 过 喷 射 等 方 式 释 放 其 积 累 的 弹 性 能 ,诱 发 断 层 冲 击 地 压 。 巷 道 分 步 开 挖 ,造 成 断 层 附 近 应 变 能 的 不 断 积 聚 ,是 引 发 冲 击 地 压 的 先 决 条 件 之 一 。 构 造 应 力 在 短 的 时 间 内 得 到 释 放 。 参 考 文 献 : [ 1 ] 邰 英 楼 ,王 来 贵 ,章 梦 涛 . 冲 击 地 压 的 分 类 研 究 [ J ]. 煤 炭 开 采 , 1998, 29 (1) : 27~ 28. [ 2 ] 齐 庆 新 ,陈 尚 本 ,王 怀 新 ,等 . 冲 击 地 压 、岩 爆 、矿 震 的 关 系 及 其 数 值 模 拟 研 究 [ J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2003, 22 (11) : 1852 ~ 1858. [ [ [ 3 ] 王 长 胜 . 浅 谈 冲 击 地 压 及 防 治 技 术 [ J ]. 煤 炭 技 术 , 2000, 19 ( 2) : 25~ 26. 4 ] 公 茂 泉 . 对 山 东 煤 矿 冲 击 地 压 的 认 识 及 防 治 措 施 [ J ]. 山 东 煤 炭 科 技 , 1997, (1) : 9~ 12. 4   结 论 5 ] 王 庆 阳 ,张 德 利 ,李 国 宏 . 冲 击 地 压 的 发 生 与 防 治 [ J ]. 煤 矿 安 冲 击 地 压 的 发 生 有 一 定 的 滞 后 性 ,但 在 长 期 的 全 , 2002, 33 (7) : 9~ 11.
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