巷道底煤厚度對(duì)礦震誘發(fā)底鼓沖擊研究

劉建剛，郁鐘銘，劉 賽，井廣成，劉洪洋，李志剛

(1.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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巷道底煤厚度對(duì)礦震誘發(fā)底鼓沖擊研究

劉建剛1，郁鐘銘1，劉 賽2，井廣成2，劉洪洋1，李志剛1

(1.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于FLAC2D數(shù)值模擬軟件分析巷道底煤厚度對(duì)礦震誘發(fā)底鼓沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：隨著底煤厚度的增加，動(dòng)力擾動(dòng)下巷道底板水平應(yīng)力峰值先升高后降低并逐漸向底板深處轉(zhuǎn)移，底板垂直位移峰值、塑性區(qū)深度及最大能量密度均呈非線性增加，且增加趨勢(shì)越來(lái)越弱，并趨于穩(wěn)定；動(dòng)力擾動(dòng)下特厚煤層巷道極易發(fā)生底鼓沖擊動(dòng)力災(zāi)害，動(dòng)力效應(yīng)明顯；現(xiàn)場(chǎng)礦震演化規(guī)律分析驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)論的合理性。研究成果可為特厚煤層巷道底沖擊礦壓防治提供借鑒。

底煤厚度；礦震；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；底鼓沖擊；特厚煤層

底板型沖擊礦壓是在礦山采動(dòng)或采掘面擾動(dòng)下誘發(fā)底板煤巖層變形能的瞬時(shí)釋放，表現(xiàn)為底板煤巖層突然、急劇、猛烈的向上突出，引起采掘空間圍巖、設(shè)備破壞的沖擊動(dòng)力災(zāi)害[1]。研究表明[2-4]，對(duì)于較薄或中厚煤層，巷道沿底板布置容易產(chǎn)生兩幫煤體(柱)沖擊；對(duì)于厚煤層或特厚煤層，開采上分層或綜放開采將巷道沿頂板布置留底煤時(shí)，由于對(duì)底板沒(méi)有采取有效卸壓措施和合理支護(hù)，易發(fā)生底鼓沖擊。

動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的研究已取得不少成果。朱萬(wàn)成等[5]采用數(shù)值軟件系統(tǒng)RFPA對(duì)巖石在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)觸發(fā)深部巷道發(fā)生的破裂過(guò)程進(jìn)行了研究，探討了不同地應(yīng)力條件下動(dòng)態(tài)擾動(dòng)觸發(fā)的巷道破裂過(guò)程。彭維紅等[6]運(yùn)用LS-DYNA軟件對(duì)擾動(dòng)應(yīng)力波作用下巷幫圍巖層裂破壞結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程、頂板巖性對(duì)層裂結(jié)構(gòu)形成的影響進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬分析，得到了一定巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)下巷幫圍巖層裂結(jié)構(gòu)的形狀、厚度等特征。溫穎遠(yuǎn)等[7]通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC對(duì)動(dòng)力擾動(dòng)下不同硬度煤層巷道圍巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)下硬煤層巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)范圍等特征參量均大于軟煤，更易發(fā)生沖擊破壞。謝龍等[8]基于FLAC2D數(shù)值模擬軟件探討動(dòng)載作用下不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道底板沖擊的影響，表明動(dòng)載作用下水平構(gòu)造應(yīng)力越大，巷道底板沖擊危險(xiǎn)性越高。

近年來(lái)，特厚煤層開采過(guò)程中巷道沖擊等動(dòng)力顯現(xiàn)越來(lái)越頻繁，目前特厚煤層工作面回采巷道在煤巖地層中位置選擇對(duì)特厚煤層巷道沖擊的影響研究較少。本文利用FLAC2D數(shù)值模擬軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)礦震擾動(dòng)下特厚煤層工作面巷道留底煤底鼓沖擊的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究，以期為具有類似地質(zhì)條件特厚煤層巷道底鼓沖擊礦壓控制提供一定理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型和方案

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

陜西永隴礦區(qū)某礦250204工作面在回采過(guò)程中巷道多次發(fā)底鼓甚至底板沖擊等動(dòng)力顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響煤礦正常生產(chǎn)，基于該工作面運(yùn)輸平巷地質(zhì)條件利用FLAC2D建立數(shù)值模型。模型尺寸及模型的巖性參數(shù)如表1、圖1所示。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖1 巷道底煤厚度對(duì)礦震誘發(fā)底鼓沖擊數(shù)值模擬模型

根據(jù)文獻(xiàn)[9]將礦震震源簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧波，通過(guò)對(duì)該礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際記錄的震動(dòng)波簡(jiǎn)化處理，利用FLAC2D軟件中的動(dòng)載模塊將其施加到巷道右上方20m處，該震動(dòng)波頻率為50Hz，最大峰值應(yīng)力為20MPa。

1.2 模擬方案

為分析礦震擾動(dòng)下底煤厚度對(duì)巷道底鼓沖擊的影響，建立7個(gè)相同的模型，分別取底煤層厚度為0m、1m、3m、5m、10m、15m、20m，其他參數(shù)相同。利用巷道底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄礦震擾動(dòng)下底板應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布演化特征，進(jìn)而揭示不同底煤厚度對(duì)礦震誘發(fā)巷道底鼓沖擊的影響。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 礦震擾動(dòng)下底板水平應(yīng)力動(dòng)力特性分析

系統(tǒng)平衡后，提取巷道底板(煤)10m范圍內(nèi)水平應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖2可見(jiàn)，礦震作用下巷道底板水平應(yīng)力隨時(shí)間變化呈現(xiàn)波動(dòng)，應(yīng)力集中程度先瞬間升高后降低，此后應(yīng)力波動(dòng)效果逐漸減弱，主要由于震動(dòng)波處于逐漸衰減狀態(tài)；相比靜載作用下應(yīng)力水平，礦震擾動(dòng)下不同底煤厚度巷道底板應(yīng)力峰值平均升高4.47MPa。由圖3可見(jiàn)，隨著巷道底煤厚度的增加，最大水平應(yīng)力先升高后降低并逐漸向底板深處轉(zhuǎn)移；當(dāng)1m≤d≤5m，應(yīng)力峰值位于粗砂巖底板中，最大水平應(yīng)力由32.93MPa增加至42.53MPa，應(yīng)力集中程度高，由于水平應(yīng)力集中區(qū)域位于厚硬砂巖中，巖石極限強(qiáng)度較大，底板相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)?shù)酌汉穸仍黾拥揭欢ㄖ?d=10m)后，應(yīng)力峰值不再向深部轉(zhuǎn)移而位于底煤中，且基本保持恒定，由于煤體較巖石更容易破壞，本階段容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。以上表明，礦震擾動(dòng)底鼓沖擊與底煤厚度和底板巖性密切相關(guān)。

圖2 底板水平應(yīng)力動(dòng)力特性曲線圖

2.2 礦震擾動(dòng)下底板位移動(dòng)力特性分析

不同底煤厚度巷道底板垂直位移演化曲線如圖4所示，位移峰值隨底煤厚度的變化如圖5所示。靜載作用下巷道垂直位移量較小，最大位移量為138mm，礦震擾動(dòng)下巷道位移增加明顯，最大位移增量達(dá)到390.40mm(d=20m)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果明顯；隨著巷道底煤厚度的增加，底板垂直位移峰值呈非線性增加(由101.08mm增至528.92mm)，當(dāng)1m≤d≤5m，底板垂直位移量增加趨勢(shì)明顯，當(dāng)?shù)酌汉穸仍黾拥?0m后，位移量基本保持相對(duì)穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，巷道留設(shè)底煤越厚，底鼓量越大，礦震等動(dòng)載擾動(dòng)下特厚煤層底鼓沖擊危險(xiǎn)性更高，沖擊顯現(xiàn)明顯。

圖3 底板最大水平應(yīng)力隨底煤厚度的變化

圖4 底板垂直位移演化曲線

圖5 底板最大垂直位移隨底煤厚度變化曲線

2.3 礦震擾動(dòng)下底板塑性區(qū)響應(yīng)規(guī)律分析

礦震擾動(dòng)作用巷道底板巖層破壞可由底板巖層巖塑性區(qū)分布變化直接反映。由圖6可知，礦震擾動(dòng)下底板出現(xiàn)明顯塑性破壞，底煤厚度較小時(shí)(1m≤d≤3m)，塑性區(qū)主要分布在巷道頂板及兩幫區(qū)域，底板塑性區(qū)相對(duì)較少，主要由于巷道底板為厚層粗砂巖，巖石強(qiáng)度大，不易發(fā)生塑性破壞；隨著底煤厚度的增加(d≥5m)，底板塑性區(qū)相應(yīng)擴(kuò)大，底煤破壞范圍增加，底鼓沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)。由圖7可見(jiàn)，隨著巷道底煤厚度的增加，底板塑性區(qū)深度呈非線性增加(由2.5m增至10m)，且增加趨勢(shì)越來(lái)越弱，并趨于穩(wěn)定。以上表明，底煤厚度越大，巷道底板塑性區(qū)范圍越大，礦壓顯現(xiàn)越明顯，礦震擾動(dòng)下特厚煤層巷道底煤破壞嚴(yán)重，沖擊危險(xiǎn)性高。

圖6 底板圍巖塑性區(qū)演化圖

圖7 底板塑性區(qū)深度隨底煤厚度變化曲線

2.4 底板能量的積聚特征

煤巖體中積聚有大量的彈性能以沖擊載荷的形式瞬間釋放為沖擊礦壓發(fā)生的實(shí)質(zhì)，而彈性能的釋放誘發(fā)沖擊主要涉及彈性能的積聚程度，以能量密度Ud描述，其值越大，沖擊危險(xiǎn)性越高[10]。

運(yùn)用FLAC2D中的FISH語(yǔ)言可以獲得煤巖體應(yīng)變能密度，巷道圍巖能量密度分布云圖如圖8所示，底板能量密度最大值(Ud)max隨底煤厚度演化曲線見(jiàn)圖9。動(dòng)載擾動(dòng)后，不同厚度底煤的巷道圍巖彈性能積聚程度不同，底煤賦存較薄時(shí)，而底板為堅(jiān)硬、厚度大且完整性較好的粗砂巖，應(yīng)變率小，能量集中區(qū)域主要分布在巷道兩角部且范圍較小；底煤厚度較大時(shí)，能量主要積聚在巷道底板及角部且范圍增大，主要由于底煤硬度小，變形量大，易釋放彈性能。隨著底煤厚度的增加，最大能量密度呈非線性增加(由5×104J·m-3增至22×104J·m-3)，此后基本保持不變，且能量密度峰值位置不斷向底板深處移。由此可見(jiàn)，礦震擾轉(zhuǎn)動(dòng)下特厚煤層巷道底板能量密度大，易發(fā)生底鼓沖擊。

圖8 巷道圍巖能量積聚云圖

圖9 隨底煤厚度演化曲線

通過(guò)以上對(duì)礦震擾動(dòng)下不同底煤厚度的巷道底板應(yīng)力、位移、塑性區(qū)及能量密度等沖擊效應(yīng)特征參量的變化分析，留設(shè)底煤厚度越大，底板沖擊危險(xiǎn)性越高，受礦震動(dòng)載擾動(dòng)特厚煤層巷道極易發(fā)生底鼓沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

3 工程實(shí)踐

250204綜放工作面位于礦井2502采區(qū)中部，南至二水平軌道大巷，北至井田邊界，東為250205工作面采空區(qū)，西為正在掘進(jìn)的250203工作面，如圖10所示。工作面構(gòu)造較為復(fù)雜，自南向北由背斜轉(zhuǎn)入向斜，同時(shí)沿走向次級(jí)褶曲發(fā)育，造成煤層波狀起伏。工作面標(biāo)高+1100～+1220m，地面標(biāo)高+1509～+1603m，傾斜長(zhǎng)225m，走向推進(jìn)約2000m。工作面開采5煤層，均厚38.1m，為特厚煤層，傾角8°；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.0～5.0m，老頂為5.0～18.0m的粉砂巖；直接底為0.05～0.2m的泥巖，老底為中粗砂巖，厚6.5～19m。本工作面開采上分層厚度10～13m，受厚層底煤、堅(jiān)硬砂巖頂板及褶曲構(gòu)造影響嚴(yán)重。

表2 底板各參量動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)

圖10 250204工作面平面示意圖

250204綜放工作面自2011年1月6日開始至2012年12月26日回采結(jié)束共發(fā)生54次沖擊礦壓，其中實(shí)體煤側(cè)的運(yùn)輸順槽發(fā)生49次，占總沖擊次數(shù)的90.74%，臨空區(qū)側(cè)的材料順槽發(fā)生5次，占9.26%，底鼓動(dòng)力顯現(xiàn)嚴(yán)重，造成設(shè)備損壞、巷道破壞與人員傷亡等。礦震震源的空間分布能夠反映采掘區(qū)域煤巖體的破裂與應(yīng)力場(chǎng)狀況，且能量大于105J的強(qiáng)礦震極易誘發(fā)沖擊礦壓的發(fā)生[11]。工作面回采期間礦震活動(dòng)劇烈，大能量強(qiáng)礦震多，見(jiàn)圖11所示。

圖11 工作面礦震分布圖(E≥1×105J)

由圖可見(jiàn)，大能量礦震震源主要分布在工作面內(nèi)部，表明采掘作用下高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體破裂運(yùn)動(dòng)釋放彈性能孕育強(qiáng)礦震，與其空間關(guān)系一致；與以往礦震主要分布在采空區(qū)側(cè)不同，工作面運(yùn)輸順槽側(cè)強(qiáng)礦震相比軌道順槽側(cè)較多，主要由于受褶曲構(gòu)造應(yīng)力影響所致；沿走向剖面上，除開采初期首次見(jiàn)方頂板活動(dòng)劇烈強(qiáng)礦震在頂板有較多分布外，大部分強(qiáng)礦震分布在煤層和底板位置，表明特厚煤層底板更容易積聚彈性能造成沖擊失穩(wěn)。

6 結(jié) 論

1)底板水平應(yīng)力隨著動(dòng)態(tài)時(shí)間變化出現(xiàn)波動(dòng)，水平應(yīng)力先瞬間升高后降低，沖擊后應(yīng)力集中現(xiàn)象消失；底煤厚度較小時(shí)，應(yīng)力峰值高且位于粗砂巖底板中，沖擊危險(xiǎn)性低；底煤厚度較大時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域位于底煤中，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。表明底鼓沖擊與底煤厚度有及底板巖層巖性緊密相關(guān)，特厚煤層底板堅(jiān)硬且巷道底煤較厚時(shí)易發(fā)生底鼓沖擊。

2)隨著底煤厚度的增加，位移峰值呈非線性增加，且增加趨勢(shì)越來(lái)越弱，最終趨于穩(wěn)定；礦震擾動(dòng)下特厚煤層底鼓沖擊危險(xiǎn)性高，沖擊顯現(xiàn)明顯。

3)隨著底煤厚度的增加，巷道圍巖塑性區(qū)范圍增加，動(dòng)態(tài)響應(yīng)強(qiáng)度增大，且底板塑性區(qū)深度呈非

線性增加，并趨于穩(wěn)定。

4)隨著底煤厚度的增加，彈性能積聚范圍增大，最大能量密度 呈非線性增加，且能量密度峰值位置不斷向底板深處移。礦震擾轉(zhuǎn)動(dòng)下特厚煤層巷道易發(fā)生底鼓沖擊。

5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦震演化規(guī)律分析驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)論的合理性，為類似條件下特厚煤層安全開采提供借鑒意義。

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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

貴州省科技廳技術(shù)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔科合LH字[2015]7619號(hào))；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51204165)；采礦工程省級(jí)特色重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔學(xué)位合字ZDXK[2015]9號(hào))

劉建剛(1988-)，男，山東昌樂(lè)人，講師，碩士，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，從事采礦工程專業(yè)的教學(xué)和科研工作。E-mail：363534629@qq.com。

TD823.25

A

1004-4051(2016)11-127-05