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底煤厚度对动载扰动诱发巷道底鼓冲击的影响研究

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 213次


摘要:为了探讨底煤厚度对动载扰动诱发巷道底鼓冲击的影响,基于FLAC2D数值模拟软件对动力扰动下留设不同厚度底煤巷道底板冲击的动态响应规律进行了数值分析。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

关键词:底煤厚度;动力扰动;动态响应;底鼓冲击;特厚煤层;矿震

Study on the Effect of Different Bottom Coal Thickness on Floor Rock-burst Induced by Dynamic Disturbance

Zhang Junwei,Chen Junmin,Su Fa

(Halagou Coal Mine,China Shenhua shendong Coal Group Co. ,Ltd. ,Shenmu,Shanxi 713915,China)

Abstract:In order to study the effect of bottom coal thickness on roadway floor rock-burst induced by dynamic disturbance ,the paper analysis dynamic response law of roadway floor rock-burst induced dynamic disturbance at different bottom coal thickness by using FLAC2D numerical simulation software. The results 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 occurr 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 engineering example. The study conclusions will provide reference for explore on roadway floor rock-burst prevention of extremely thick coal seam and other similar conditions.

Key wordsbottom coal thicknessdynamic disturbancedynamic response floor rock-burstextremely thick coal seammining shock


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[5]等采用数值软件系统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[6]等运用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[7]等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[8]等基于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。

相关文献采用不同数值模拟软件探究了动力扰动对巷道冲击破坏的影响,较少研究动载对底板冲击的影响作用,更未涉及底煤厚度对动载诱发巷道底鼓冲击的影响。本文基于FLAC2D数值模拟软件对动载诱发底板冲击的动态响应规律进行分析,探讨动力扰动下不同底煤厚度巷道围岩应力场、位移场、塑性区及能量积聚等冲击效应参量的分布情况,为具有动力特征的特厚煤层巷道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

数值模型基于某矿250204工作面地质条件为基础,以两顺槽为研究对象,采用FLAC2D建模。模型尺寸100m×80m(长×宽),顶部距地表500m,马蹄形巷道断面尺寸宽×高为5m×3.8m,顶帮锚杆、顶部锚索根据实际支护参数进行模拟。模型下部边界固支约,上部边界施加12.25Mpa均布载荷,由于本区域褶曲构造影响严重,两侧施加水平应力18.38Mpa并限定方向位移(侧压系数1.5),g=9.8m/s2。模型的岩性参数如表1所示。

表1 煤层及顶底板岩层力学性质参数

岩性

厚度/m

体积模量/GPa

剪切模量/GPa

密度/Kg.m-3

摩擦角/()

内聚力/MPa

粉砂岩

20

8

4

2500

32

30

砂泥岩

5

2

2

2200

31

5

煤层上

15

1.5

1

1400

30

2

煤层下

20

1.5

1

1400

30

2

粗砂岩

20

12

6

2500

38

50

运用FLAC2D软件中的Dynamic功能模块进行动态模拟,根据文献[9]将矿震震源简化为简谐波,震源位于巷道上方顶板20m偏右20m处,频率50Hz、应力扰动峰值强度20MPa、作用时间1s,视巷道围岩为平面应变问题。动载模型如图1所示。

图1 动载模型

1 2 模拟方案

为分析动力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,分别取下煤层厚度为0m1m3m5m10m15m20m,其他参数相同。在巷道底板设置监测点,对比分析底板应力、位移及塑性区分布等动态响应特征,揭示不同底煤厚度对动载诱发巷道底鼓冲击的响应规律。

2 模拟结果及分析

1底板水平应力动态响应规律分析

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1可见,动载作用下巷道底板水平应力发生明显变化,随着动态时间变化水平应力出现波动,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,动态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2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1md5m,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,底板是否失稳不仅与底煤厚度有关,还和底板岩层密切相关,当底煤较厚且存在厚硬底板岩层时,受扰动影响易发生底鼓冲击。

图2 底板水平应力动态响应曲线图

图3 底板最大水平应力随底煤厚度h的变化

2底板位移动态响应规律分析

不同底煤厚度巷道底板垂直位移动态响应曲线见图4所示,位移峰值随底煤厚度的变化见图5所示。动力扰动下底板垂直位移初始明显变化区间集中在0.05-0.10s0.25s之后趋于稳定,且初次明显变化的时间比应力升高时间滞后约0.02s,表明底板应力先发生瞬间变化,致使底板发生层裂破坏,进而导致垂直位移发生突然增大;静载作用下巷道垂直位移量较小,最大位移量为138mm,动载扰动下巷道位移增加明显,最大位移增量达到390.40mmd=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1md5m,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,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4 底板垂直位移动态响应曲线图

图5 底板最大垂直位移随底煤厚度h的变化

3底板塑性区动态响应规律

动力扰动作用下,巷道围岩发生剪切和拉伸破坏,塑性区分布变化直接反映了巷道围岩的破坏情况。由图6可知,整个动态作用过程中,底板出现明显的拉伸破坏和剪切破坏现象,底板表面出现拉伸破坏;底煤厚度较小时(1md3m),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硬粗砂岩,不容易发生塑性破坏;随着底煤厚度的增加(d5m),底板塑性区相应扩大,底煤破坏范围增加,动态响应强度增大。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,动载扰动下特厚煤层巷道底煤破坏严重,冲击危险性高。

(a)h=1m              (b)h=2m

(c)h=5m             (d)h=10m

(e)h=15m             (f)h=20m

图6 巷道围岩塑性区分布图

图7 底板塑性区深度随底煤厚度h的变化

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(Udmax随底煤厚度h的变化见图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,动载扰转动下特厚煤层巷道底板能量密度大,易发生底鼓冲击。


(a)h=1m             (b)h=3m



图8 巷道围岩能量积聚云图

图9随底煤厚度h的变化图

通过以上对动力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。

表2 底板各参量动态响应特征统计

底煤厚

/m

应力峰

/MPa

位移峰值/MPa

塑性区深

/m

Udmax/104J.m-3

应力峰值位置

0

29.88

5.95

1.5

2.5

岩层

1

32.93

101.08

2.5

5

岩层

3

38.35

236.28

4

7

岩层

5

42.53

348.18

5

13

岩层

10

31.82

348.17

8

22

底煤

15

33.04

504.92

8.5

23

底煤

20

33.64

528.92

10

23

底煤

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,厚19.140.9m/38.1m,为特厚煤层,倾角10°/8°;煤层上方为厚度0.1~0.3m的泥岩伪顶,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1013m,受厚层底煤、坚硬砂岩顶板及褶曲构造影响严重。

图10 250204工作面平面示意图

250204综放工作面自201116日开始至20121226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 [11-12]。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。

(a)平面图

(b)剖面图

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。

4 结论

本文基于FLAC2D数值模拟软件分析动载扰动下留设不同底煤厚度的巷道底板应力场、位移场、塑性区范围及能量密度等冲击效应参量的分布情况,探讨底煤厚度对底鼓冲击的动态响应规律。得出以下结论:

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。表明底板是否失稳不仅与底煤厚度有关,还和底板岩层相关,底煤较厚且存在厚硬底板时易发生底鼓冲击。

2)底板垂直位移初始变化集中在0.05-0.10s0.25s之后趋于稳定;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;动载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;动载扰动下特厚煤层巷道底煤破坏严重。

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。动载扰转动下特厚煤层巷道易发生底鼓冲击。

5)通过工程实例,验证了数值模拟分析的合理性,本研究方法和结果对类似矿区的底板防冲具有一定的借鉴意义。

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作者简介:张军伟(1987﹣),男,河南焦作人,硕士。

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