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)

0 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开采阶段，冲击地压现象随着开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，冲出的煤炭量很大，从几吨到几百吨，曾记录到的矿山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，形成大量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，对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，造成产量波动，坑木消耗加大，吨煤成本提高，对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题[1-4]。

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，国有重点煤矿开采急倾斜煤层的矿井数占17%，产量占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%，产量占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。因此有必要在开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[5-7]，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[8-10]:

1)矿井开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，没有被解放的煤层。

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，大部分可采。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建立二维数值模拟有限元模型。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 m。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[11-13]。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1。

表1 煤岩物理力学参数表

2.4 数值模拟结果与分析

从图2可知，未开采时垂直应力大小分布的总体趋势是均匀的，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。

图2 未开采垂直应力分布图

图3 推采不同距离时垂直应力分布图

由图3可以看出:1)开采13 m时拉应力最大值为13.5 MPa，压应力最大值为72.5 MPa，开采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 MPa。由于在模拟过程中考虑了支护的作用，故应力值变化不大。2)虽然向上推采距离不同，但应力集中区域出现在同处，最大拉应力区出现在工作面下端处，最大压应力区出现在工作面上端头。3)工作面上端头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，此区域为高应力区域。

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。

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