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大安山煤矿冲击地压研究 1 卢华国 辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000 E-mail 摘 要大安山煤矿现已进入深部开采阶段, 井田内以褶曲为主的地质构造复杂, 采煤工作 面和巷道冲击地压发生频繁, 但到目前为止还没有进行过系统研究。 本文针对这种情况, 对 大安山矿冲击地压机理、 影响因素、 煤层冲击倾向性等方面进行了研究, 通过数值模拟揭示 了冲击地压发生规律,为进一步防治工作奠定基础。 关键词 冲击地压;机理;影响因素;冲击倾向性;研究 中图分类号TD324 1.引言 冲击地压是地下煤层或岩层 , 由于开采和地质作用引起的煤岩体应力高度集中 , 积聚大 量弹性变形能 , 在一定条件下弹性能突然释放 , 所产生的一种以急剧、猛烈地破坏为特征的 动力现象, 也是国际上采矿工程界没有很好解决的问题之一 [1] 。 其中一个重要原因就是不同 矿井因为其地质条件、开采技术等因素不同,也导致了不同矿井冲击地压的诱因、机理、预 测及防治方法的不同。 大安山矿现进入深部开采阶段, 地质构造复杂, 冲击地压频繁发生, 且目前没有进行过 系统研究, 己成为影响矿井安全生产的危害之一。 本论文在现有的理论基础上, 针对大安山 煤矿深部急倾斜复杂煤层冲击地压问题, 从冲击地压机理、 影响因素、 煤层冲击倾向性等方 面进行研究,得出相关结论,为进一步的防治奠定理论基础。 2. 大安山矿冲击地压的基本特点 大安山煤矿是北京昊华能源股份有限公司的骨干矿井之一, 位于京西房山区境内。 井田 走向长约 9km ,倾向宽 24km,面积 25.5km 2,探明可采储量 4850万吨,属低瓦斯矿井。 开采煤层为中生界侏罗系下中统窑坡组,属京西煤田门头沟煤系群 。可采煤层 12层,可 采总厚度 19.39m ,目前生产能力达到 150万吨 /年。大安山煤矿 1960年开始进行矿井建设, 自 1975年投产以来,大安山煤矿共产煤 3500万吨。 大安山煤矿地质构造复杂, 井田内的褶曲构造是影响矿井采区划分和采煤方法的最主要 构造因素,井田内褶曲密度大,呈倒转或紧闭倒转,造成煤层赋存不稳定,以急倾斜为主。 近年来, 随着采深的增加及复杂地质构造等诸多因素影响, 大安山煤矿发生冲击地压次 数逐渐增多,井下主要表现为 “ 煤炮 ” ,主要是对采掘工作面有影响,尤其是大寒岭倒转背斜 非常紧闭,煤岩层受强烈挤压而破碎,煤层结构极复杂,厚度变化大,煤质松软。当巷道掘 进之后, 破坏了其自身原有的应力平衡, 从而形成地应力释放, 有时表现为程度不同的煤炮, 造成支护破坏,主要影响采煤工作面,造成煤层突然涌出,声音大时,可形成冲击波,一次 释放时间最长达 34小时,巷道维护十分困难,除大寒岭倒转背斜两翼即后槽外,百草 台倒转向斜南翼也曾发生过规模不大的冲击地压。通过对大安山矿区多次冲击现象的调研、 分析,总结出大安山矿冲击地压具有以下特点 1 突发性发生前没有明显的宏观征兆。 2 动态破坏性多表现为将煤体突然破碎并从煤壁抛出,并伴有巨大声响、岩体震动 和冲击波。 3 复杂多样性顶板包括砂岩、灰岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上,各种 采煤工艺、采煤方法都出现了冲击地压。在表现形式上一般为煤爆 煤壁爆裂、小块抛出 、 浅部冲击 发生在煤壁 26m范围内 和深部冲击 发生在煤体深处, 声如闷雷, 但破坏程度不 同 。 4 发生频繁性 煤炮发生频繁,最短 5-10分钟就会发生一次,且会连续发生。 5区域性大寒岭倒转背斜两翼,百草台倒转向斜南翼是发生冲击冲击多发带,煤层 以急倾斜为主,以 14、 10槽较为多见。东二、东六、西五石门掘进中煤炮发生频率特别高, 没有造成危害,回采中没有发生。 6 采深规律性冲击地压几乎都发生在 400米以下。 3.大安山煤矿煤层冲击倾向性试验 煤层冲击倾向性研究是冲击地压研究的重要组成部分,是冲击地压预测及防范的基础 [2]。 为保证安全生产, 对危险区域煤层进行冲击倾向性试验, 给出冲击倾向性等级是很有必 要的。 样品取自大安山煤矿后槽 800水平西一后东二石门南翼 14槽、 800水平西一后东三 石门南翼 14槽两处工作面,采用手镐人工选取煤样各 15块,经装袋封扎后直接运至地面, 运至地面即除去包装及时封蜡, 以保证与现场有相同的湿度和含水率, 然后运抵实验室。 制 样试件尺寸及数量根据测定指标和实验内容有关规定执行,采用长方体试件,长 宽 高 50mm50mm100mm,加工后两个工作面各取煤样 8块。 实验加载装置采用 YE-200A 型压力试验机, 测试表盘为 Y1-812型仪表, 应变采用 YJ-1静态电子应变仪读取。 试验机的精度、 刚度都符合煤炭行业冲击倾向性试验要求。 根据行业 标准和多年的试验经验,采用不同的加载方式和加载速率以测定煤层的冲击性指标。 3.1 煤物理力学性质测定 在实验室,对煤的两种物理性质进行了测定。 1 饱和吸水率 将试件烘干 24小时后冷却至室温称重, 记为 g g , 烘干后取出浸入水中 5小时以上, 取 出擦干后称重,记为 1g ,则饱和吸水率 100 1−g g g g g w 2有效孔隙率 将试件烘干 24小时后冷却至室温称重,记为 g g ,烘干后将试件放入真空抽气罐内, 0.1MPa 负压抽气 30分钟后取出试件,然后放入盛水容器中,静置 24小时以上后擦干,称 重记为 1g 则有效孔隙率 100 1−g g y g g g n 在实验室,对采制的煤样进行了 4种力学性质试验。 1单轴抗压强度,将试件直接置于压力机上加压得出。 2单轴抗拉强度,将试件置于压力机的两夹紧装置下进行拉力试验得出。 3弹性模量 E 从试测单轴抗压应力 -应变曲线中求出, ε E 4泊松比 单向加压时,试件横向应变 d ε与纵向应变 l ε之比, l εεd 3.2 煤层冲击倾向性试验 1 弹性能量指数法 弹性能量指数法是国际上普遍采用的冲击倾向性评价指标。具体做法是以 0.15KN/s的 速度加载到试件平均单轴抗压强度的 7585后,以相同速度卸载,卸载到单轴抗压强度 的 15; 然后重新以 0.15KN/s的加载速度对试件加载直至破坏。 可以获得各试件的应力 应变曲线,利用面积法求弹性能量指数 W ET ,如图 1所示。 图 1 弹性能量指数 ET W 计算图 Fig 1 Elastic energy quantum nomograph 煤的弹性能指数计算公式如下 SP C SP ST SP ET W φφφφφ− 式中C φ为总应变能的面积; SP φ为煤试件的弹性应变能的面积; ST φ为煤试件的损耗 应变能的面积。 2 冲击能量指数试验 由刚性试验机得到的煤岩从弹性力 → 极限强度 → 残余强度的应力应变全过程曲线,能 比较直观和全面地反映试件从蓄能、 耗能到完全破坏的全过程。 通过全应力应变曲线, 我们 也可以进行冲击能量指数的计算。 具体做法是以 0.0067MPa/s的加载速度对试件进行准静态 加载,试验测得的全应力应变曲线如图 2所示。 图 2 冲击能量指数 KE 计算图 Fig 2 Energy of blow quantum nomograph 冲击能量指数计算公式如下 X S E A A K 式中S A 为试件峰值前积聚的变形能; X A 为试件峰值后消耗的变形能。 3 试验结果及分析 表 1 煤的物理性质测定结果 Tab. 1 Coal physical property determination result 取 样 地 点 吸水率 / 孔隙率 / 800水平西一后东二石门北翼 14槽 2.02 2.04 800水平西一后东二石门南翼 14槽 2.53 2.61 表 2 煤样的力学性质测定结果 Tab. 2 Coal mechanical properties determination result 取 样 地 点 单轴抗拉 强度 /MPa 单轴抗压 强度 /MPa 弹性模量 103MPa 泊松比 800水平西一后东二 石门北翼 14槽 1.28 25.31 18.01 0.21 800水平西一后东三 石门南翼 14槽 1.36 29.36 19.22 0.32 表 3 大安山矿煤层冲击倾向性试验结果 Tab. 3 Tendentiousness test result 取 样 地 点 单轴抗压 强度 /MPa ET W 类别 E K 类别 800水平西一后东二 石门北翼 14槽 25.31 3.07 中等 1.83 中等 800水平西一后东三 石门南翼 14槽 26.18 3.21 中等 1.96 中等 从煤样的物理性质可以看出,该矿后槽煤脆且干燥,单轴抗压强度大,为冲击地压的 发生提供了条件。 根据国家煤炭行业标准,从弹性能量指数判断2个取样地点的试件 2≤ ET W ≤ 5,煤层 具有中等冲击倾向性;从冲击能量指数判断2个取样地点的试件 1.0≤ E K ≤ 2.0,煤层具有 中等冲击倾向。 4. 大安山矿冲击地压影响因素及机理 4.1 冲击地压影响因素 冲击地压的发生, 是多种影响因素共同作用的结果。 主要是煤岩的物理力学性质、 矿山 压力以及地质因素、开采技术因素等。煤体脆性破坏,猛烈急速释放弹性能。 1 煤 岩 性质 煤层和围岩的物理力学性质是发生冲击地压的内因, 一方面煤层具有弹性, 才能把发生 冲击地压所需的大量能量储存起来; 另一方面只有煤层具有脆性, 才能发生脆性破坏, 并瞬 间释放弹性能。 有冲击地压危险的煤, 在破坏前主要是弹性变形, 并在没有明显塑性变形的 情况下突然破坏。由实验室试验可知,大安山煤层硬度在 2.5以上且煤层干燥,自然含水率 很低,具备冲击发生的条件。 围岩性质主要是指顶板岩性、 厚度及其可冒性, 这些是影响冲击地压的重要因素。 大安 山矿顶板为坚硬粉沙岩,厚而完整、坚固,悬顶不易塌落,弹性模量在 130MPa 以上,容易 积聚大量弹性能, 顶、 底板对冲击危险性的影响主要是体现在对煤体的夹持作用而引起煤体 应力增加,导致煤体压缩型冲击地压的发生。 2 开采深度 深度越大, 煤体的自重应力则越高, 再加上构造应力的参与, 煤体积聚的弹性能也随之 增加。研究表面,冲击地压的发生存在一个临界深度,即在小于此深度开采时,尽管也可能 发生冲击地压,但发生次数少,强度低。当开采深度大于临界破坏深度时,冲击地压发生的 次数就会多,强度大,所以采深的增加必然导致冲击危险性的增加。在大安山矿,该深度为 400米左右。大安山矿部分工作面现采深已达 500米,接续开采工作面将达 700米,超过临 界深度,冲击地压发生频度和强度大大高于临界深度以上工作面。 3 地质构造 大安山煤矿井田内一级构造为大寒岭倒转向背斜, 断层为后槽沟逆断层。 次级构造主要 以向斜褶皱为主大部分倒转 ,伴有大量走向及倾向断裂,十分发育,且大寒岭向、背斜 两翼局部受到岩浆岩侵入体的破坏, 井田内中小构造极为发育的地质构造复杂, 这些原因造 成了大安山矿地质构造的复杂性 ,也是大安山矿频发冲击地压的主要原因。 由于地质构造的存在, 产生了较大的构造应力。 大安山矿构造应力的主要特点是以水平 应力为主, 具有明显的区域性和方向性, 水平应力大大超过自重应力。 构造应力是煤层冲击 倾向性的存在的重要因素之一。 4 煤层厚度变化 较容易发生冲击地压。 但是煤层厚度的变化对形成冲击地压的影响, 往往要比厚度本身 更为重要,在厚度突然变薄或变厚处,易发生冲击地压。 大安山矿井田内褶曲密度大,煤层位置多在褶曲的向背斜或两翼且为倒转或紧闭倒转, 造成煤层厚度变化大,同时也存在大量分岔现象,对冲击地压的发生有很大的影响作用。 5 开采技术因素 开采技术条件是诱发冲击地压的重要因素,可从两方面促使冲击地压的发生 一是人为 形成高度应力集中,增加发生冲击地压的危险性 ; 二是改变应力状态和产生震动,诱发冲击 地压 [3]。 主要包括 1 采煤方法 大安山矿 13、 14槽有的工作面采用壁式采煤方法,使用单体柱支护方式,遗留煤柱较 多,易形成应力叠加而引发冲击地压发生。 2 采掘顺序 采掘顺序对于矿山压力的大小和分布影响很大。巷道相向掘进,回采工作面相向推进, 以及在回采工作面前方的支承压力带内开掘巷道,都会使支承压力叠加而可能发生冲击地 压。因此,应当避免同一区段上两翼的工作面同时接近上山。 3 煤柱 煤柱对顶板起到支撑的作用, 是应力集中的地方, 较容易产生冲击地压。 大安山矿煤层 由于地质构造原因煤层分岔严重, 巷道交叉点都留有煤柱, 容易形成应力集中区, 具有发生 冲击地压的条件。下方煤层开采经过上方煤柱时也会面临应力集中问题。 4 放炮 放炮产生震动引起动载荷。 一方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加煤体应力, 进 入极限平衡状态或破坏其平衡; 另一方面能迅速解除煤壁边缘侧向约束阻力, 改变煤体的应 力状态, 由三向受力向两向受力转化, 使其抗压强度下降, 导致迅速破坏, 形成冲击。 因此, 放炮具有诱发冲击的作用。 4 风量 大安山矿在煤巷掘进中,发现当风量加大,风速提高时,煤炮就发生,而风量小,风速 低时煤炮就不发生。此现象是因为煤体非常干燥,含水率很低,当风速加大时,使煤体中的 水分很快失去, 随即发生煤炮。 因此, 保证煤体中的水分对防止煤炮的发生有非常好的效果。 4.2 冲击地压机理 通过调研和分析,得到开采深度和复杂地质构造是引发大安山矿区冲击地压的主要原 因,受构造应力场和重力应力场双重作用,煤体被夹持的更紧,承受更高压力。再加上大安 山矿煤层脆硬,具有积聚大量弹性应变能的能力,顶、底板为坚硬粉沙岩,大面积悬顶不易 跨落等因素,确定了大安山矿冲击地压主要是煤体压缩型 [4]。 在一定的采场空间内, 开采前煤岩体结构承受原始应力的作用, 包括由自重应力、 构造 应力以及由于地质历史形成在采空区煤岩体内残存的应力等, 这些都构成了煤岩体的原始应 力水平,是煤岩体的应力基础。 在原始应力和采动应力作用下, 较坚硬的顶、 底板将煤体夹持。 煤体夹持阻碍了深部煤 体自身或煤体 围岩交界处的卸载变形。随着工作面的开采,上覆坚硬顶板悬露弯曲下沉, 使煤体被更加压实,承受更高的压力,煤体夹持作用增强,系统积聚的弹性能增加。随着开 采的进行,采空跨度增大,煤体所受夹持力增强,煤体由弹性区向弹性 -塑性软化区、塑性 软化区发展。 工作面煤层出现软化区后, 如果继续向前推进, 软化区将扩大, 煤体所受夹持作用降低, 围岩 -煤煤间的摩擦系数减小,煤体沿倾斜层面卸载、移动能力增强。当采空区跨度达到最 大深度时, 软化区煤体将不能承受顶板的压力, 在水平应力作用下失去稳定, 释放积聚的弹 性能,向工作面方向涌出,发生煤体压缩型冲击地压。 5. 大安山矿危险区域划分 冲击地压是一种发生在煤岩体的地质灾害, 故确定矿井高应力区是判定冲击危险区的首 要前提,其划分原则为 [5] 1 开采前依据矿井地质构造环境,圈定因地质构造形成的高应力区。一般情况下,断 层、火成岩侵入体附近;向背斜急转轴及附近;煤厚及夹石层厚积聚变化区等处,易于残存 构造应力,成为地质构造形成的高应力区。 2 矿井开采所形成的垂直应力集中区。此区是指开采层上方留有整体煤柱或有重叠煤 柱的区域。 3 开采后顶板冒落不充分地区的附近区域。 4 开采中发生过冲击地压的地区附近 200m 的煤层。 大安山井田构造包括褶曲 2组,即大寒岭倒转向背斜,燕窝向斜,张峪背斜。断裂 5条, 即大网山逆断层、 四眼台逆断层、 马蹄沟逆断层、 后槽沟逆断层、 差棚岭平推正断层。 褶曲大部分倒转, 次级构造十分发育, 且在西北部大寒岭背斜两翼局部受到岩浆岩侵入体的 破坏。 后槽采区多在含有向 背 斜构造的轴部且在断层构造带附近,是应力集中区,如正在开 采的 14槽后槽。而存在的 5条断层,落差较大,因此在断层附近也是应力集中区。另外, 大安山矿后槽煤层及夹石厚度变化大, 分岔严重, 且在上方采空区存在较多煤柱, 所产生的 残存构造应力也容易形成应力集中。另外,后槽冲击地压发生频繁,波及范围广,也容易导 致冲击发生的连锁反应。 根据以上分析,圈定大安山矿后槽为冲击地压发生的危险区域。 6. 工作面数值模拟 本文利用 ANSYS 有限元软件对 14槽煤层倒转部的轴部和翼部进行了数值模拟,观察 开采前后区域内的应力变化。 所取模型具体参数取 1150-550水平为上下边界, 左右跨度 1300米的垂直剖面图,完全包含 14槽煤。 表 4 主要参数表 Tab. 4 The main parameter table 弹性模量 /10MPa 泊松比 密度 /kg. m-3 粉沙岩 20.5 0.242 2700 煤 18 0.209 1700 图 3 数值模拟模型图 Fig 3 Numerical simulation mode 图 4 开采前最大主应力图 图 5 开采前最大主应力矢量图 Fig 4 er Mining maximum principal stress chart Fig 5 er mining maximum principal stress Vectors 由图 4可以看出最大主应力大小分布的总体趋势是随着深度的增加而逐渐增大,但是, 最大主应力的增大趋势并不是随深度的增加呈梯度增大。 在煤层倾角较大的区域容易出现应 力升高区和应力降低区,如 14槽煤层的轴部和翼部,而应力集中的主要原因是由于大寒岭 向斜的存在。 图 5为最大主应力矢量图, 图中箭头方向代表主应力的方向, 线段长度代表主 应力的大小。 由图可以得到, 整个后槽区域最大主应力方向是水平方向。 煤层附近区域主应 力的方向有与煤层垂直的趋势,其在煤层的转弯处,出现了应力集中区。 图 6 翼部开采后最大主应力图 Fig 6 Extension of the maximum principal stress after mining chart 图 7 局部放大图 图 8 翼部开采后主应力矢量图 Fig 7 Local Enlargement Fig 8 Extension of the maximum principal stress Vectors after mining chart 由图 6、 7看出, 14槽煤后槽煤局部区域开挖后,仅改变了开挖区域附近的应力场,而 对整个后槽区域应力场变化的影响不大。 采场两侧均生产了应力升高区, 且开挖区域上端的 应力升高区面积大于下段。由图 8看出,在开挖区周围,主应力方向与开挖边界几乎平行, 在长边界处应力降低,出现应力降低区,在短边界处应力增大,形成应力升高区。 图 9 轴部开采后最大主应力图 Fig 6 Axis of the maximum principal stress after mining chart 图 10 最大主应力局部放大图 图 11 轴部开采后最大主应力矢量图 Fig 10 Local Enlargement Fig 11 Axis of the maximum principal stress Vectors after mining chart 由图 9、图 10可以看出, 14槽后槽轴部开挖后,仅改变了开挖 附近的应力场,而对整 个后槽区域应力场变化的影响不大。 轴部开挖后, 在轴部内侧产生了应力降低区, 在区域下 端也出现了应力升高区。由图 11看出,在开挖区周围,主应力方向与开挖边界几乎平行, 在内侧应力降低,出现应力降低区。 7.结论 1大安山地质结构复杂,造成煤层以急倾斜为主,煤层赋存不稳定。根据大安山井田 地质条件和已发生冲击地压情况, 发现大安山矿冲击地压具有突发性、 动态破坏性、 复杂多 样性、发生频繁性、区域性、采深规律性等特点。 2不同地点的煤样试验表明,大安山矿后槽煤层具有中等冲击倾向性,导致了 “ 煤炮 ” 的频繁发生。 3 通过对冲击地压发生的内外因分析,总结出大安山矿冲击倾向性主要影响因素,主 要包括煤 围 岩性质及结构、开采深度、地质构造、最大主应力场、煤层厚度变化、开采技 术条件等因素,指出采深及复杂地质构造是大安山矿冲击地压发生的重要原因。 4 指出大安山煤矿冲击地压为煤体压缩型 , 得到了煤体压缩型冲击地压发生机理。 5 通过理论分析并对照大安山矿地质构造特点,确定后槽为大安山矿冲击地压危险区 域。煤脆、干燥且硬度较高,为冲击地压的发生提供了条件。 6 过对典型煤层 14槽的后槽开采数值模拟,分析得知未开挖时,整个后槽区域的 最大主应力为水平应力, 在翼部即煤层急倾斜处出现应力最大值。 由于煤层与岩层的性质相 差较大, 在交界处附近区域主应力的大小和方向变异性较大。 开挖后开挖区域的两端均产生 了应力升高区, 易发生冲击地压。 数值模拟进一步揭示了冲击地压发生规律, 地质构造和开 采因素是冲击地压发生的重要影响因素。 参考文献 [1] 赵本钧.冲击地压及其防治[M ].北京煤炭工业出版社. 1994. 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This article in view of this kind of situation, to Daanshan coal mine rockburst mechanism geostatic pressure mechanism, influencing factor, coal bed impact tendentiousness has conducted the research, promulgated the impact geostatic pressure through the numerical simulation to have the rule, to further prevention lay the foundation. Keywords rockburst ; mechanism ; influencing factor; impact tendentiousness; study