于麗艷，潘一山，李忠華，李國(guó)臻，閻海鵬，王世娟

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.黑龍江科技學(xué)院 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

0 引言

在我國(guó)煤礦中，有許多煤炭資源賦存于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶，特別在斷層附近，由于其地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜且對(duì)巖層造成了相當(dāng)程度的破壞以及工作面采動(dòng)的影響，使得斷層附近極易發(fā)生沖擊地壓，隨著開(kāi)采深度及開(kāi)采強(qiáng)度的增加，我國(guó)煤礦中的斷層沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴(yán)重［1］。沖擊傾向性是指煤巖體能夠積聚彈性應(yīng)變能并在超過(guò)其本身的強(qiáng)度后會(huì)突然釋放出來(lái)的各種物理力學(xué)性質(zhì)的總和。沖擊傾向性是產(chǎn)生沖擊地壓的煤巖體的固有屬性，決定了煤巖體產(chǎn)生沖擊地壓的能力，是發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)因，也是必要條件［2-4］。大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，單純依靠煤樣沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果來(lái)判別沖擊地壓是否發(fā)生是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，充分考慮地質(zhì)構(gòu)造條件等影響因素，并輔以必要的數(shù)值模擬等手段，進(jìn)行綜合判別［5-8］。吉林省通化礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司道清煤礦現(xiàn)已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，道清煤礦北斜井南平峒礦區(qū)屬于一不對(duì)稱向斜構(gòu)造，該井田自東向西地質(zhì)構(gòu)造逐漸趨于復(fù)雜，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其煤層成煤不均勻，煤層厚度從1m到20 m，煤層一般多由2～3個(gè)分煤層組成。采區(qū)處于褶曲構(gòu)造軸部，斷層、褶曲構(gòu)造多，煤層賦存不穩(wěn)定，煤層沿走向呈現(xiàn)分叉、尖滅、合層，似豆莢狀，煤層傾角在0°～53.1°之間變化。其中斷層以F3號(hào)逆掩斷層為主，該斷層走向?yàn)楸睎|，部分為近東西向，由西起炮臺(tái)山沿北東直向小橫道河子、大橫道河子延展，向南東方向傾斜，上沖距離100～500m，一般為200m左右，致使上盤(pán)以25°～45°角淹覆于北斜井下甸子向斜之上。隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力增大，開(kāi)采中礦山動(dòng)力現(xiàn)象比較明顯，時(shí)常出現(xiàn)連續(xù)的煤炮，有時(shí)伴隨瓦斯涌出增大現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)造成較大威脅。因此，對(duì)煤層進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性數(shù)值模擬研究，分析礦區(qū)煤層水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、XY面內(nèi)剪切應(yīng)力大小及分布規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)其沖擊危險(xiǎn)程度是十分必要的。

1 沖擊地壓危險(xiǎn)程度的判定

沖擊地壓的自身規(guī)律顯示，煤層本身具有沖擊傾向性時(shí)，開(kāi)采中可能發(fā)生沖擊地壓，沖擊地壓又都發(fā)生在高應(yīng)力集中區(qū)的煤巖體上。因此，尋找沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域，首先要判定煤層沖擊傾向性、煤巖體的高應(yīng)力區(qū)域。確定了高應(yīng)力區(qū)域，也就確定了易于發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域［9-11］。當(dāng)然，在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，并不是每一處都要發(fā)生沖擊地壓，因此還要依據(jù)煤體的自身物理力學(xué)性質(zhì)、與周圍生產(chǎn)的關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)、所采取的降低煤體應(yīng)力措施的效果等有關(guān)聯(lián)。

依據(jù)地質(zhì)條件判別法、經(jīng)驗(yàn)類比法綜合判斷，礦井的高應(yīng)力區(qū)主要集中在：

（1）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的變化帶處（如向斜軸部及背斜兩翼、煤層厚度急劇變化帶、活動(dòng)斷層兩側(cè)），火成巖侵入體兩側(cè)不僅地應(yīng)力高，且集聚高瓦斯壓力，也是典型高應(yīng)力區(qū)。

（2）具有彈性能的煤柱的上、下方。

（3）開(kāi)采支撐壓力增高區(qū)，由于應(yīng)力的增高變化，往往受外界微小擾動(dòng)而失穩(wěn)破壞，也是沖擊地壓危險(xiǎn)地帶。

（4）對(duì)于瓦斯煤層，瓦斯壓力或瓦斯含量增高區(qū)。

依據(jù)上述判斷高應(yīng)力區(qū)的原則，結(jié)合采區(qū)開(kāi)采過(guò)程中的地質(zhì)、開(kāi)采條件，確定煤層的沖擊危險(xiǎn)程度。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型

為分析北斜井南平峒礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的影響，基于以上條件，采用ANSYS有限元軟件，模擬該礦區(qū)煤層垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、XY面內(nèi)剪切應(yīng)力的大小及分布情況。模型是根據(jù)道清礦北斜井南平峒第XVIII勘探線地質(zhì)端面圖建立的，模型上端選取+350m，最下端取-450m，水平走向取1340m。模型上邊界施加均布載荷3.82MPa，下邊界為固定約束，左右邊界是X方向位移約束，整個(gè)模型考慮自重［12-14］，模型圖如圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 The finite element model

2.2 模擬模型參數(shù)

煤層頂?shù)装澹喉敯鍨榧?xì)砂巖，底板為頁(yè)巖，易于隆起，側(cè)壓力較大時(shí)多使巷道變形。計(jì)算時(shí)所取煤巖層的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)表Table 1 The main parameters of the model

3 結(jié)果與分析

圖2為水平方向應(yīng)力圖。不同色塊代表不同的應(yīng)力值，等值色塊單位為應(yīng)力單位Pa，僅表示變化趨勢(shì)，不具有絕對(duì)意義。圖中各種色塊代表的應(yīng)力包括壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，也就是從圖中最下邊的應(yīng)力變化軸上顯示，壓應(yīng)力值是由中間向左端逐漸增大，拉應(yīng)力值是由中間向右端逐漸增大，以下各圖一樣。

圖2 水平應(yīng)力分布圖Fig.2 Contour map of the horizontal stress

從圖2可知水平應(yīng)力沿?cái)鄬觾A向逐漸增大，應(yīng)力集中位置主要出現(xiàn)在煤層傾角變化處和斷層附近。水平應(yīng)力整體變化不大，只在煤層斷層、尖滅、分叉、模型邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力最值區(qū)。在斷層與煤層相交處應(yīng)力達(dá)到最大，值為17.6 MPa。

從圖3可知垂直應(yīng)力基本都為壓應(yīng)力，分布的總體趨勢(shì)是隨深度的增加而逐漸增大。在煤層褶皺處應(yīng)力比同水平垂直應(yīng)力大，尤其在斷層和尖滅處，應(yīng)力值激增，增加量為38.9MPa，并出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在F3號(hào)逆掩斷層處，值為50.8MPa；分叉處應(yīng)力相對(duì)較小，尖滅處應(yīng)力較大約為45MPa。

從圖4可知在煤層的尖滅和斷層處出現(xiàn)明顯的剪切應(yīng)力集中區(qū)。煤層斷層處產(chǎn)生較大范圍的壓應(yīng)力區(qū)，并出現(xiàn)負(fù)向最大剪應(yīng)力，值為12.1MPa。

圖3 垂直應(yīng)力分布圖Fig.3 Con tour map of vertical stress

4 結(jié)論

（1）對(duì)道清礦北斜井南平峒礦區(qū)煤層進(jìn)行分析，得出煤層水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、XY剪切應(yīng)力大小及分布規(guī)律。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在F3號(hào)逆掩斷層處，X方向應(yīng)力最值為 17.6MPa，Y方向應(yīng)力最值為50.8MPa，剪應(yīng)力最值為16.3MPa。

圖4 剪切應(yīng)力圖Fig.4 Contour map of shear stress in XY－p lane

（2）影響應(yīng)力分布的因素主要包括三個(gè)方面，分別是煤層傾角變化、煤層復(fù)雜構(gòu)造和斷層。由于煤層傾角變化大，造成沿煤層傾向水平應(yīng)力梯度、垂直應(yīng)力梯度和剪應(yīng)力梯度都很大，隨埋深的增加而增加；由于存在煤層復(fù)雜構(gòu)造和斷層的影響，其周圍應(yīng)力梯度更大。

（3）在F3號(hào)逆掩斷層與煤層交匯處，雖然實(shí)測(cè)煤樣的沖擊傾向性較弱，但由于此處應(yīng)力值相對(duì)較大，根據(jù)煤層沖擊危險(xiǎn)程度的判定得出此處沖擊危險(xiǎn)程度相對(duì)較大，易發(fā)生沖擊地壓，在開(kāi)采時(shí)應(yīng)注意防范。

［1］牟宗龍，竇林名，張廣文，等.斷層對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)影響的數(shù)值模擬分析［J］.煤礦支護(hù)，2009，（2）：21-24.MU Zonglong，DOU Linming，ZHANG Guangwen，et al.Numerical simulation analysis of burst dangerous influence on fault for working face［J］.Coal Supporting，2009，（2）：21-24.

［2］潘一山，徐秉業(yè).沖擊地壓定量預(yù)測(cè)的研究［J］.煤礦

開(kāi)采，1998，（3）：35-38.

PAN Yishan，XU Bingye.Percussive ground pressure quantitative forecast research ［J］.Coal Mining Technology，1998，（3）：35-38.

［3］Brauner G.Rock Bursts in Coal Mines and Their Prevention［M］.Rotterdam：A.A.Balkema，1994，2-64.

［4］潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過(guò)程研究［D］.北京：清華大學(xué)工程力學(xué)系，1999.PAN Yishan.Study on rock burst initiation and failure［D］.Beijing：Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，1999.

［5］王永秀，齊慶新.煤柱應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，3（10）：59-62.WANG Yongxiu，QIQingxin.Analysis on digital simulation for stress distribution law of coal pillar［J］.Coal Science and Technology，2004，3（10）：59-62.

［6］關(guān)杰，孫可明，朱月明.急傾斜煤層開(kāi)采解放層防治沖擊地壓數(shù)值模擬［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（4）：411-413 GUAN Jie，SUN Keming，ZHU Yueming.Study of rockburst prevention and its nnumerical simulation in slant coalbed［J］.Journal of Liaoning Technical University，2002，21（4）：411-413.

［7］李忠華，潘一山.采煤工作面沖擊地壓的解析分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（1）：40-42.LI Zhonghua，PAN Yishan.Analytical solution of rockburst on working surface［J］.Journal of Liaoning Technical University ，2002，21（1）：40-42.

［8］王世娟，潘一山，李忠華，等.通化八寶礦煤層沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21（3）105-108.WANG Shijuan，PAN Yishan，LIZhonghua，et al.Experimental and numerical simulation studies on burst tendency of coal layers at Babao in Tonghua Coal Mine［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2010，21（3）105-108.

［9］毛德兵.沖擊礦壓發(fā)生危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法［J］.煤礦開(kāi)采，2000，（4）：52-53.MAO Debing.Rock-burst happen risk assessment methods［J］.Coal Mining Technology，2000，（4）：52-53.

［10］夏均民，張開(kāi)智.沖擊傾向性理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.礦山壓力與頂板管理，2003，20（4）：97-99.XIA Junmin，ZHANG Kaizhi.Application of the impact orientation theory in engineering practice，［J］.Ground Pressure and Strata Control，2003，20（4）：97-99.

［11］韓 軍，張宏偉.地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃中斷裂活動(dòng)性的模糊綜合評(píng)判［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007（02）：19-22.HAN Jun，ZHANG Hongwei.Fuzzy integrated estimation of fault activity in geology dynamic zoning［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2007（02）：19-22.

［12］朱伯芳.有限元法原理及應(yīng)用［M］.水電出版社，1979.ZHU Bofang.Finite element method principle and application［M］.Hydropower Press，1979.

［13］唐巨鵬，李成全，潘一山.水力割縫開(kāi)采低滲透煤層氣應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（10）：93-95.TANG Jupeng，LI Chengquan，PAN Yishan.Numeral simulation of stress field for low permeable coal bed gas recovering with hydraulicutting［J］.Natural Gas Industry，2004，24（10）：93-95.

［14］孫振武.煤層厚度局部變化區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分布的數(shù)值模擬［J］.礦山壓力與頂板管理，2003，（3）：95-96.SUN Zhenwu.Numerical simulation on stress field distribution in partial transformation area of coal seam.height［J］.Ground Pressure and Strata Control，2003，（3）：95-96.