煤礦深部開采中礦壓對安全生產(chǎn)的影響

煤礦深部開采中礦壓對安全生產(chǎn)的影響

0煤巖體沖擊地壓發(fā)生的屬性在中國的采礦帶，許多煤礦資源分布在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，尤其是在斷層附近。由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，對巖石的相當(dāng)程度造成了一定程度的破壞，對工作面采運(yùn)的影響，使得斷層附近容易產(chǎn)生地壓。隨著采礦深度和采收結(jié)構(gòu)的改善，中國煤礦中的地壓影響日趨嚴(yán)重。沖擊傾向性是指煤巖體能夠積聚彈性應(yīng)變能并在超過其本身的強(qiáng)度后會突然釋放出來的各種物理力學(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。大量的現(xiàn)場調(diào)查表明,單純依靠煤樣沖擊傾向性測試結(jié)果來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。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)入深部開采階段,道清煤礦北斜井南平峒礦區(qū)屬于一不對稱向斜構(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20m,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,致使上盤以25°~45°角淹覆于北斜井下甸子向斜之上。隨著開采深度的增加,地應(yīng)力增大,開采中礦山動(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,對安全生產(chǎn)造成較大威脅。因此,對煤層進(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,對預(yù)測其沖擊危險(xiǎn)程度是十分必要的。1沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的劃分依據(jù)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。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)開采過程中的地質(zhì)、開采條件,確定煤層的沖擊危險(xiǎn)程度。2數(shù)值模擬2.1地質(zhì)模型建立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,模型圖如圖1。2.2模擬模型參數(shù)煤層頂?shù)装?頂板為細(xì)砂巖,底板為頁巖,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。3煤層應(yīng)力的分布特征圖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,不具有絕對意義。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。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17.6MPa。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號逆掩斷層處,值為50.8MPa;分叉處應(yīng)力相對較小,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。4y方向應(yīng)力、剪應(yīng)力分布(1)對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。(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