煤礦深部開采中礦壓對安全生產的影響

0煤巖體沖擊地壓發生的屬性在中國的采礦帶，許多煤礦資源分布在地質構造復雜區域，尤其是在斷層附近。由于地質構造的復雜性，對巖石的相當程度造成了一定程度的破壞，對工作面采運的影響，使得斷層附近容易產生地壓。隨著采礦深度和采收結構的改善，中國煤礦中的地壓影響日趨嚴重。沖擊傾向性是指煤巖體能夠積聚彈性應變能并在超過其本身的強度后會突然釋放出來的各種物理力學性質的總和。沖擊傾向性是產生沖擊地壓的煤巖體的固有屬性,決定了煤巖體產生沖擊地壓的能力,是發生沖擊地壓的內因,也是必要條件。大量的現場調查表明,單純依靠煤樣沖擊傾向性測試結果來判別沖擊地壓是否發生是遠遠不夠的,應進行工程地質調查,充分考慮地質構造條件等影響因素,并輔以必要的數值模擬等手段,進行綜合判別。吉林省通化礦業(集團)有限責任公司道清煤礦現已進入深部開采階段,道清煤礦北斜井南平峒礦區屬于一不對稱向斜構造,該井田自東向西地質構造逐漸趨于復雜,煤層結構復雜,其煤層成煤不均勻,煤層厚度從1m到20m,煤層一般多由2~3個分煤層組成。采區處于褶曲構造軸部,斷層、褶曲構造多,煤層賦存不穩定,煤層沿走向呈現分叉、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,該斷層走向為北東,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,地應力增大,開采中礦山動力現象比較明顯,時常出現連續的煤炮,有時伴隨瓦斯涌出增大現象,對安全生產造成較大威脅。因此,對煤層進行沖擊危險性數值模擬研究,分析礦區煤層水平應力、垂直應力、XY面內剪切應力大小及分布規律,對預測其沖擊危險程度是十分必要的。1沖擊地壓危險區域的劃分依據沖擊地壓的自身規律顯示,煤層本身具有沖擊傾向性時,開采中可能發生沖擊地壓,沖擊地壓又都發生在高應力集中區的煤巖體上。因此,尋找沖擊地壓的危險區域,首先要判定煤層沖擊傾向性、煤巖體的高應力區域。確定了高應力區域,也就確定了易于發生沖擊地壓危險區域。當然,在高應力區域內,并不是每一處都要發生沖擊地壓,因此還要依據煤體的自身物理力學性質、與周圍生產的關系、地質構造特點、所采取的降低煤體應力措施的效果等有關聯。依據地質條件判別法、經驗類比法綜合判斷,礦井的高應力區主要集中在:(1)地質構造復雜的變化帶處(如向斜軸部及背斜兩翼、煤層厚度急劇變化帶、活動斷層兩側),火成巖侵入體兩側不僅地應力高,且集聚高瓦斯壓力,也是典型高應力區。(2)具有彈性能的煤柱的上、下方。(3)開采支撐壓力增高區,由于應力的增高變化,往往受外界微小擾動而失穩破壞,也是沖擊地壓危險地帶。(4)對于瓦斯煤層,瓦斯壓力或瓦斯含量增高區。依據上述判斷高應力區的原則,結合采區開采過程中的地質、開采條件,確定煤層的沖擊危險程度。2數值模擬2.1地質模型建立為分析北斜井南平峒礦區地質構造的影響,基于以上條件,采用ANSYS有限元軟件,模擬該礦區煤層垂直應力、水平應力、XY面內剪切應力的大小及分布情況。模型是根據道清礦北斜井南平峒第XVIII勘探線地質端面圖建立的,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,整個模型考慮自重,模型圖如圖1。2.2模擬模型參數煤層頂底板:頂板為細砂巖,底板為頁巖,易于隆起,側壓力較大時多使巷道變形。計算時所取煤巖層的力學參數,如表1所示。3煤層應力的分布特征圖2為水平方向應力圖。不同色塊代表不同的應力值,等值色塊單位為應力單位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力包括壓應力和拉應力,也就是從圖中最下邊的應力變化軸上顯示,壓應力值是由中間向左端逐漸增大,拉應力值是由中間向右端逐漸增大,以下各圖一樣。從圖2可知水平應力沿斷層傾向逐漸增大,應力集中位置主要出現在煤層傾角變化處和斷層附近。水平應力整體變化不大,只在煤層斷層、尖滅、分叉、模型邊緣處出現應力最值區。在斷層與煤層相交處應力達到最大,值為17.6MPa。從圖3可知垂直應力基本都為壓應力,分布的總體趨勢是隨深度的增加而逐漸增大。在煤層褶皺處應力比同水平垂直應力大,尤其在斷層和尖滅處,應力值激增,增加量為38.9MPa,并出現應力集中區域。應力最大值出現在F3號逆掩斷層處,值為50.8MPa;分叉處應力相對較小,尖滅處應力較大約為45MPa。從圖4可知在煤層的尖滅和斷層處出現明顯的剪切應力集中區。煤層斷層處產生較大范圍的壓應力區,并出現負向最大剪應力,值為12.1MPa。4y方向應力、剪應力分布(1)對道清礦北斜井南平峒礦區煤層進行分析,得出煤層水平應力、垂直應力、XY剪切應力大小及分布規律。應力最大值出現在F3號逆掩斷層處,X方向應力最值為17.6MPa,Y方向應力最值為50.8MPa,剪應力最值為16.3MPa。(2)影響應力分布的因素主要包括三個方面,分別是煤層傾角變化、煤層復雜構造和斷層。由于煤層傾角變化大,造成沿煤層傾向水平應力梯度、垂直應力梯度和剪應力梯度都很大,隨埋深的增加而增加;由于存