于丽艳，潘一山，李忠华，李国臻，阎海鹏，王世娟

（1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.黑龙江科技学院 理学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

0 引言

在我国煤矿中，有许多煤炭资源赋存于地质构造复杂地带，特别在断层附近，由于其地质构造应力复杂且对岩层造成了相当程度的破坏以及工作面采动的影响，使得断层附近极易发生冲击地压，随着开采深度及开采强度的增加，我国煤矿中的断层冲击地压灾害日趋严重［1］。冲击倾向性是指煤岩体能够积聚弹性应变能并在超过其本身的强度后会突然释放出来的各种物理力学性质的总和。冲击倾向性是产生冲击地压的煤岩体的固有属性，决定了煤岩体产生冲击地压的能力，是发生冲击地压的内因，也是必要条件［2-4］。大量的现场调查表明，单纯依靠煤样冲击倾向性测试结果来判别冲击地压是否发生是远远不够的，应进行工程地质调查，充分考虑地质构造条件等影响因素，并辅以必要的数值模拟等手段，进行综合判别［5-8］。吉林省通化矿业（集团）有限责任公司道清煤矿现已进入深部开采阶段，道清煤矿北斜井南平峒矿区属于一不对称向斜构造，该井田自东向西地质构造逐渐趋于复杂，煤层结构复杂，其煤层成煤不均匀，煤层厚度从1m到20 m，煤层一般多由2～3个分煤层组成。采区处于褶曲构造轴部，断层、褶曲构造多，煤层赋存不稳定，煤层沿走向呈现分叉、尖灭、合层，似豆荚状，煤层倾角在0°～53.1°之间变化。其中断层以F3号逆掩断层为主，该断层走向为北东，部分为近东西向，由西起炮台山沿北东直向小横道河子、大横道河子延展，向南东方向倾斜，上冲距离100～500m，一般为200m左右，致使上盘以25°～45°角淹覆于北斜井下甸子向斜之上。随着开采深度的增加，地应力增大，开采中矿山动力现象比较明显，时常出现连续的煤炮，有时伴随瓦斯涌出增大现象，对安全生产造成较大威胁。因此，对煤层进行冲击危险性数值模拟研究，分析矿区煤层水平应力、垂直应力、XY面内剪切应力大小及分布规律，对预测其冲击危险程度是十分必要的。

1 冲击地压危险程度的判定

冲击地压的自身规律显示，煤层本身具有冲击倾向性时，开采中可能发生冲击地压，冲击地压又都发生在高应力集中区的煤岩体上。因此，寻找冲击地压的危险区域，首先要判定煤层冲击倾向性、煤岩体的高应力区域。确定了高应力区域，也就确定了易于发生冲击地压危险区域［9-11］。当然，在高应力区域内，并不是每一处都要发生冲击地压，因此还要依据煤体的自身物理力学性质、与周围生产的关系、地质构造特点、所采取的降低煤体应力措施的效果等有关联。

依据地质条件判别法、经验类比法综合判断，矿井的高应力区主要集中在：

（1）地质构造复杂的变化带处（如向斜轴部及背斜两翼、煤层厚度急剧变化带、活动断层两侧），火成岩侵入体两侧不仅地应力高，且集聚高瓦斯压力，也是典型高应力区。

（2）具有弹性能的煤柱的上、下方。

（3）开采支撑压力增高区，由于应力的增高变化，往往受外界微小扰动而失稳破坏，也是冲击地压危险地带。

（4）对于瓦斯煤层，瓦斯压力或瓦斯含量增高区。

依据上述判断高应力区的原则，结合采区开采过程中的地质、开采条件，确定煤层的冲击危险程度。

2 数值模拟

2.1 数值模拟模型

为分析北斜井南平峒矿区地质构造的影响，基于以上条件，采用ANSYS有限元软件，模拟该矿区煤层垂直应力、水平应力、XY面内剪切应力的大小及分布情况。模型是根据道清矿北斜井南平峒第XVIII勘探线地质端面图建立的，模型上端选取+350m，最下端取-450m，水平走向取1340m。模型上边界施加均布载荷3.82MPa，下边界为固定约束，左右边界是X方向位移约束，整个模型考虑自重［12-14］，模型图如图1。

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

2.2 模拟模型参数

煤层顶底板：顶板为细砂岩，底板为页岩，易于隆起，侧压力较大时多使巷道变形。计算时所取煤岩层的力学参数，如表1所示。

表1 模型主要参数表Table 1 The main parameters of the model

3 结果与分析

图2为水平方向应力图。不同色块代表不同的应力值，等值色块单位为应力单位Pa，仅表示变化趋势，不具有绝对意义。图中各种色块代表的应力包括压应力和拉应力，也就是从图中最下边的应力变化轴上显示，压应力值是由中间向左端逐渐增大，拉应力值是由中间向右端逐渐增大，以下各图一样。

图2 水平应力分布图Fig.2 Contour map of the horizontal stress

从图2可知水平应力沿断层倾向逐渐增大，应力集中位置主要出现在煤层倾角变化处和断层附近。水平应力整体变化不大，只在煤层断层、尖灭、分叉、模型边缘处出现应力最值区。在断层与煤层相交处应力达到最大，值为17.6 MPa。

从图3可知垂直应力基本都为压应力，分布的总体趋势是随深度的增加而逐渐增大。在煤层褶皱处应力比同水平垂直应力大，尤其在断层和尖灭处，应力值激增，增加量为38.9MPa，并出现应力集中区域。应力最大值出现在F3号逆掩断层处，值为50.8MPa；分叉处应力相对较小，尖灭处应力较大约为45MPa。

从图4可知在煤层的尖灭和断层处出现明显的剪切应力集中区。煤层断层处产生较大范围的压应力区，并出现负向最大剪应力，值为12.1MPa。

图3 垂直应力分布图Fig.3 Con tour map of vertical stress

4 结论

（1）对道清矿北斜井南平峒矿区煤层进行分析，得出煤层水平应力、垂直应力、XY剪切应力大小及分布规律。应力最大值出现在F3号逆掩断层处，X方向应力最值为 17.6MPa，Y方向应力最值为50.8MPa，剪应力最值为16.3MPa。

图4 剪切应力图Fig.4 Contour map of shear stress in XY－p lane

（2）影响应力分布的因素主要包括三个方面，分别是煤层倾角变化、煤层复杂构造和断层。由于煤层倾角变化大，造成沿煤层倾向水平应力梯度、垂直应力梯度和剪应力梯度都很大，随埋深的增加而增加；由于存在煤层复杂构造和断层的影响，其周围应力梯度更大。

（3）在F3号逆掩断层与煤层交汇处，虽然实测煤样的冲击倾向性较弱，但由于此处应力值相对较大，根据煤层冲击危险程度的判定得出此处冲击危险程度相对较大，易发生冲击地压，在开采时应注意防范。

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