深部特厚煤层断层构造区掘进冲击地压发生机制

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表 １ 孟村煤矿 ４＃ 煤试样冲击倾向性各项指数测定结果
动态破坏时间 DT/ms
冲击能量指数
弹性能量指数
单轴抗压强度 Rc/MPa
７２
００
６
２０
１３
３５
１９
３７
弱
强
综合评判结果
下部
平均值
冲击倾向性判定
强
强
强冲击倾向性
１１２
００
弱
综合评判结果
４
２６
１９
３５
弱
２６
８８
强
强
强冲击倾向性
帮 (右帮)最大帮鼓量 ０
应,开采过程中矿井巷道和采场周围煤岩体在高应
力度的不断加 大, 开 采 深 度 已 达 到 ６００~１０００ m.
力状态下积聚大量弹性能,弹性能突然释放的现象
２０１３ 年 以 来, 彬 长 矿 区 胡 家 河、 高 家 堡、 孟 村、
亭南等大型矿井先后发生不同程度的冲击地压,表
具有突 发 性、 瞬 时 性、 复 杂 性 和 巨 大 破 坏 性 等 特
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２
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的性质对断层构造应力场的大小和分布规律起着主
命令,在该命令的基础上,模型的一方面可以和模
导作用.
型的另 外 一 方 面 相 互 耦 合.INTERFACE 命 令 表
２
１ 断层模型的建立方法
地质构造带的力学特征和应力场分布特征的研
达了 ２ 个接触平面的相互耦合关系,同时能够实现
接触面两侧的岩体可以交错挤压或相互分离.界面
层活化,使积聚在煤岩体中的大量能量突然释放而
产状变化不 大,局 部 断 层 发 育,无 岩 浆 活 动 影 响.
造成的.
在煤层中部布置主要大巷以及回采巷道,选用综合
彬长矿区是陕西省重要的煤炭基地,随着开发
指数
煤样层位
上部
平均值
冲击倾向性判定
机械化掘进,采用锚网锚索联合支护.
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基金项目:国家重点研发计 划 (
２０１７YFC０８０４２０４、２０１６YFC０８０１４０１、２０１６YFC０８０１４０３), 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (
５１５７４１４９、５１７０４１５５),
天地科技开采生产力转化基金 (
KJ－２０１５－TDKC－０５),中国煤炭科工集团有限公司科技 创 新 基 金 (N２０１６MS０１０), 天 地 科 技 重
临界水平,进而发生冲击地压.研究结论可为彬长矿区类似条件下冲击地压防治提供参考.
关键词 冲击地压 断层 微震监测 应力
中图分类号 TD３２４ 文献标识码 A
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l,２０１９,４５ (
１):５５－６０

深部特厚煤层断层构造区掘进冲击地压发生机制
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冲击 地 压 是 矿 山 深 部 开 采 引 起 的 一 种 动 力 效
生一起冲击地压事故,造 成 １０ 人 死 亡,６０ 多 人 受
伤.经分析, 该 事 故 是 在 开 采 活 动 诱 发 F１６ 逆 断
层断层构造区掘进工作面冲击地压的发生机理,以
１ 工程背景
１１ Biblioteka 矿井概括孟村煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区
/a, 当 前 处 于 基 建
中西部,设计 生 产 能 力 ６
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０ Mt
时期.该矿井主 要 开 采 煤 层 为 ４＃ 煤 层, 首 个 开 采
盘区煤层 埋 藏 深 度 约 ７２０ m, 平 均 厚 度 ２４ m, 平
均抗压强 度 ２４ MPa. 经 过 煤 岩 冲 击 倾 向 性 鉴 定,
此煤层具有强冲击倾向性,指 标 数 据 见 表 １.井 田
以发育宽缓的褶曲为主,含煤地层沿走向、倾向的
究方法主要有传统的定性理论分析方法、物理模拟
的性能主要表现为法向刚度、切向刚度、粘结力和
实验方法和数值模拟方法.数值模拟实验研究可以
摩擦力.在平面问题方面,接触面就是接触边,如
综合利用其他方法的研究成果,然后建立和模拟各
图 ２ 中的 A 边 与 B 边,点 划 线 圈 定 了 结 点 作 用 范
种不受时空限制的地质模型,因此数值模拟成为当
★ 煤炭科技 开拓与开采 ★
深部特厚煤层断层构造区掘进冲击地压发生机制
吕大钊１ 王书文２,３ 史庆稳２,３ 孙如达４
(
１
陕西彬长孟村矿业有限公司,陕西省咸阳市,７１２０００;
２
天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,１０００１３;
３
煤炭科学研究总院开采研究分院,北京市朝阳区,１０００１３;
７ m,肩部变形量相对较
大,局部开裂,最 大 裂 缝 宽 度 １５０ mm,２ 处 锚 网
被撕裂,４ 处木托 盘 被 压 坏. 冲 击 显 现 位 置 如 图 １
所示.
２ 断层构造应力场数值模拟研究
研究断层构造应力场,特别是正在活动的对采
图 １ 孟村矿井 “
８３１” 冲击显现区域
１
２ 冲击地压基本情况
论研究.
冲击地压与地质构造密切相关,相当一部分冲
击地压 是 由 断 裂 破 坏 引 起 的. 华 丰 煤 矿、 跃 进 煤
矿、老虎台煤矿、龙家堡煤矿等地质构造复杂,尤
其是断层分布较多,都发生过强烈的断层型冲击地
压,根据 工 程 实 际 合 理 划 分 冲 击 危 险 区 域.２０１１
年 １１ 月 ３ 日,千 秋 煤 矿 ２１２２１ 下 巷 掘 进 工 作 面 发
大范围应力集中区,而下盘仅出现应力降低区,上盘应力扰动范围大于下盘扰动范围.由于
DF２９ 断层对掘进扰动存在阻隔作用,由上盘向断层掘进的工作面 周 围 微 震 活 动 性 发 生 由 弱
到强的突变.突变点以远掘进时,断层附近扰动强度较低;掘过突变点后,断层另一盘活动
性急剧增强.断层导致掘进工作面围岩静载荷和动载荷均发生异常增高,两者叠加后易超过
压研究十分重要.开展断层构造带力学特征和应力
场分布特征的研究,对于断层活化以及断层冲击地
压的预测和防治具有重要意义.断层构造应力场取
决于断层性质 (包括断层面的物理力学性质和断层
的尺寸和方位)和断层周围岩体的性质,其中断层
５６
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中国煤炭第 ４５ 卷第 １ 期 ２０１９ 年 １ 月
示.孟 村 矿 井 DF２９ 断 层 为 正 断 层, 最 大 落 差
３８ m,倾角 ５５
°,埋深 ７２０ m.模拟在 kn ＝５×１０８
Nm－１ 、内摩擦角 ＝１５
°、粘聚力 ＝１×１０５ N、ks
＝５×１０８ Nm－１ 情况下,研 究 断 层 构 造 应 力 场 的
变化特征.煤岩层相关物理学参数参考由实验室测
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４
中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,１０００８３)
摘 要 针对孟村矿井冲击地压多发生在断层构造区附近这一问题,采用理论分析、数
值模拟及微震监测相结合的手段,研究了深部特厚煤层条件下构造区掘进工作面冲击地压发
生机理.研究结果表明,原岩应力状态下,断层对地应力分布扰动作用显著,断层上盘存在
前地球科学领域研究的重要手段之一.
围.INTERFACE 命 令 被 用 来 模 拟 断 层、 岩 层 层
面等结构面.
FLAC３D 数 值 模 拟 软 件 提 供 了 INTERFACE
图 ２ NTERFACE 命令示意图
２
２ 断层构造应力场模拟
孟村 矿 DF２９ 断 层 倾 向 剖 面 示 意 图 如 图 ３ 所
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现出与断层、褶曲地质构造相关的特征.本文以孟
征.２０１４ 年 底 发 生 冲 击 地 压 的 矿 井 已 达 １４７ 座,
且随着开采强度和采深的逐年增加,该数量还在不
村矿掘进工作面为研究对象,重点研究深部特厚煤
断增加.合理利用监测手段,分析监测数据,掌握
推动彬长矿区冲击地压防治水平的提升.
监测信息的变化规律,能够更好地开展冲击地压理
点基金 (
KJ－２０１６－TDKC－０１)
引用格式:吕大钊,王书文,史庆稳等 深部特厚煤层断层构造区掘进冲击地压发生机制 [
J] 中国煤炭,２０１９,４５ (
１):５５－６０

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