赵书东

摘 要：高瓦斯矿井产生冲击地压后，会出现瓦斯灾害的现象。文章对冲击地压与瓦斯涌出之间的关系进行数值模型模拟时，简要阐述怎么建立模型、建立模型应该考虑哪些因素。

关键词：冲击地压;瓦斯;数值模型

1? ? 冲击地压

煤矿开采过程中，在高应力状态下，煤岩体受应力作用，储存了大量的弹性能量，这些大量积聚的弹性能受煤矿开采过程中的采动影响，稳定状态会突然发生改变，释放储存的弹性能量。这种快速、破坏强度大的矿山压力现象就是冲击地压。冲击地压的发生，经常伴随着剧烈的响声、煤岩体的强烈震动和强力的冲击波现象，就如同在巷道掘进中放炮一样。受冲击地压影响，煤和岩石会被突然抛出，抛出的煤和岩石的总量从几吨到几百吨重不等，而且抛出的速度非常快，这些被抛出的煤岩会损坏支架，堵住巷道。而且，冲击地压的发生还有可能引发其他煤矿灾害的发生，比如煤尘和瓦斯方面的灾害等。

很多学者认为冲击地压成因和机理是由于3项高应力的作用。成煤过程受地质运动等因素的影响，煤层和岩层处于一种平衡状态，在这种状态下，由于之前地质运动等对煤岩体的作用，煤岩体内储存大量的弹性能量。当这些处于平衡状态的煤岩体受到采掘活动影响时，原来的平衡状态就会被打破，致使储存的大量弹性能量被快速释放，大部分的弹性能量会转化为动能，对周围煤岩体产生动力冲击，而引发各种动力现象。

引发冲击地压的原因有很多，而且比较复杂，常见的原因有压力冲击、突发冲击和爆裂冲击等。但从生产角度来看，可以分成自然条件、现有的技术条件和采掘的组织管理这3个方面。

冲击地压的危害主要有这几种：（1）严重损坏巷道，瞬间使巷道断面收缩变小，损坏支架，严重时使巷道顶底板合拢。（2）损坏设备，在冲击地压发生瞬间，使设备颠覆移位、损坏变形。（3）摧毁通风设施，强大的冲击波会摧毁风门和掘进工作面的风筒。（4）造成人员伤亡，人员大部分受撞击、冲击波和埋没伤害。（5）可能引发瓦斯次生事故。2005年2月14日，阜新瓦斯爆炸事故是由冲击地压造成瞬间瓦斯大量涌出引发的。

冲击地压的特点主要有以下几种：

（1）突发性，在发生冲击地压前没有明显的征兆，无法确定发生位置，很难事先准备。（2）瞬时震动性，震动的时间非常短暂，几秒到几十秒不等，震动波及范围可达几公里至几十公里，地面有震感。（3）巨大破坏性，有时顶板瞬间明显下沉，有时底板突然开裂鼓起甚至接顶，造成设备损坏和人身伤害。（4）复杂性，发生原因复杂、防治措施复杂。

冲击地压分类，根据煤体应力状态不同可分3类：

（1）重力型，主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响。（2）构造应力型，构造应力超过岩层自重应力，主要受构造应力的作用。（3）中间型或重力—构造型，受重力和构造应力的共同作用。

2? ? 瓦斯突出

瓦斯突出多发生在煤矿开采过程中，又常被叫作“煤与瓦斯突出”。

瓦斯事故是我国煤矿五大自然灾害之一，煤与瓦斯突出是煤矿在井下开采过程中发生的一种瓦斯动力现象，这种动力现象是由瓦斯、岩石和煤共同引发的。煤与瓦斯突出时，会在很短时间内，对巷道和采煤空间抛出大量的煤、岩石和瓦斯。抛出的煤和岩石的总量从几吨到几百吨不等，抛出的瓦斯从几立方米到几百万立方米不等。这种突出灾害常伴有较大的动力现象，如破坏支护设施、摧毁支架、使风流反向、推倒矿车等。

发生条件：（1）地应力条件。地应力状态的突然变化有可能会引起煤与瓦斯突出。主要体现在这几方面：地应力对瓦斯压力有控制的作用;煤体及围岩受压达到极限后，会释放弹性能，使煤体突然产生破坏、位移。（2）煤的结构和煤的力学性质条件。研究表明煤越硬，要使煤破碎所需的能量就越大;并且瓦斯放散、解析能力和瓦斯在煤层的透气性表现以及煤岩的不均质性特点，都会对煤与瓦斯突出的发生造成影响。（3）瓦斯条件。在煤体内赋存的大量高压游离瓦斯，会对周围煤体产生膨胀作用;工作面前方形成的瓦斯压力梯度，造成作用于压力降低方向的力;高压瓦斯分子全面縮煤的骨架，促使煤体中产生弹性潜能。

统计分析表明：冲击地压主要发生在巷道（91%），而且主要发生在采煤和掘进工序中。发生过冲击地压和由冲击地压引起过瓦斯灾害的煤矿都属于高瓦斯矿井，这些煤矿因为煤体本身就赋存大量瓦斯，使瓦斯涌出具备了基础条件，再因冲击地压影响，为高瓦斯煤体中的瓦斯涌出创造了条件。本文仅对研究冲击地压与瓦斯涌出之间的关系进行简单数值模型建立的研究。

3? ? 数值模型建立

冲击地压与瓦斯涌出数值模型建立，首先需要了解被研究矿井的工程概况、矿井的地理位置、煤层的埋藏深度、走向长度、倾向长度、煤田的面积、矿区含有多少个煤层、煤层的总厚度、每层煤的厚度、煤层与煤层之间的距离、煤层的瓦斯压力、瓦斯含量等。这些数据是建立模型的基础。

模型的建立通过rfpa软件来进行，本文所运用的rfpa系统，即岩石破裂过程分析系统，是基于弹性损伤模型的一个工具软件。

在对巷道围岩的力学场和渗流场建立数值模拟模型时，把巷道变形当作平面应变问题来模拟，这样可以减少模型的尺寸，减少软件的模拟计算时间。在建立模型时，应该以采集的现场数据为基础，设置条件：对模型的左右边界和下边界设置为垂直方向位移约束，上边界设置成上覆岩层的均布载荷，具体数值按现场资料设置。模拟时，让上边界的均布载荷开始作用，然后进行瓦斯渗流与应力的耦合计算。渗流场模拟时，把边界瓦斯设置为均匀分布且固定数值，在挖空的巷道单元设置固定的大气压力值。为了简化计算，忽略支护和岩层的影响，可以把煤层的厚度设置得很大。

[参考文献]

[1]孙浩.煤矿开采冲击地压形成的机理及控制[j].内蒙古煤炭经济，2019（20）：31，33.

[2]鲜学福.煤与瓦斯突出的激发和发生条件[j].岩土力学，2009（3）：5-9.

[3]王涛，王曌华，刘华博，等.冲击地压后瓦斯异常涌出条件及致灾原因分析[j].煤炭学报，2014（2）：371-376.