冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用.doc

第30卷第5期 2005年12月煤 炭 学 报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol130 No16 Dec. 2005 文章编号0253-9993200506-0690-05 冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用 窦林名,陆菜平,牟宗龙,秦玉红,姚精明 中国矿业大学能源与安全工程学院,教育部矿山开采与安全重点实验室,江苏徐州 221008 摘 要提出冲击矿压的强度弱化减冲理论,即采取松散煤岩体,降低强度和冲击倾向性,使得应力高峰区向岩体深部转移,并降低应力集中程度,使发生冲击矿压的强度降低,使得煤岩体中所积聚的弹性应变能达不到最小冲击能,从而防治冲击矿压的发生.强度弱化减冲理论在三河尖矿的生产实践中得到了有效的验证. 关键词冲击矿压;强度弱化减冲理论;减冲解危;中图分类号TD324 文献标识码A Intenianditsapplication inLU2ping,MOUZong2long,QINYu2hong,YAOJing2ming SchoolofEnergyandEngineering,KeyLaboratoryofMiningandSafety,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou 221008,Chi2na AbstractPutforwardtheintensityweakeningtheoryforrockburst,itisthestrengthandrockburstliabilityofthecoal2rockbodyreducedtoweakenthedangerofrockburstbytheloosingcoal2rockbody1Thepeakdistrictofthestressmovetothedeepdepartmentofrockbodyandtheconcentrationdegreeofthestress1Theintensityofrockburstisreducedaftertakingthemeasuresofweakeningrockburstindangerousdistrictofrockburst1Therockburstiseliminatedwhenmakingtheelasticenergybelowthestandardwithpreventions1TheintensityweakeningtheoryforrockburstwasgoteffectiveresultinproductionpracticeofSanhejianMine1 Keywordsrockburst;theintensityweakeningtheoryforrockburst;weakenrockburstandreduceddanger;dan2gerreduction 冲击矿压是一种较为典型的矿山灾害动力现象,主要表现为煤岩体中所积聚的弹性应变能突然、剧烈的释放过程,其发生的突然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成很大的威胁.特别是随着煤矿开采深度以10m/a的速度增加,冲击矿压问题越来越突出[1].我国的徐州、大同、抚顺等矿务局都面临冲击矿压的威胁问题.冲击矿压是矿山压力的动力现象,其发生的机理十分复杂.各国学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础上,从不同角度相继提出了一系列的重要理论,如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统失稳理论、弹塑脆性流变理论等. 从实质上讲,冲击矿压的发生必须要满足强度条件煤岩体上所受的应力要超过煤岩体的强度,煤岩体才会发生破坏、能量条件煤岩体中要不断聚集能量,并且能够突然释放、煤岩体具有冲击倾向 [3]性具有发生脆性破坏的能力等3个条件.这里,前一个条件是必要条件,后两个是充分条件, 即[2] 收稿日期2005-04-08 基金项目国家自然科学基金资助项目50474068,50490273,50074030;教育部博士点基金资助项目20030290017 作者简介窦林名1963-,男,青海平安人,博士,教授,博士生导师1E-maillmdoucumt1edu1cn 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 第6期窦林名等冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用69 1煤岩体所受的应力没有超过煤岩体的强度,煤岩体就不会发生破坏,就不会出现冲击矿压现象;煤岩体中虽然能够聚集能量,但耗散的速度大于聚集的速度,就不会突然释放,也不会发生冲击矿压;而煤岩体没有突然破坏的能力,也就不会发生冲击矿压现象.本文根据上述冲击矿压发生的原因,率先提出冲击矿压的强度弱化减冲理论,并进行相应的工程实践,从而为冲击矿压的有效防治提供理论依据和实践经验.1 冲击矿压的强度弱化减冲理论 冲击矿压的强度弱化减冲理论具有3个方面的含义①在冲击危险区域,采取松散煤岩体的方式,降低煤岩体的强度和冲击倾向性,使得冲击危险性降低;②对煤岩体的强度进行弱化后,使得应力高峰区向岩体深部转移,并降低应力集中程度;③采取一定的减冲解危措施后,使得发生冲击矿压时,冲击的强度降低.工作面两巷周围的煤岩体内存在有固定支承压力,并且随着时间的推移,煤岩体要产生变形,缓慢释放能量.而工作面前方煤岩体内存在移动支承压力,而且随着工作面的推进,移动支承压力向前推移.在工作面推进过程中,煤岩体破碎,向外释放能量. 一般情况下,煤岩体内聚集的能量由弹性变形能、震能、热能等组成.假设0Ukmin聚集的,UtUtUs-Up;④实施卸压爆破一次释放的能量为UeUe,Ue为一定值.在工作面回采或巷道掘进过程中,Ut是一个随时间不断变化的变量,其中σ,ε,T为控制变量.弹性应变能增量Ut3种可能性①当9Ut/9t0,说明煤岩体内聚集的弹性能多于耗散的弹性能,弹性应变能增量Ut随时间增加;②当9Ut/9t0,说明煤岩体内聚集多少弹性能,就耗散多少弹性能,能量的聚集与耗散处于平衡状态;③当9Ut/9t0时,说明煤岩体内所聚集的能量大于耗散图1 工作面前方弹性能的变化Fig11 Theelasticityenergychangeinthefrontofworkingface 的能量,能量不断增加.但只要UtUkmin,都不会出现冲击危险.Ut-Ukmin越小,冲击的危险性就越大.当UkminUt时,再有小的能量增加,就会发生冲击矿压.在这种情况下,就可以采用卸压爆破的手段,来释放弹性能,减小Ut,使得UtUkmin,即Ut-UeUkmin.如果Ut≥Ukmin,而且不及时采取卸压爆破等方法来释放弹性能,则在工作面回采或掘进过程中,其能量进一步增加,就会发生冲击矿压.当9Ut/9t0时,说明煤岩体内耗散的弹性能大于聚集的弹性能,弹性能逐渐释放,能量不断减少,Ut-Ukmin越来越大,冲击的危险性也就越来越小,这种情况下,不采用任何卸压释放能量的措施,也不会出现冲击危险. 因此,随着回采工作面的推进巷道的掘进,在回采工作面掘进巷道周围煤岩体中,存在着能量的积聚、转移、释放的过程.而冲击矿压的防治则可以采用边回采掘进、边监测、边治理的强度弱化减冲技术,即“工作面回采掘进→冲击危险监测→能量积聚→卸压爆破→能量释放→生产→再监测→”,这就是冲击矿压的强度弱化减冲理论实现的过程. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 692煤 炭 学 报2005年第30卷111 矿震的作用分析 矿震是矿山开采中发生的动力现象,是在煤岩介质中,由于采掘活动引起的高应力集中,聚集大量的弹性能,造成采掘空间周围岩体破裂和突然卸压.这种情况下,这些能量以震动、地震波的形式释放出 [1,4]来,并向外传播.研究表明,煤岩体内矿震产生的能量到达巷道或工作面时,由于部分能量的损失, [1,4,5]-λl其剩余能量为UfUwe,其中Uw为震动中心的震动能量;l为震动中心距工作面的距离;λ为能量 的衰减系数,它与巷道和工作面类型、震中释放能量的大小有关 图2为传播到巷道和工作面的能量与震中释放 能量、传播距离之间的关系ML为里氏震级. 由此可知,震动中心释放的震动能量Uw越大,传 播到巷道或工作面的能量Uf也就越大;震动中心 的位置距巷道或工作面越近,传播到巷道或工作面 的能量Uf也越大. 从以上分析可知,在产生矿山震动的情况下, 当地震波传播到工作面前方巷道周围时,其能 量突然增加了Uf,这时的总能量为t,,Utf-kmin0,.UtUfUkmin 112[5].震中释放的能量越大,λ也越大 .fLL的关系Fig12 RelationshipbetweenUfandML,distanceL0,从而发生冲击矿压,这就是为什么坚硬顶板来压时容易产生冲击矿压的原因.但是,如果UtUd-UkminUkmin,诱发冲击矿压;并且炸药爆破后,释放爆炸能Ue,使得Ut-UeUkmin,从而达到释放能量、卸压和防治冲击矿压发生的目的.114 能量聚集程度的监测 研究表明煤岩体等材料在载荷作用下,内部将产生塑性变形或裂纹,当裂纹形成和扩展时,将瞬态释放应变能而产生弹性波的现象.伴随着这种现象,将会有声发射产生. 同样当煤岩体等材料受载变形破裂时,将会产生向外以电磁能的形式释放弹性能的现象.伴随着这种现象,将会有电磁辐射产生,电磁辐射主要有两种形式①当岩体受载应力越大时,电磁辐射强度就越 [6,8,9]大;②当岩体变形破裂过程越强烈,电磁辐射信号越强,电磁辐射的脉冲数就越大. [10]煤岩体的变形破坏程度可采用岩石的损伤因子来描述.岩石的损伤因子Dt射和电磁辐射的能量释放紧密相关.一般情况下,,ΔU可由ΔUσΔεσεU2-ε1确定.设破坏程度的损10,则Δσ[C1D2-C0- ′[6,7]C1D1-C0],由此得ΔU2-Dt1成正比,即′・Dt∝U∝ut∝ε.,且Dε,,破坏速率表现在瞬间能量ut的释放中.,即产生声发射和电磁辐射.因此,. 2徐州矿务集团三河尖煤矿主采煤层为7煤和9煤,间距约30m,开采深度达750m以下,冲击矿压的危险性越来越大,其中9202工作面为高冲击危险区域,其开采深度达-850m,上覆有7煤7202工作面残留的煤柱,应力集中程度相当严重.9202工作面煤层厚度平均212m,工作面倾角平均22,工作面倾斜长度150m,走向长度750m.煤层直接顶为粉砂岩,厚112m,硬度为4～6;老顶为中砂岩,厚913m,硬度8～10;底板为粉细砂岩,厚819m,硬度系数6～10.在9202工作面掘进回采过程中,随时都有可能发生冲击矿压.为了降低冲击危险,采取冲击矿压的强度弱化减冲原理,取得较好的防治效果. 1冲击矿压的强度弱化减冲方案 针对9202工作面存在的危险区域,利用KBD5电磁辐射监测仪进行监测,确保煤体变形所释放的弹性应变能达不到发生冲击的能量.如果监测到电磁辐射幅值接近临界值时,说明煤体释放的能量增加,有可能达到发生冲击的能量,这时可以利用卸压爆破进行弹性能的释放,从而降低冲击矿压发生的危险,不影响掘进的进度,从而实现冲击矿压的强度弱化减冲的目的. 2卸压爆破弱化冲击危险 如图4所示.当掘进工作面进入7202煤柱区后,于10月20日早班掘进工作面上帮测点出现电磁辐射剧烈波动,最大值接近130mV,经过当班卸压爆破以后,其幅值下降到20mV左右;10月22日早班掘进工作面下帮测点呈现整体大幅度的波动,此时, 极有可能发生冲击危 图4 材料道进入7202煤柱区卸压爆破前、后电磁辐射幅值变化 Fig14 ChangeofEMEamplitudeinthe7202pillarnamedandbeforeandafterrelievingshot 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//