基于突变模型的断层冲击矿压震级预测.pdf

第9卷 第 3期 总第 6 o期 2 0 0 4年 9月 煤 矿 开 采 C o a l Mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 9 N o ． 3 S e r i e s N o ． 6 0 Se p t e mb e r 2 0 0 4 I蕊星虱皿 基于 突 变模 型 的断层 冲击矿 压 震级预 测 李忠华，潘一山 辽 宁工 程技 术大学 力学 与工 程科学 系 ，辽 宁 阜 新 1 2 3 0 0 0 [ 摘要] 应用 围岩- 断层模 型按突变理论分析 了断层冲击矿压 的相关影响 因素，并对断层冲击 矿压的震级进行 了预测。断层冲击矿压是 由于开采活动引起的断层突然相对错动、弹性应变能迅速释 放的动力现象。其特 点是释放能量 多，震级高，一般为里氏4级左右 ，破坏程度较大，应进行重点防 治，以避 免人员伤亡，减少重大损失。断层冲击矿压的震级随断层厚度增大而减小 ，随断层软化指数 增大而增加 ，随断层初始剪切弹性模量增大而增加 ，随围岩的初始剪切弹性模量增大而减小。 [ 关键词 ] 断层；冲击矿压；震级；突变理论 [ 中图分类号]T D 3 2 4 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 4 0 3 - 0 0 5 5 - 0 3 Fo r e c a s t i ng s c al e o f s e i s mi c mag ni t ud e c a us e d by f a ul t i mpa c t pr e s s ur e b a s e d c a t as t r op he m o de 1 ．LI Zho ng - h ua，PAN Yi - s h a n L i a o n i n T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ，Me c h a n i c s＆ En g i n e e r i n g S c i e n c e De p t ． ．L i a o n i n F u x i n 1 2 3 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y s e s c o r r e l a t i v e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f f a u l t i mp a c t p r e s s u r e u s i n g wa l l r o c k - f a ult mo d e l a c c o r d i n g t o c a t a s ． t r o p h e t h e o r y，a n d for e c asts t h e s c a l e o f s e i s mi c ma g n i t u d e c a u s e d b y f a ult i mp a c t p r e s s u r e ．F a ult i mp a c t p r e s s u r e i s a d y n a mi c a l p h e - n o me n o n c a u s e d b y c o a l mi mn g，wi th f a ult a b r u p d y d i p o ff s e t ，an d s t r e t c h s t r a i n e n e r gy r a p i d l y r e l e a s e ．I t s c h a r a c t e r i s t h a t e n e r g y i s mo r e an d s c a l e i s h i g h e r ，u s u a l l y f o u r t h，d e s t r u c t i v e n e s s i s b i g g e r ．I t s h o uld b e p r e v e n t t o a v o i d a t t r i c i s t and r e d u c e l o s i n g ．S c a l e o f s e i s mi c ma g n i t u d e c a u s e d b y f a ult i mp a c t p r e s s u r e r e d u c e wit h f a ult S thi c k n e s s i n c r e a s e，an d i n c r e ase with f a ult S i n t e n e rat e i n c r e ase， and i n c r e ase wi th f a ult S p r e l i mi n a r y c u t e l ast i c mod ulu s i n c r e ase，an d r e d u c e w i th wa l l r o c k S p r e l i mi n a r y c u t e l ast i c mod ulu s i n ． cr eas e． Ke y wo r d sf a ult ；i mp a c t p r e s s u r e；s c a l e o f s e i s mi c ；c a t ast r o p h e the o ry 矿井 冲击 矿 压按 发 生 机理 可 分 为 3种 基本 类 型 煤 体压缩型 、顶板 断裂型 和断层错 动型 。断层 冲击矿压是 由于 开采 活 动 引起 的断 层 突然 相 对 错 动 、弹性应变 能迅速 释放的动力现象 。其 特点是释 放 能量 多 ，震级高 。潘 一山等建立 了由上 、下盘完 整岩体 与断层 构成 的围岩- 断层 模 型 围岩 周边 受 有正应力 和剪应力 ，并分析 了断层 冲击矿 压 的机 理 ；潘 岳等按突变理论 对该系统 的稳定性 及断层 冲 击矿压发 生条件和过程进行 了讨 论 。本文应用 上述 文献 的分 析结果 ，分析 断层冲击矿压 的相关 影响 因 素 ，并对 断层冲击矿压 的震 级进 行预测 。 1 断层冲击矿压 的突变模型 1 ． 1 围压作用 下的 围岩． 断层 系统 图 1所示 带宽为 2 6的围岩- 断层 系统 ，围岩 边 ’ 界到断层 的距 离 为 ，围 岩周 边 作用 有 正 应 力 o r o r ，剪应 力 取 长 为 、厚为 D 的半 条 带 作 为研究对 象。则 断层 和 围岩 的剪力． 切 向位 移 关 系 图 2 为 上 ／ ／ I ～．I ] Q 1 J ， H D 卜 ▲ T I ’ ， ▲ 一 J ， 2 b 一 日 ～ l ● _ | ■ 卜 - *4 十 十 下 图 1 围岩- 断层系统 Q ‘ A v e x p [ 一 v ／ v 0 】 P H k , v H 【 收稿 日期】2 0 0 4 0 2 1 2 【 作者简介】李忠华 1 9 6 7一 ，男，辽宁建昌人 ，副教授 ，主要从事工程力学教学与研究工作。 1 2 55 维普资讯 总第 6 0期 煤矿 开 采 2 0 0 4年第 3期 式中，Ag D L ／ b ，k G D L ／ B；g ，G分别为断层 和 围岩 的初 始 剪 切 弹模 ；m， 。为 断 层 的软 化 参 数 ； ， 分别为 断层 和围岩 的相对切 向位移 。 r 较小时 ，系统处于稳定 变形状态 。 r r 时 ，剪 应力达到最 大值 Q m A v e x p 一m 3 P cm-1 ／ m 。 m1 ／ me x p 4 m o ■ 斗 咯 o 图2 围压作用下断层岩体的本构关系 1 ． 2 断层 冲击矿压 的发 生条件 由文献 [ 2 ]知，当系统的刚度参数 e xp 1 5 MP a后 ，因断层 与 围岩 的抗剪 强 度 比较接近 ，震 级变化不 大 。 图6 震级与围岩剪切模量的关系 t 。 由图 6可见 ，震级 随围岩 的初 始剪切弹性 模量 增大 而减 小 。 当 G1 5 0 MP a时 ，系统 刚度参 数 1 ，断层 冲击 矿 压不 会 发生 ，说 明 当围岩 与 断层 的初 始剪切 弹性 模 量 比大 于 2 0后 ，因断层 抵抗 剪 切变形 的能力很 弱 ，围岩 中不 会积 蓄大量 的弹性变 形 能。 通过 以上分析可知 ，断层 冲击矿 压的震级一般 较大 ，为里 氏 4级 左右 。断层 冲击 矿 压一 旦发 生 ， 其破 坏程 度 将 会 较 大 ，应加 强 监 测 ，进 行 重 点 防 治 ，以避 免人员伤亡 ，减少重 大损 失。 3结论 断层 冲击 矿 压 震 级 较 大 ，一 般 为 里 氏 4级 左 右 。 断层 冲击矿 压 的震级 随断 层厚 度增 大而 减小 ， 随断层软化指数 增大而增加 ，随断层初始剪切 弹性 模 量增大而增加 ，随围岩 的初 始剪切弹性模 量增大 而减小。 断层冲击矿 压的破坏程度将会 较大 ，应进行 重 点防治 ，以避 免人员伤亡 ，减少重 大损失 。 、 [ 参考文献] [ 1 ]潘一山，等．断层冲击地压发生的理论与实验研究[ J ]．岩 石力 学与 工程 学报 ，1 9 9 8，1 7 6 6 4 2 - 6 4 9 ． [ 2 ]潘岳，等 ．矿井断层冲击 的折迭突变模型 [ J ]．岩石 力学 与工 程学 报 ， 2 O O l，2 0 1 4 3 48 ． [ 3 ]潘岳 ．岩石破裂过程的折迭突变模型 [ J ]．岩土工程学报 ， 1 9 9 9，2 1 3 2 9 9 - 3 0 3 ． [ 责任编辑 毛德兵] t 瘳、 、 、 、 、 e 、 、 、 、 e 、 e t 瘳 上接 5 0页 5矿压观 测及分析 5 ． 1 巷道 水平 、垂直 位移测试 测试方 法 仍 按 照 “十字 布点 法 ” 进 行 。测 试 结果 表 明，掘 进期间成巷后 的前 1 5 d水平 变形量较 大 。最 大 为 2 3 mm ／ d，1 5 d后 变 形 速 度 趋 于稳 定 ， 为 31 2 mm ／ d 。总水平变形 量 为 7 2 m m。巷道 的垂 直变形速度 自成巷后 一直保 持 在 2 4 mm／ d，主要 是底鼓量较 大。 回采期 间巷道 总 变形量 为 3 2 0 m m， 垂 直变形量 为 5 0 0 mm 稍拉底 仍可使 用 ，均 属 于 正常变形量 。 5 ． 2 锚 杆 受力状 态分 析 对锚杆做 拉拔 力试 验 非 破 坏 性 试 验 的结 果表 明 ，锚 杆拉拔力均超 过 9 0 k N，符合设计规 定 。 6 技 术效益分析 1 五矿 己 1 6 1 7 - 2 3 2 0 0回采 巷 道 的锚 杆 支护 技术应用研究 ，由于设计合 理 ，充分发挥 了围岩 自 承能 力 ，支护效果显 著 ，同其他 刚性 支护相 比 ，它 属于主动支护 ，有效控制 围岩 ，一般不需 维修。另 外 ，它也 为平煤 在深井高地 压软岩巷道支护 技术方 面作 出有益尝试 。 2 采用 棚 式 支 护 时 ，施 工 程序 多 ，工 人 劳 动强度大 ，而采用锚 杆支护 ，安装 快捷方便 ，能提 高单进 。在相 同地质条件下 ，采用 锚杆支护 比棚 式 支护月进尺提 高 5 01 0 0 m。 3 采用锚 杆 支 护 不 仅 能节 约 大量 型 钢 ，而 且可 以减少 准备巷道钢材 占用 量 。还可降低 坑木 消 耗量 。己 1 6 1 7 - 2 3 2 0 o机 风 巷 全 长 2 1 8 0 m，锚 杆 支 护费用 比 u型钢 支 护 费用 每米 节 约 7 0 0元 ，仅 己 1 6 1 7 - 2 3 2 0 0采 面就为五矿节 约成本 1 5 0万元 。 7 结束 语 平煤五矿 在高地应力软 弱煤层 回采巷道 采用锚 杆支护技术 ，总体效果是好 的 ，但 必须注意 到 ，由 于高地压 及 围 岩 流变 特 性 ，一 方 面巷 道 布 置 要合 理 ，施工期不 宜过长 ；另一方 面 ，要加强 管理 ，巷 道掘完后 ，应尽 快安装 回采 ，缩短巷道使用 期间。 [ 责任 编辑 颜 立新 ] 5 7 维普资讯