巨厚岩浆岩下开采动力灾害危险性分析.pdf

北京科技大学 硕士学位论文 巨厚岩浆岩下开采动力灾害危险性分析 姓名朱建建 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师纪洪广 20070616 北京科技大学硕士学位论文 摘要 冲击地压是矿井开采中发生的一种重大的动力灾害现象，灾害以突然、急剧、猛烈 的形式释放煤岩体变形能，煤岩体被抛出，导致巷道支架损坏、片帮冒顶、设备移动和 空间堵塞。甚至使采区或整个矿井停产，造成重大人员伤亡和巨大的经济损失，严重威 胁着矿井的安全生产。巨厚岩浆岩下的煤层开采是一种极端特殊的情况，在开采过程 中，巨厚岩浆岩破断失稳有可能诱发严重的矿山动力灾害。 本文在分析研究冲击地压发生的条件、机理的基础上，结合山东济宁二号煤矿特殊 的地质情况，运用相似材料模拟实验和数值计算的方法，进行了巨厚岩浆岩下开采动力 灾害危险性的研究工作。主要工作内容包括 1 ．总结已有成果，研究分析了冲击地压危险性的影响因素，并从济宁二号煤矿地质 构造类型及特点出发，分析地质构造对该煤矿冲击危险性的影响。 2 ．在分析目前国内外提出的各种冲击倾向性指标基础上选择了弹性能量指数耽卜 冲击能量指数K E 和刚度比指标x c ，对煤层和岩浆岩的冲击倾向性进行定量研究。通过 试验研究得出煤岩体具有中等冲击倾向性。 3 ．综合考虑影响冲击危险性的地质因素，通过综合指数法判定矿井的冲击危险等 级。 4 ．应用关键层理论，通过理论研究和相似模拟实验结合数值计算的方法分析巨厚岩 浆岩的变形和破断规律以及支承压力分布情况，分析了岩浆岩对冲击地压的不利影响。 5 ．提出巨厚岩浆岩下开采冲击地压f 觥r e n 防治途径。 关键词巨厚岩浆岩，动力灾害，冲击地压，冲击倾向性 北京科技大学硕士学位论文 D y n a m i cd i s a s t e rh a z a r da n a l y s i sm i n i n gu n d e r g r e a tt h i c km a g m a t l es t r a t a R o d d m r s ti sak i n do f s e r i o u sc l y r m l i ed i s a s t e rt a k i n gp l a c ei nt h ep r o c e s so f m i n i n g , 1 1 砖 e l a s t i ce 1 1 e r g yo ft l a er o c ka n dc o a li sr e l e a s e di nas Ⅸl c l e n ．蛳a r , df i e r c ef o r m , a tt h e8 a l n l ， t i m et h ec o a la n dr o c kw 啪t i l l * O W no u t ．I to t t e nn l a k c 8t h es u p p o r to ft l m n e ld e s t r o y e d , r o o f c o l l a v 暇l , e q l 】i p m e ．tm o v e da n dt h ee x p l o i t a t i o ns p a c ep l u g g e d , W h a ti sW O I 粥, i t 啪s t o p p l - o d l l c t i o no ft h ed i g g i n g 刮脚O l rt h ew h o l el n i n ca n d ∞u s eg r e a tc a s u a l t i e sa n de n o r m o u s 0 咖I l i cl o s s e s ．T h u st h es a f e t yo fm i n i n gp r o d u c t i o ni st h r e a t e n e ds e r i o u s l y ．I ti saq u i t e s p e c i a ls i t u a t i o nt om i n eu n d e rn l eg r e a tt h i c km a 班a t i er o c k , a n di ti sp o s s i b l ef o rt h ef r a c t u r e a n dd e s t a b i l i z a t i o no f 粤 e a t “c km a 舯a t i cs t r a t at oi n d u c es e r i o u sd y I l 锄l i cd i s a s t e ri nt h e m i n i n gp r o c e s s ． I nt h i sp a p e r , i tc o m b i n e sw i t ht h es p e c i a lg e o l o g i c a le o n d i t i o n so f S h a n d o n gJ i n i n gN o ．2 c o a lm i n eO nt h eb a s i so f 出l a l y s i n ga n d r e s e a r c h i n gt h ec o n d i t i o na n dm e c h a l l J , ．q ；mo f r o e k b u r s t , r e s e a r c hO nd y n 彻a i ed i s a s t e rh a z a e d 越- l a l y s i sm i n i n gu l l d a rg r e a tt h i c km a g m a t i er o c kb yt h e w a y o f s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o na n dn u a n e r i c a lc a l c u l a t i o n ．1 1 舱c o n t e n to f t h i sp a p e r 锄a s f o l l o w s 1I ts u l m n a z i z 脚t h ep r e s e n tr e s e a r c hr e s u l t s , r e s e a r c h e da n da n a l y s e dt h eh a z a r di n f l u e n t i a l f a c t o r so f r o e k b u r s t ．A n db a s o dO i lt h eg e o l o g ys t r u e t u n f lt y p ea n dc b 锄a c 晡s 6 璐o f J i n i n gN o ．2 m i n e , i ta a a ] y s e dt h et h ei I d h M n c eo f g e o l o g i c a ls t l u c t l l ∞o nt h ed y n m i cr i s k ． 2O nt h eb a s i so f 锄a b I s i I l ge t n r e n to u - t b l 埘- p r o n e n e s si n d e x e si nc h i n aa n da b r o a d , m e l a s t i ce l l e l g yi n d e xW E T , o u t b l ．1 i _ s t ∞日g yi n d e xK E 砌r i g i d i t yr a l i oi n d e xK a 锄c h o s e nt o a n a l y z em 埘删．p ∞n 既I e 路o f c o a la n dM a g l l 枷C r o c kq u a n t i t a t i v e l y ．A n di ti sf o u n dt h a tt h e c o a la n dm a g m a l i c r o c kh a v et h em e d i t m ar o e k b u r s tt e 暖I a 幽u 跚岱sw i t h 蚓| p 日蛔砌I 【a l 聪∞础 3R o e k b u r s th a z a r dl e v e l s 锄e s l i m a t e db yt a k i n g u s eo f c o m p r O a e a s i v ei n d e xm d } l o db y t a k i n ga e e o t m to f g e o l o g i c a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c er o e k b u r s th a z a r d ． 4B yu s i n gk e ys t r a t at h e r y ，t h ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r er u l eo f g r e a tt h i c k 舶明m a l i c 勰 w e l l 舔t h ed i s t r i b u t i o no fa b u t m e j n t 瑚殴聪种s t u d i e dw i t ht h e o r e t i c a ll r l 糊r c l l l , s i m i l a r ．2 一 北京科技大学硕士学位论文 m a t e m ds i m u l a t i o na n dn u m e r ／m lm l c u l a f i o nm e t h o d ．1 1 壕a d v e r s e 砌u e n ∞w h ／c hr e s u kf r o m 倒m 楚m 撕c l D 呔t or o c k b u m tw e r ed i 鼹碰戳d ． 5l h ℃v e n t ] o na n d 伽口I n 锄o do f ∞d i b I 臌躺p n p o s e di nm i n i n gu n d e r 唰t h i c I 【 皿l 趣F I l 撕cs t r a t a K e yW o r d s g r e a tt h i c km a g m a t ／cs t r a t a ，由m a m j cd i s a s t e r ，r o c kb u r s t ， o u t b u r s t - p r o n e n e s s ．3 ． 独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名必盖旦期互丝2 笸 物 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 保密的论文在解密后应遵循此规定 北京科技大学硕士学位论文 引言 地下开采动力灾害是指地下开采过程中诱发冲击地压、煤 岩 爆和矿震等岩体动 力失稳造成的冲击性地质灾害，通常伴有大量危险和有害气体的突出和释放，引发更为 严重的后果。由于地质动力灾害孕育过程的隐蔽性、发生机理的复杂性、发生时间的突 然性、发生地点的随机性，往往对井下作业人员、生产系统、设备安全构成严重威胁。 自1 7 3 8 年英国的南斯塔福煤田发生世界上第一例冲击地压以来，目前世界上有2 0 多个国家和地区发生不同规模和强度的冲击地压和矿震。在我国，开采地质动力现象主 要分布在华北、东北地区的黑、吉、辽、京、冀、豫、鲁、皖、川、黔、湘、赣等省 市，其中辽、京、鲁、皖、黔等五省市发生冲击地压的煤矿较多。 我国从6 0 年代开始对冲击地压的研究，主要是由～些有严重冲击地压的局矿在生 产实践中加以探索．全国性的煤矿冲击地压调研工作于1 9 8 5 年完成。此后，煤炭部于 1 9 8 7 年颁布实旄由煤科院北京开采所和阜新矿业学院联合起草的我国第一部冲击地 压煤层安全开采暂行规定。国家“六五”、“七五”、“九五”、“十五”期间科技 攻关项目对冲击地压问题进行了有针对性的研究，在冲击地压机理和防治措旌的研究上 有了较大的进展，对煤体注水与深孔松动爆破方法相结合的综合防治措施、冲击地压的 非线性有限元数值模拟、煤岩体地应力场的测试和有限元计算分析、非线性动力学分 析、声发射技术、微震监测系统、电磁辐射监测在煤、岩体冲击地压和岩爆的机理研究 和防治冲击地压的应用研究等取得了多方面的成果。 从国内外研究现状看，对于巨厚岩浆岩下开采引发的动力灾害研究尚不多见。我国 新汶矿业集团华串矿井田赋存巨厚坚硬砾岩覆盖层，第三系砾岩层厚度5 5 0 m ，粉砂岩 红层厚度约5 0 m ，砾岩铁钙质胶结。煤层开采过程中引起强烈的冲击地压和地表斑裂， 严重影响了矿井生产安全，并使地表遭受较大破坏。 兖矿集团济宁二号矿地质条件非常复杂，褶皱和断层发育。矿井区域内岩浆岩普遍 分布．岩浆岩侵入地层为上侏罗统中上部。据现有的钻孔资料揭示其厚度为2 4 ．5 7 m - - - 1 5 2 ．6 m ，平均厚度l l S m ，总体上西部厚东部薄，大部分为一层，局部为二层。岩石硬 度大且较完整。煤层埋深在7 4 0 m 左右，在开采过程中容易发生冲击地压。 开展巨厚岩浆岩下开采动力灾害危险性的研究具有重大的现实意义，可以为济二矿 在开采过程中动力灾害的预报和防治提供直接的依据，也可以对相似条件下的地下开采 提供一定的借鉴。 北京科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 ．1 地下开采冲击地压的问题 冲击地压是世界范围内煤矿开采过程中最严重的自然灾害之一，通常是在煤岩系统 达到极限强度时，煤岩体内积聚的弹性应变能以突然、急剧、猛烈的形式释放，导致煤 岩体瞬时发生急剧脆性破坏并向采掘空间抛出的一种动力现象。在冲击地压发生过程中 常造成支架移动、损毁、空间堵塞和人身伤亡事故，同时还伴随有周围岩体的震动、剧 烈的声响和气浪。冲击地压更为严重的后果是还可能诱发瓦斯、煤尘爆炸等事故。目 前，随着开采深度的不断增加和开采范围的日益扩大，冲击地压的危害日趋严重，冲击 地压问题已成为制约矿山生产和安全的重大灾害之一。 冲击地压是一个世界性的灾害现象。从1 7 3 8 年英国的南史塔福煤田发生世界上第 一次冲击地压以来，已有2 6 9 年的历史。目前，几乎所有采矿国家都发生过冲击地压。 除我国外，还有英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本等2 3 个国家和地区1 1 1 。 我国绝大多数矿山的煤层与岩层都具有强烈或明显的冲击倾向，在一定的临界深度 下，煤岩体发生的冲击地压极为严重。我国最早记录冲击地压的煤矿是1 9 3 3 年抚顺胜 利矿，由于开采深度和范围的逐年加大，发生冲击地压的煤矿数量不断增加。图1 ．1 是 我国冲击地压分布图，由图可见，我国冲击地压主要分布在华北、东北地区，主要集中 分布在四个条带，即北纬2 6 。、北纬3 4 。、北纬3 9 。和北纬4 2 。区域附近的黑、 吉、辽、京、冀、豫、鲁、皖、J I | 、黔、湘、赣等十二省市，其中辽、京、鲁、皖、黔 等五省市发生冲击地压的煤矿较多田。 冲击地压是一个复杂的物理力学过程，其发生的原因极为复杂，影响因素很多，可 以说冲击地压问题至今仍然是岩石力学与采矿工程中最困难的研究课题之一。到目前为 止，其发生机理和影响因素及其内在联系还没有完全搞清楚，当前正处于不断认识和研 究的过程中，特别是在冲击地压预测方面的研究正由定性向定量发展。 ．2 北京科技大学硕士学位论文 1 ．2 冲击地压的基本类型及诱因 目前发生在我国的冲击地压大致可分为三类煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲 击地压和断层错动型冲击地压印。 表1 ．1 冲击地压分类表 应力释放震级破坏破坏半 类型震源井下破坏形态 源 能量 ／M L 特征铷 重力 1 ．O 一 煤抛出或片帮、支 型 煤体煤体弹性能点状 1 ．1 0 2 ．4 柱歪倒、梁变形 煤 构造 2 ．O 一 煤挤出或片帮支柱 体型 煤体 煤体 弹性能 线状 l O _ 4 _ o 2 ．6 歪倒折断 顶板 煤体 顶板2 ．O 一煤挤出片帮、支柱 型顶板与煤 弹性能线状 2 0 - 5 0 2 ．8 折断抛出 弹性顶板 顶板弹性能 2 ．4 面状 煤片帮、顶微沉、 2 蝴 顶 型底板 2 ．8 支柱折断抛出 板断裂2 ．6 大面积 顶板下沉量大、大 型 顶板顶板势能量煤体抛出、支柱双啪 4 ．2 破坏 毁坏、夯墙坍塌 断错动大面积 断层错动、大量煤 层型 断层断层势能 2 3 ．0 体抛出、支柱毁≥l ∞ 毁坏 坏、夯墙坍塌 - 3 ． 北京科技大学硕士学位论文 1 煤体压缩型冲击地压 这种类型的冲击地压是煤矿中最常见的冲击地压，约占总数的8 0 ％以上。煤体受 压后，若其承载力随煤体变形的增加而迅速降低，煤岩系统不稳定，就会发生冲击地 压。应当指出，这种类型的冲击地压事故虽然煤体边界上仅受到压应力，但是煤体主要 是在剪应力作用下发生破坏的，这一点经常会被误解。这种类型的冲击地压主要发生在 采煤工作面、孤岛煤柱或巷道掘进的煤岩体中。 如下因素可能引起煤 岩 压力型冲击地压。 ①开采深度增加； ②开采含有向 背 斜构造的轴部； ③断层构造带附近 ④煤层的厚度、倾角、煤质等急剧变化的区域； ⑤开采程序不合理，如相向开采造成孤岛煤柱等人为制造的高应力集中区； ⑥放炮等引起煤体振动 ⑦开采或掘进速度过快，使得煤 岩 体浅部来不及松弛。 2 顶板受拉型冲击地压 顶板受拉型冲击地压是指当采矿进行到一定深度后，具有坚硬的厚而完整的顶板岩 层大面积悬空而发生的项板突然断裂，发生时的受力特点是顶板含有承载力大于抗拉强 度的拉应力区域。这种类型的冲击地压一般发生在老塘中部或煤柱边缘附近，或沿原有 断裂线、弱面继续开裂失稳扩展；后方的顶板断裂或后方为落差比较大的断层，其新发 生的断裂位置转向工作面的前方。如下因素可能引起顶板受拉型冲击地压。 ①开采后顶板大面积悬空； ②大量回收煤柱； ③遇到断层使顶底板不连续 ④放炮、行车甚至地震等强扰因素。 3 断层错动型冲击地压 断层错动型冲击地压是指采掘工作面推进至断层附近时，引起断层本身的突然错 动，猛烈释放能量的现象。其受力特点是断层承受相对较大的剪应力作用，易发生在雨 季。随着老矿区的开拓，地质、开采条件越来越复杂，发生这种类型冲击地压的可能性 要增加。如下因素可能引起错动型冲击地压。 ①断层遇水，断层泥的力学性质发生破坏，断层抵抗摩擦的能力降低； ②放炮、行车及地震等的扰动； - 4 一 北京科技大学硕士学位论文 ③开采减弱或切断断层的支撑； ④断层正应力的减小； ⑤断层剪应力的增加； 开采深度越大，诱发断层冲击地压的可能性增加； ⑦断层岩石应变软化特性越强，围岩剪切模量越小越容易失稳。 _ 般煤矿发生冲击地压所具备的条件有 ①煤质脆硬，单轴抗压强度达3 0 M P a ，弹性模量达1 0 G P a 以上，可能发生冲击地 压的岩石有致密的石灰岩、白云质灰岩、白云岩、角砾状灰岩、粗砾状花岗岩及安山岩 等。 ②采深较大。 ③大多数冲击地压发生在煤柱或穿过上层煤柱的影响区及开掘过程中造成的应力 集中大的地方。 ④多数冲击地压发生在地质异常区，如褶曲轴部，火成岩侵入区附近等。 ⑤地应力较高。只有当岩体上的应力超过其强度后，煤岩体才能进入应变软化阶 段，产生失稳破坏。因此，在高地应力的地区容易发生冲击地压。 ⑥地温较大。由于高地应力可以是大采深引起的，可能是构造应力引起的。也可 能是地温较大引起的。因此地温也是一个决定冲击地压是否发生的因素。 ⑦弹性模量和单轴压缩应力应变曲线软化段曲线的斜率绝对值的比值较小．这是 一个崭新的冲击地压倾向性指标，当这一比值为零时，岩石超过峰值强度后就迅速破 坏，岩石极脆，此时临界软化区深度为圆形硐室的半径。即在荷载的作用下，周边刚有 软化区时，就能发生冲击地压。若这一比值很大，贝Ⅱ不能发生冲击地压。 1 ．3 冲击地压机理的研究现l 状 冲击地压发生机理是指形成冲击地压的内在规律，它是冲击危险性评价和冲击地压 防治的主要理论基础。 煤岩体的破坏首先是煤岩体的强度问题，基于这一认识，在冲击地压机理的研究 中，人们自然地注意到了强度问题，并逐步发展形成了各种冲击地压强度理论。但是， 冲击地压是煤岩体的突然破坏，它是一种动力现象，和一般的静态破坏形式有一定区 别。除了煤岩的破坏特性之外，还表现为煤岩体具有一定的动能而向采掘空间抛射，同 时伴有震动、声响、冲击波等。因而，它不单是一个强度问题。基于这个问题，人们在 寻找煤岩突然破坏的原因和规律时又提出了能量理论、刚度理论和冲击倾向性等理论。 - 5 - 北京科技大学硕士学位论文 后来，国内学者又先后提出了“三准则”理论、失稳理论、“三因素”机理以及突变理 论，并把分岔理论、混沌动力学及分形理论引入到冲击地压机理的研究中[ 3 - 峋。 实际上，上述理论都是相互联系的。强度理论、能量理论和冲击倾向理论是最根本 性的理论，其余理论都是这三种理论的进步概括、总结和发展。 1 强度理论 强度理论认为，冲击地压是煤岩体局部应力超过强度而发生的，并对煤岩体形成应 力集中的原因提出了各种假说，如压力拱理论和悬臂梁理论，这一理论统称为冲击地压 的强度理论。强度理论进一步发展为近代强度理论，以“矿体一围岩”系统为研究对 象，考虑了系统的极限平衡，认为冲击地压发生的应力条件是 盯≥盯‘ 1 ．1 2 0 世纪7 0 年代强度理论得到进一步发展，布霍依诺提出了夹持理论。这一理论认 为煤体处于项底板夹持之中，夹持特性决定了煤体一围岩系统的力学性质，产生冲击地 压的条件是煤体一围岩交界处达到极限平衡，煤体本身就达到极限平衡。据此，得出 煤体极限压力方程 最 吒 r o c t g [ e x p 2 留≯x ／M 一l 】 吼 1 - 2 式中 只煤体极限压力； f o 煤体一围岩交界处的黏结力； 以煤体单轴抗压强度； x 计算点距煤壁的距离； M 采高； ≯煤体一围岩交界处的摩擦角。 布氏理论揭示了煤体一围岩力学系统的极限平衡条件，但是 1 - 2 式的计算结果 和实际情况有一定的差距。为此，国内一些学者根据这一理论的基本思想。结合我国煤 矿的实际情况，对 1 - 2 式作了改进得到如下的极限压力方程 最 c r o e x p [ K t g 妒 2 L 1 】 1 - 3 式中 c r o L - - O ．5 m 处的煤体的残余强度；L x ／M ； 置三轴残余强度系数 由三轴强度准则q o r o 置c r 3 确定 ≯煤体一围岩交晃处的外摩擦角。 ．6 ． 北京科技大学硕士学位论文 夹持理论较好的揭示了煤体一围岩力学系统的极限平衡条件。 强度理论解释了冲击地压的一些现象，具有简单、直观和便于应用的特点，但对于 冲击地压动理学特征描述的不够，特别是对于采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其 极限强度的现象，但没有发生冲击地压。这说明强度理论提出的判据不够充分，强度准 则只是发生冲击地压的必要条件，而不是充分条件，它只能判断岩体是否破坏，但并不 能回答是什么样的破坏形式是静态破坏还是动态破坏。 2 刚度理论 刚度理论是由C o o k 等人在2 0 世纪6 0 年代根据刚性压力机理论得到的。认为试件 的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩体呈现突然的脆性破坏。 7 0 年代，B l a c k 将此理论进一步完善。该理论认为矿山结构 矿体 的刚度大于矿 山负荷系统 围岩 的刚度，是产生冲击地压的必要条件。 国内一些学者把刚度理论用于解决煤柱～围岩系统的冲击地压问题，认为煤柱屈服 后的刚度大于顶底板岩体的刚度时，煤柱就发生冲击地压。反之，煤柱和顶底板系统处 于稳定状态。 刚度理论简单直观，但矿山负荷系统的划分、刚度的概念及如何确定矿山结构是否 达到峰值强度后的刚度是一大难题。该理论没有考虑到矿山结构与矿山负荷系统本身可 以储存和释放能量。 3 能量理论 能量理论是从能量转化方面解释冲击地压的原因。该理论认为矿体一围岩系统在其 力学平衡状态失稳所释放的能量大于其破坏所消耗的能量时发生冲击地压。 能量理论摆脱了传统古典理论的束缚，从能量的角度来解释冲击地压形成的原因， 这是对冲击地压机理认识的一个重大突破。为冲击地压防治提出了降低“矿体～围岩” 系统蓄能的能力，减少其破坏时所释放的能量和增加所消耗的能量，以避免或减缓冲击 地压危害的新途径。但是，能量理论只说明了冲击地压是在“矿体～围岩”系统的力学 平衡状态所释放能量大于消耗能量时发生冲击地压【切。能量理论可以解释一些现象，但 它把煤岩体看成是纯弹性的，不符合冲击地压是煤岩体破坏的事实；该理论没有说明平 衡状态的性状及其破坏条件，特别是围岩能量释放的条件，缺乏必要的判据和条件。 4 冲击倾向理论 大量的冲击地压实例表明，产生冲击地压的煤岩体一般都具有一定的物理力学特 性，从而决定其产生冲击地压的能力。这种能力是煤岩介质的固有属性，称之为冲击倾 向性。煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件。 ．7 ． 北京科技大学硕士学位论文 冲击倾向性可采用相应的指标或指标组，即冲击倾向度加以度量。煤岩体冲击倾向 性理论认为当煤岩体的冲击倾向度大于临界值时，煤岩层具有冲击破坏的危险，即 KF≥K∞1-4 冲击倾向性理论时波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面做了大量工作，提 出采用煤样的动态破坏时间D r F 、弹性能指标阡r 耵，冲击能量指数硒 三项指标综合判别 煤的冲击倾向性的方法。关于冲击倾向理论的具体内容将在以后章节中详细介绍。 显然，用一组冲击倾向性指标来评价煤岩体本身的冲击危险具有实际的意义，并已 得到广泛应用。然而，冲击地压的发生与裁决和地质环境有关，煤岩体的物理力学性质 随地质开采条件的不同而有很大的差异，实验室测得的结果往往不能完全代表各种环境 下的煤岩体性质，这也给冲击倾向性理论带来了局限性。 大量的现场调查表明，具有冲击倾向性的煤层，甚至同一煤层，只有少数区域发生 冲击地压，大多数区域不发生冲击地压。而且许多属于强冲击倾向性的煤层并不发生冲 击地压，而某些冲击倾向性很弱或无冲击倾向性的煤层确发生了冲击地压。可见 1 ． 4 式只是发生冲击地压的一个必要条件，也是材料的内在条件，满足 1 ．4 式的材料 表示具有了产生冲击破坏的能力，但是能否产生冲击地压还要取决于其他的外部因素， 如应力大小、能量关系等。 5 “三准则”机理模型 在研究强度理论、能量理论和冲击倾向性理论所提出的冲击地压盘踞的基础上，国 内学者把强度理论视为煤岩体的破坏准则，作为冲击地压发生的必要条件；把能量准则 和冲击倾向性准则视为煤岩突然破坏的准则，作为冲击地压发生的充分条件。认为当三 个准则同时满足时，才是判定冲击地压发生的充要S J p l 。 该理论比较全面地揭示了冲击地压的发生机理。作为机理模型，相对来说是比较完 善的，但是这只是一个原则性的表达式，实际使用中需要确定的参数太多，而且有些参 数几乎是无法确定，使用不方便。 6 失稳理论 章梦涛纠1 4 一町提出冲击地压是煤岩体的一种材料失稳破坏现象，认为煤岩体受采 动而在采场周围形成应力集中，煤岩体变为软化材料，当处于不稳定状态时，在外界扰 动下，发生冲击地压。提出了冲击地压是材料失稳的思想，但没有对冲击地压发生的条 件进行具体分析。文献【9 】中总结了失稳理论的特点 ①该理论提出，只有当煤岩体内的集中应力超过煤岩体强度后才能发生冲击地 压。这与强度理论一致，并指出了只满足强度准则确不一定发生冲击地压的原因。 一8 一 北京科技大学硕士学位论文 ②提出煤岩体变形系统若处于非稳定状态，在扰动下失稳释放的能量大于克服阻 力所消耗的能量，且多余能量转换为动能时，将发生冲击地压。这里给出了自行释放能 量的条件。 ③指出系统失稳与煤岩体极限强度前后的物理力学性质妻眵有关系． 7 其他理论 2 0 世纪7 0 年代末，林天健将T h o r n 创立的突变论引入岩石力学，其后，潘哥惭、 谭云亮嗍、尹光志f 2 1 1 、潘一山阎等学者建立了岩体结构失稳的突变模型，对围岩压力、 冈日度和煤岩体损伤扩展耗散能量进行分析，定性解释发生冲击地压的机理。目前，大都 采用尖角突变模型，建立岩体的势函数，分析分岔集，得出突变判据。突变理论发展了 刚度理论和强度理论。这一理论的研究I 目1 1 M | J 起步，离解决实际问题还有相当长的距离． 近年来，现代数学中的分叉理论和混沌动力学已在化工、物理、生物及其他学科领 域得到广泛的应用，但应用于研究和分析井下煤岩体发生冲击地压的文献还不多见。冲 击破坏可视为围岩体内部微观裂纹扩展、分叉和失稳扩展的动态演化过程，裂纹分叉与 失稳是紧密相关的，裂纹经过多次的分叉便导致整个系统的失稳，这种失稳可比拟为异 类非线性微分方程的倍周期分叉而出现的混沌运动现象。可见，利用非线性分叉理论和 混沌动力学来研究煤岩体发生冲击地压会成为今后的个研究方向，也是预测预报冲击 地压的一个新的途径。 谢和平院士提出了冲击地压的分形特征，将分形几何引入冲击地压的研究。这一理 论的主要成果是使用分形的数目与半径的关系来分析微震试件的空间分布，发现微震事 件具有集聚分形结构嘲。当冲击地压发生前，微震事件的集聚程度明显增加，并出现分 形维数的减少。最低的分形维数通常出现在一个主冲击地压临近发生时．分形理论对冲 击地压发生更多地从现象的角度给予定性描述，在定量描述冲击地压发生的原因和破坏 过程方面还需要做大量研究工作。 齐庆新等学者在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时提出了。三因 素”理论嘶城捌。该理论将煤岩体内在因素、力源因素和结构因素作为导致冲击地压 发生的最主要因素。认为煤岩体破坏是滑动破坏，其滑动形式分为稳定性滑动和粘性滑 动两种。煤岩层受力过程中的瞬时粘滑过程，是煤岩层满足剪切强度准则的突然滑动并 在滑动过程中伴有变形能释放的动力过程。 尽管冲击地压机理的研究已有8 0 多年的历史，到目前为止，还没有提出更具有普 遍意义的冲击地压发生的准则，没有建立和煤岩体力学参数及结构几何参数相联系的冲 击地压发生的准则。 ．9 ． 北京科技大学硕士学位论文 1 ．4 冲击地压预测方法的研究现状 冲击地压的预测是指对冲击地压潜在危险程度的预先判断，是防治冲击地压灾害的 基础。冲击地压的预测包括对冲击地压发生的时间、空间和规模的预测。在此研究空间 预测，即预测某个区域或某个局部有无冲击地压潜在危险。 冲击地压的预测一般应根据机理模型提出判断指标，然后根据指标来衡量冲击地压 潜在危险性大小。但是，从上面分析的各种机理模型可以看出，由于各参数难以确定， 其判据在实际运用中难度很大。因此在生产实践中又提出了一些具体的预测方法和指 标。有些方法和指标与机理模型直接相关，有些间接相关。也有些是根据生产实践提出 的经验判据。概括起来，目前预测煤岩体发生冲击地压的方法可分为岩石力学方法和地 球物理方法两大类。在岩石力学预测方法中，常用的有国内外煤矿中常用的预测方法和 指标有钻屑法、工作面监测法等。在地球物理预测方法中，常用的方法有声发射、 微震监测等。 1 钻屑法 钻屑法也称小直径钻孔法或煤粉钻孔法。它是通过向煤体钻小直径 直径范围为 妒 4 2 r a m 一5 0 r a m 钻孔，根据钻孔时在不同深度捧出的煤粉量及其变化规律以及有关 动力现象判断冲击危险的一种方法。由于这种方法能同时检测多项与冲击地压有关的因 素，而且简便易行，所以成为世界各国普遍采用的一种预测技术 为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支承压力带峰值大小 和位置。峰值越大、距煤壁距离越近，冲击危险程度越大。但直接测定煤层应力相当困 难，一般多采用相对评价的方法。 研究表明，钻屑量的变化反映了煤体内应力的变化。钻屑量变化曲线和工作面前方 支承压力曲线十分相似，钻屑量的峰值位置反映了支承压力峰值区位置，因此，一般都 以钻屑量和钻屑量峰值位置距煤壁距离作为主要指标，而以钻屑粒度组成和钻孔过程中 的动力现象 如钻杆跳动、卡钻、劈裂声响、微冲击等 作为参考指标。 根据各国的具体的生产实践情况，钻屑法的指标也略有不同。波兰采用的指标为 当钻粉量最大值达到或超过6 升／米，并且 X ￡ 1 ．5 M严重冲击危险性 1 ．5 M ≤X L 3 ．4 M危险状态 X ￡≥3 ．4 M 安全状态 式中x 。表示最大应力带至工作面煤帮的距离，M 表示采高。 ．1 0 一 北京科技大学硕士学位论文 俄罗斯则根据钻屑量指标及其峰值位置距工作面的距离作出冲击地压危险等级诺模 图如图1 ．2 所示，有冲击地压危险的 I 级 严重冲击地压危险 l I 级冲击地压危险 ． Ⅲ级无直接冲击危险 Ⅳ级 安全状态 鉴于煤粉钻屑法的重要性，我国保安规程也原则上规定用这种方法确定冲击危险程 度． 1 ／ I | ’／ i 1 I ／ ， ／ ／ ／ ／ ／ H I／ ／／ ／ ／ 乏 ／ ／ Ⅳ Ol 2 3 45I ．／R 图1 ．2 按钻屑量确定冲击地压危险等级诺模图 2 工作面监视法 在工作面和沿层巷道中的监视技术有以下几种 ①煤壁面的鼓出量和松驰状态的测定。生产实践表明，煤壁松驰而压出速度大时 呈安全状态，与此相反，煤壁鼓胀而压出速度小时呈危险状态。 ⑦工作面和岩层巷道顶底板会合量测定。现场实测研究表明，有冲击地压危险的 长壁工作面顶底板会合量相当小，在某种程度以下时容易发生冲击地压。 ③煤层内地压的监视。该方法是在工作面前方的沿层巷道内测定伴随工作面移动 时煤层内的压力变化，把其结果同煤壁位移的测定结果相比较作为冲击地压危险性指 标。测定方法如图1 ．3 所示．测试研究表明压力变化A P 大，煤壁位移小时，该处煤层 处于冲击地压危险状态。判别关系式为 H ￡j m 8 6 4 2 钻屑量on∞亨一 5 2 9 6 3 O 钻屑体积一_酽v 北京科技大学硕士学位论文 卸≥C 甜2 卸 C A d 2 式中 危险状态 安全状态 △p 油压膜盒的压力变化，M P a ； △d 2 煤壁压出量，I I Z T I ； c 钻孔长度三和煤层厚度肘等的函数，当L 6 M 时，C m 0 ．1 一O ．2 I V l P a ／m m ． 工作面监视法有很大的经验性，因此，准确性受人为影响较大。 图1 ．3 地压变化印和煤壁位移△d 的测定方法 3 声发射 A E 方法 众所周知，煤岩加载到临近屈服点时，在未达到完全破坏以前要发出声响或震动， 一般称这种现象为声发射。这一方面的研究在日本较为活跃，它包括微断裂声发射 ⅫB 也称地音法 ，微震活动 M A 。根据岩体震动频度、强度和震源来检测煤 层冲击恁险性的技术在波兰得到了广泛的应用。声发射和微震监测技术预测