煤岩系统模型冲击倾向的数值模拟研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 煤岩系统模型冲击倾向的数值模拟研究 姓名董建军 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师蒋金泉 20040201 山东科技大学硕士学位论文 摘要 冲击地压是煤矿井工开采中严重的自然灾害。煤矿冲击地压又称煤爆，它是一种发 生在井巷或回采工作面围岩一煤体内煤岩体急剧破坏，突然释放弹性能，以突然，急剧。 猛烈破坏为特征的动力现象。煤岩冲击倾向研究是冲击地压机理研究的重要组成部分。 本文从系统观点入手充分考虑顶板、煤层和底板各子系统之间的关系，综合研究各 个因素及整体效应对冲击倾向的影响，进而更科学地揭示和评价矿井煤岩系统的冲击倾 向。 采用能量和流变力学的方法进行理论分析，认为顶板和底板对煤体的能量传递、运 动方式、破坏、变形和变形速度都有显著影响。 运用有限元数值模拟方法和对顶、底板岩层受力特征的研究，发现顶底板存在明显 的应力差别，这种差别对煤的受力及力学性质的影响是不可忽视的。依据研究得到的顶、 底板各自不同的力学、物理状况，建立了易于通过实验室试验研究的煤岩系统试件模型， 并通过数值计算方法证明这种试件模型与现场的顶、底板应力状态是一致的。 采用R F P A 数值模拟软件，对顶、底板不同岩性的煤岩系统模型进行了数值实验模 拟研究，通过对获取的声发射、能量、应力、破坏过程等基本信息，从影响冲击倾向的 各种因素入手进行综合分析，系统研究了不同项 底 板岩性条件下系统冲击倾向的变 化，研究结果表明煤体在顶 底 板的参与下，随着顶 底 板强度的变化，煤岩系统模 型冲击倾向的各方面特性会发生变化，其中，煤的弹性变形能力显著增强；随着顶板强 度的增加，煤岩系统模型的承载能力和冲击能力会呈现非线性递增趋势。而扩容点应力、 弹性能积聚能力和用于破坏的能量则呈现非线性递减趋势随着底板强度的增加，煤岩 系统模型的承载能力、冲击能力和扩容点应力会呈现非线性递减趋势，而弹性能积聚能 力和用于破坏的能量则呈现非线性递增趋势。 依据系统研究观点，通过分析研究得出煤岩系统的冲击倾向是煤岩系统自身多项物 理力学性质的综合体现，是各种因素共同作用的结果。煤岩系统模型试件比单一煤体试 件更能反映出能量的蓄能和耗能过程，进而确定了系统冲击能量指标／1 及其判据，并以 孙村煤矿二、四煤层为例进行了验证。 关键词冲击地压冲击倾向系统模型数值模拟应力应变声发射系统 冲击能量 坐奎型垫盔兰堕主堂垒丝塞 一一一i 曼 A b s t r a c t R o c k b t t r s ti so n eo ft h eb i gd i s a s t e r sw h i c ht h r e a t e nt h es a f em a n u f a c t u r eo fm i n e s ， R o c k b u r s t , a l s oc a l l e dc o a lb u r s t ，i sap o w e r f u la n dd e s t r u c t i v ep h e n o m e n o nw h i c hw i L l h a p p e na r o u n dr o a d w a y a n dw o r k f a c ei fr o c ka n dc o a ld e s t a b i l i z es h a r p l y ．W h e nr o c k b u r s t h a p p e n s ，t h ec l a s t o m e r i ce n e r g yo f r o c ka n dc o a li sr e l e a s e ds u d d e n l ya n dt h er o a d w a ya n d w o r k f a c ea r ed e s t r u c t e dc a t a s t r o p h i c a l l y ．T os t u d yt h ei m p a c tt r e n do fr o c ka n dc o a li sa n i m p o r t a n tp a r to f t h e m e c h a n i s mr e s e a r c ho f r o c k b u r s t ． B y t h ew a yo f s y s t e m a t i ca n dc o m p l e t ec o n c e p t ，t h er e l a t i o n so f e a c hs u b s y s t e ms u c ha s t h er o o f , c o a ls e a n l ，a n df l o o ra r ec o n s i d e r e da d e q u a t e l y , a n dt h ei n f l u e n c et ot h ei m p a c tt r e n d i n i t i a t e db ye v e r y f a c t o ra n d t h ew h o l ee f f e c ti ss t u d i e d s y n t h e t i c a l l y ．A c c o r d i n gt ot h es t u d y a b o v e ，t h ei m p a c tt r e n do f r o c ka n dc o a li nt h em i n ei sr e v e a l e da n d j u d g c ds c i e n t i f i c a l l yi n t h i sp a p e r ． T h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n d u c t e db yt h em e t h o do f e n e r g ya n dr h e o l o g i c a lt h e o r y ． O nt h ep r e m i s eo f t h i sa n a l y s i s ，w ec a r ls a yt h a tt h er o o f a n df l o o rh a v er e m a r k a b l ei n f l u e n c e o nt h ee n e r g yt r a n s m i s s i o n ，m o v e m e n tp a t t e r n ，d e s t r u c t i o n ，d e f o r m a t i o na n dd e f o r m a t i o n v e l o c i t yo f t h e c o a l ． T h es t r e s sf e a t u r eo f t h er o o f a n df l o o rs t r a t ai ss t u d i e db yt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ea p p a r e n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h er o o fa n df l o o ri sf o u n do u t w h i c hh a st h eb i gi n f l u e n c et ot h es t r e s sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ec o a l ．T h es a m p l e m o d e lo ft h ec o a la n dr o c k s y s t e mw h i c h C a nb es t u d i e de a s i l ya n dc o n v e n i e n t l yi nt h el a bi s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tm e c h a n i ca n d p h y s i cf e a t u r e so f t h e r o o f a n df l o o r ．T h i s s a m p l em o d e lh a sb e e nt e s t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt h a th a st h es a m es t r e s s s t a t e s 谢t l lt h er o o f a n df l o o ro nt h es p o t ． T h er o c ka n dc o a ls y s t e m a t i cm o d e l st h a th a v ed i f f e r e n tl i t h o l o g i c a lc h a r a c t e r so ft h e r o o fa n df l o o ra r es i m u l a t e db yt h e R F P A r o c kf a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i s n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s o f t w a r e ，a n d i nt h e p r o c e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eb a s i ci n f o r m a t i o n i n c l u d i n gA E ，e n e r g y , s t r e s sa n df a i l u r ep r o c e s sa r ea c q u i r e d ．A f t e rt h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sp r o c e e d e df r o m t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ei m p a c tt r e n d ，t h ec h a n g e so f t h e i m p a c t t r e n do ft h es y s t e ma r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yu n d e rd i f f e r e n tl i t h o l o g i c a lc h a r a c t e r so ft h e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 r o o f a n df l o o r ．T h er e s u l t so f t h es t u d y m a k es o m e q u e s t i o n sb e l o w c l e a r 1 ．E v e r yc h a r a c t e ro f t h ei m p a c tt r e n do f t h es y s t e m m o d e lw i l lc h a n g ei f t h es t r e n g t ho f r o o fa n df l o o rc h a n g e s p a r t i c i p a t e db y t h er o o fa n df l o o r ．T h ec a p a c i t yo fe l a s t i cd e f o r m a t i o n o f t h ec o a li se n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y ． 2 ．T h e l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y a n dt h e i m p a c tc a p a c i t y o ft h em o d e lw i l li n c r e a s e n o n l i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo fr o o fa n df l o o rs t r e n g t h ，b u tt h ed i t a t a n c yd o ts t r e s s ，t h e a c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo ft h ee l a s t i ce n e r g ya n dt h ee n e r g yu s e dt od e s t r u c tw i l ld e c r e a s e n o n l i n e a r l y ． 3 ．T h e l o a d c a r r y i n gc a p a c i t y , t h ed i l a t a n c yd o ts t r e s sa n dt h ei m p a c tc a p a c i t yo ft h e m o d e lw i l ld e c r e a s en o u l i n e a r l yw h e nt h es t r e n g t ho ft h er o o fa n df l o o ri si n c r e a s e d ，b u tt h e a c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo ft h ee l a s t i ce n e r g ya n dt h ee n e r g yu s e dt od e s t r u c tw i l li n c r e a s e n o u l i n e a r l y ． A c c o r d i n g t ot h ec o n c e p to f s y s t e m a t i cs t u d y , t h ei m p a c tt r e n do f r o c ka n dc o a ls y s t e m i st h er e f l e c t i o no f m a n yp h y s i c a la n dm e c h a n i cc h a r a c t e r si th a s ，a n di st h er e s u l to f j o i n t e f f e c to fm a n yf a c t o r s ．W h e nr e f l e c t i n gt h ep r o c e s so fa c c u m u l a t i o ne n e r g ya n dc o n s u m i n g e n e r g y , t h es y s t e m a t i cm o d e lo f r o c ka n dc o a li sm o r ee f f e c t i v et h a nt h es i n g l ec o a lm o d e l ．S o ， t h es y s t e mi m p a c te n e r g yi n d e xl aa n dt h ei m p a c tt r e n dc r i t e r i aa r es e t u pa n dt h e ya r e t e s t e da n dv e r i f i e db yt h eN o ．2a n dN o ．4c o a ls e a m si nS a n c u um i n e ． K e y w o r d s r o c k b u r s t ，i m p a c tt r e n d ，s y s t e mm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t e ，s t r e s s ，s t r a i n ，A E ， i m p a c te n e r g y o f s y s t e m 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有里交于 其它任何学术机关作鉴定。 A F F I R A 僵A T I O N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fD o c t o ro f P h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e p 叼 2 ∞中 I ， 、 uI ∽ 幽 ；．乙 翠卜 彬如 馘 瓤 生士硬 日 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 课题的提出及意义 冲击地压是世界性的采矿岩土工程活动中常见的灾害，是煤矿并工开采中严重的自 然灾害。煤矿冲击地压又称煤爆，它是一种发生在井巷或回采工作面围岩一煤体内，煤 岩体急剧破坏，突然释放弹性能，以突然、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象“州。发 生前一般没有明显的宏观前兆，发生过程短暂，猝不及防。常伴有强烈震动、巨大声响、 煤体振动和冲击波，已发生的冲击地压中最大震级达到里氏地震级3 ．8 级以上。它往往 造成采掘空间中支护与运输设备的破坏及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和并巷 的破坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。 1 7 3 3 年英国南斯塔煤田就有发生冲击地压灾害的记录。我国冲击地压最早发生在 1 9 3 3 年抚顺的胜利矿，到7 0 年代末期趋于严重，冲击地压矿井达到3 0 个，其中门头沟、 龙风、枣庄、唐山、天池等矿井最为严重。迄今为止，已有7 0 余对煤矿矿井发生过采 矿诱发冲击地压，其中3 5 对矿井累积发生过2 0 0 0 余次具有破坏性的采掘诱发地震，造 成数以千计的人员伤亡，国家财产损失累计达数十亿元。 目前我国的能源结构仍以煤为主，而冲击地压是煤矿生产中遇到的严重灾害之一， 具有很大的破坏性，它不仅破坏生产，损失储量，而且给矿井安全生产造成了严重的威 胁。随着开采深度的不断增加和开采范围的日益扩大，冲击地压矿井数不断增加，冲击 地压事故每年均有发生。近年来又有不少矿井发生严重的冲击地压，例如，新汶华丰、 孙村、徐州三河尖、兖卅I 东滩等矿井。我国目前煤炭产量居世界之冠，又以井工开采为 主．冲击地压严重威胁煤矿矿井生产安全，这种局面在一个相当长时间内难以改变。我 国现已成为世界上冲击地压最严重国家之一，其发展趋势将日益严重。 煤矿冲击地压危害的评价、监测预报及防治技术的深入研究己显得极为迫切，已成 为我国煤矿生产中亟待解决的岩石力学研究课题。而煤岩冲击倾向研究是冲击地压机理 研究的重要组成部分，是冲击地压预测预报及防范治理的基础。因此，对于煤岩系统冲 击倾向的深入研究，无论是目前还是长远都具有重要的科学意义与实用价值。 1 ．2 国内外研究概况及发展动态 纵观2 0 0 多年来冲击地压的研究历史，人们对这一动力现象已从表面现象的观察和 1 坐查登苎查堂堡主堂垡堡苎 堕丝 描述，过渡到内在规律的揭示；从一般的认识发展到对发生机理的力学一数学论证。 冲击地压是一种复杂的动力现象，众多学者对其发生的机理进行了长期的卓有成效 的研究，形成了各种理论或学说。每一种理论都从不同角度对冲击地压的本质进行揭示， 虽然孤立地运用任一理论都是不完美的，但这些理论的不断完善，已经为以后的研究从 不同方向铺就了通向目的地的道路。通过对这些基本理论的理解，可以有的放矢的，从 不同角度研究冲击地压，对其发生的本质进行探索性的揭示。 1 ．2 ．1 强度理论 煤岩体破坏的原因和规律，实际上是煤岩体的强度问题⋯1 。传统的力学观点认为， 只要材料所受的载荷 或由此而产生的应力 达到其强度极限，则材料就会开始破坏。正 是基于这种朴素的认识。在冲击地压机理研究中，从一开始就注意到了强度问题，并逐 步发展形成了各种冲击地压强度理论。 早期的冲击地压强度理论主要是围绕岩体形成应力集中的原因而提出的各种假说。 1 9 2 6 年，琼斯利用金属板中环形孔在静水压力下的解法来说明孔边应力为施加应力的 两倍，并将这一理论用于采场，认为采空区周围存在着应力集中。随后于1 9 2 7 年。克 劳利发展了这一假说。提出由于采场周围的应力集中，岩层产生破裂，若这种破裂猛烈 地发生，则形成冲击地压。到三十年代末期，广为流传的两种理论是拱顶理论 P r e s s u r e d o m et h e o r y 和悬臂梁理论 c a n t i l e v e r t h e o r y 。拱顶理论认为，矿山坑道形成后， 坑道周围岩体破裂而形成破碎岩石的拱顶区，拱顶区岩石卸载，而使其邻区的岩体产生 应力集中；悬臂梁理论认为，采场上方顶板以悬臂梁形式施加载荷于矿体，悬臂梁以煤 壁为支点弯曲下沉，造成煤体边缘部分应力集中。 从五十年代起直至目前而逐步形成的近代强度理论的主要特点是 1 着眼于矿体一围岩这一力学系统的极限平衡条件； 2 不但有原则性的分析和推断，而且给出了各种表达式和解析解； 3 开始用实验室和井下实测资料，进行具体问题的定量分析。 近代冲击地压强度理论中，具有代表性的，堪称夹持煤体理论。布霍依诺提出的这 一理论认为，煤体处于顶底板夹持之中，夹持特性决定了煤体一围岩系统的力学特性。 产生冲击地压的强度条件是煤体一围岩交界处达到极限平衡条件；煤体本身达到极限 平衡条件。 据此，得出煤体极限压力方程为 2 生查塾垫查堂翌主兰垡丝塞 一．j 墨垒 P i a , r o c t g ，№倒小] 怛 ㈦- ， 式中R 煤体极限压力； “煤体一围岩交界处粘结力 以煤体单向抗压强度； 工计算点距煤壁距离， M 一采高； 毋煤体一围岩交界处的摩擦角。 布氏理论较好地揭示了煤体一围岩力学系统的极限平衡条件，具有简单、直观、实 用等特点。． 1 ．2 ．2 刚度理论 刚度理论是由C o o k 等人在二十世纪6 0 年代根据刚性压力机理论而得到的。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，布莱克将此理论完善化，并用于分析美国加利纳矿的冲击地压问题。该理论认为， 矿山结构 矿体 的冈4 度大于矿山负荷系 围岩 的剐度，是产生冲击地压的必要条件。近 年来，佩图霍夫在他所提出的冲击地压机理模型中也引入了剐度条件。但他进一步将矿 山结构的刚度明确为达到峰值强度后其载荷一变形曲线下降段的刚度。 刚度理论；、实际上也是一种能量理论。但它只不过是如下所采用的布一格一里氏能 量理论的一个特例。 1 ．2 ．3 能量理论 六十年代中期；库克等人总结了南非1 5 年冲击地压的研究情况后提出，若随着采 掘范围的不断扩大，矿体一围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于消耗的 能量时，即产生冲击地压m 3 。同一时期，丹克豪斯给出了冲击地压的能量平衡方程式。 以后，佩图霍夫对产生冲击地压时的能量结构作了类似的分析。瓦弗罗等则根据实验室 试件有无端面摩擦单轴压缩试验结果，提出无摩擦剩余能量理论。曼夫里特和雅柯毕提 出了类似的理论，并将其称为摩擦突变理论。 上述各种能量理论摆脱了传统古典理论的束缚，从能量的角度解释了冲击地压形成 的原因，应该认为是冲击地压机理研究的一个飞跃。但其不足之处是对产生冲击时时 3 坐变型苎查兰堡圭兰垡堡塞 堕堡 间因素及能量释放不均匀性的影响考虑不周；对参与冲击地压的煤体部分的各个不同部 位的能量积蓄和释放条件在时空上的差异，缺乏必要的认识和论证。 七十年代由布霍依诺、布格尔特和里波曼所提出的能量率理论以及美国密苏里大学 提出的剩余能量理论，则在很大程度上弥补了上述不足，使能量理论更趋予完美。他们 用下式作为发生冲击地压的能量判据。 掣 。 ㈦。， d W n ‘ ⋯⋯ 式中，w 广围岩系统所储存的变形能； 口围岩系统能量释放有效系数； w r 煤体所储存的变形能 ∥j 噪体能量释放有效系数； W D 消耗于煤体与围岩交界处和煤体破坏阻力的能量。 式 1 ．2 应按剩余能量理论对煤体不同部位分别加以考虑。 若式 1 ．2 中的W s 为零，且不考虑时间因素的影响，则所得结果即为刚度理论。 此外，诸如突然撤除或减小围压等冲击地压机理理论，也都可用考虑了剩余能量理论的 式 1 ．2 加以解释。 然而．描述能量释放动态过程的两个要素是能量的释放速度和能量的释放量，可用 煤体空间各点处的能量释放梯度来衡量能量释放在空间的分布。显然煤层空间各点处能 量释放挠度曲线变化越大 均匀性越差 ，则说明能量的释放是集中在空间的某一点或几 个点，因此出现多余能量释放的可能性越大。 冲击地压发生的条件是同时满足能量释放的时间效应和空间效应。 根据前面能量释放时间效应和空间效应的讨论，可将公式 1 ．2 修改如下形式 1 1 ．3 式中x J 空间坐标，／ 1 ，2 ，3 。 冲击地压发生的条件同时满足能量释放在时间上的非稳定性和空间上的非均匀性。 4 生查型垫查兰堡圭堂垡堡兰 1 ．2 。4 冲击倾向理论 绪论 大量的冲击地压实例表明，同一矿井，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下， 有些煤层发生冲击地压，有些不发生。这说明，产生冲击地压的煤岩体一般都具有一定 的物理力学特性，决定于产生冲击破坏的能力。这种能力是煤岩介质的固有属性，谓之 冲击倾向“。“1 。 冲击倾向采用相应的指标或指标组加以度量即冲击倾向度。产生冲击地压的冲击倾 向条件是介质实际的冲击倾向度大于所规定的极限值。 关于冲击倾向的理论和指标很多，主要有弹性变形能指数、脆性系数、脆性破坏系 数、有效冲击能指数、极限能比、极限刚度比、破坏速度指数、应力应变时间特性指数、 最大塑性变形速度等。 世界上各主要冲击地压国家如南非、原苏联、波兰、德国等对冲击倾向的研究都予 以极大的重视，提出了各种鉴别冲击倾向的指标。具有代表性的有弹性变形能指数、最 大塑性变形速度、含水量指数、脆性系数、脆性破坏系数、有效冲击能指数、极限能比、 极限刚度比、破坏速度指数、应力应变时间特性指数及波兰岩石弹性能指数等。我国冲 击倾向研究始于1 9 7 8 年，比国外晚f _ - 、三十年。但近1 0 几年来进展迅速，取得了一 批高水平的科研成果，并取得了明显的社会效益和经济效益。经过近2 0 年的研究，目 前我国已基本建立了较实用的冲击倾向鉴定方法与指标。 1 煤层冲击倾向性 产生冲击地压的煤岩体具有一定的物理力学特征，其中反映煤岩材料固有属性的产 生冲击破坏的能力称之为冲击倾向，也称冲击倾向性。煤岩冲击倾向性可用冲击倾向度 来度量。冲击倾向度可用一个或一组指标确定，即产生冲击地压的冲击倾向条件是煤 岩介质实际的冲击倾向度应大于某一极限值。 2 煤层冲击倾向研究 冲击倾向研究首先是四川天池煤矿与重庆大学合作，在“天池煤矿煤层注水防治煤 炮”的研究中采用了波兰弹性能量指数％，对天池煤矿煤的冲击倾向进行了鉴定。之后． 北京矿务局门头沟煤矿与北京开采所合作，在“门头沟二槽煤冲击地压防治的研究”中 实测门头沟煤矿二槽煤层的降0 。所作的鉴定结果，与生产实践和现场试验结果基本一 致。 此后，抚顺龙风矿与阜新矿业学院合作，在“抚顺龙风矿冲击地压成因规律、预测 5 山东科技大学硕士学位论文堕望 和防治的研究”项且中，提出了刚度冲击性指标K 舒和能量冲击性指标一c F 。为了比较、 对照，取4 个分层煤，进行了自然含水率和饱和含水率两种状态试样试验，同时用波兰 弹性能指数阡，盯和前苏联的变形能指标∥进行计算，结果与龙风矿的实际情况相吻合。 为了提高我国的研究水平，寻找适合我国情况的冲击倾向指标，先后开展了2 项以冲击 倾向为重点的中波合作项目，使我国在这方面的研究赶上了世界先进水平。 3 煤层冲击倾向指标提出与判据的建立 1 9 8 4 年煤炭科学研究院与波兰采矿研究总院合作，采用相同的试验方法，在各自 试验室对双方各3 种实际冲击地压情况不同的煤样进行了应力、应变全过程曲线、动态 破坏特性及魄，的试验，试验得到了～致的结果。共同的研究结果表明，以煤的动态破 坏时间D r , 弹性能量指数阡，E T 、冲击能量指数K 。为判定冲击倾向指标较为科学实用， 并依此建立了冲击倾向判据，如表l 。 表1 ．1 冲击倾向判据 T a b l e1 ．1C r i t i c a lo f i m p a c tt r e n d 1 9 8 6 年将上述冲击倾向3 项指标编入了“冲击地压煤层安全开采暂行规定” 部颁 标准 ，弹性能量指数、动态破坏时间作为岩石力学性质编入“煤岩物理力学测定方法” 部颁标准 ，由此将煤的冲击倾向鉴定推向实用。从1 9 8 4 年开始，这些研究成果已较 普遍的推广应用。据不完全统计，截止目前，用3 项指标评判的冲击地压矿井有3 0 多 个，煤层已有3 5 个。 4 顶板岩石冲击倾向分类 1 9 8 6 年煤科总院北京开采研究所与波兰采矿研究总院合作深入研究了岩石冲击倾 向分类。为了弄清围岩对煤层冲击的影响，进行了煤岩复合材料的试验。通过不同高度 比、不同的煤岩材料来研究煤岩组合对煤样破坏形式的影响。根据采空区顶板悬臂岩梁 的力学模型．提出了顶板弯曲能量指数作为评判顶板冲击倾向指标。该指标包含了开采 6 些查型垫查兰堡主竺垡丝苎 一 堑堡 深度、顶板性质、采空区状况等一系列因素，实验方法简便。 单层顶板弯曲能量指数的计算公式为∥w o O ．0 2 x o ”h ／E xP o ”，而实 际上．顶板是复合岩层，故顶板的弯曲能量指数芦。Q s 等于各分层弯曲能量指数∥w Q 之 和，即 ∥w Q s ∑∥w 口 1 ．4 根据大量试验数据的统计分析，确定顶板弯曲能量指数评判标准如表2 。 表1 ．2 顶板冲击倾向判据 T a b l e1 ．2C r i t i c a lo fr o o fi m p a c tt r e n d 指标／k J冲击倾向性 ／u w Q s t 1 0 0 强烈冲击倾向 1 0 0 系统在完全意义上是稳定的，所以煤体没有破坏，处于弹性阶段。 ②当．d f v 2 , t O 时 a 叱 存在两种情况 k f 。 v 2 ，f 0 2 ，5 2 ．6 2 ．7 2 ．8 2 ．9 坐查型垫查堂堡主堂堡堡苎堡兰墨竺堡些堡型墼墨笙坌塑 煤体处于残余强度阶段，但煤体是逐步破坏的，强度是逐渐下降的，这说明煤体的 破坏过程是静态破坏，无能量释放。也可以说，系统结构是亚稳定的。 k f ’ v 2 ，f o 2 ．1 0 系统平衡被打破，煤体虽然与上种一样也处于残余强度阶段，但煤体强度发生突变， 是脆性破坏，这时，煤体的破坏过程为动态破坏，并伴随有能量的突然释放，即冲击地 压。释放能量的大小为 G G l G 2 圭△v 厂’ v 2 ，f k 2 ，1 1 当项板对煤体施加力的过程是动态过程时，由于项板沿y 方向上的刚性位移即为煤 体的变形位移，所以上覆岩层作用在顶板上的力和煤体中所受的力分别为 』F I M ] 矿d 2 v 2 k v l 2 ．1 2 l F 2 f v 2 ，f 当系统平衡时，即F l F 2 从能量的观点看，若要系统平衡，则必须使顶板中聚积的能量小于煤柱中聚积的能 量，即 G ls G2 2 ．1 3 也可以说，顶板岩层中的能量G ，小于煤柱中聚积的能量G ，则系统平衡。 设顶板的位移为零，煤柱中的位移增加了△v ，且顶板有一加速运动，其加速度为 i d 2 F v 2 ，则F I 、F 2 也均发生了变化，顶板和煤层中的能量平衡也被打破。 顶板和煤层中力的增量为 F 一k a y - - - ．I △F 2 ，’ ，k 。 ‘2 1 4 则其中的能量为 G t 娟 圭舭”秽1 鲁 2 亿㈣ G 2 F 2 j 1 △F 2 △叱 此时，顶板一煤层j 底板的系统平衡方程为 当查型垫查堂堡主兰垡丝兰 堡童墨竺堕些堡型塑堡 塑 ，‘忆m 小M 。 等 2 壶Ⅻ 亿㈣ 由于顶板有一加速运动，则顶板的刚度女减小了M 。 鲁] 2 △I _ L 。；，此时，顶板刚度 为 k 。 k M ，L d 出v 2 ／、I △再1 2 ．1 7 在这种情况下，与没有顶板的加速度≤相比，煤层更容易处于不稳定状态，即 f 。 v 2 ，r k ’ o 时，“， 随巨或岛的增加而减小，反方向变化；当垦磐 o ， v t 随毛或E 的增加而增加，同方向变化。 由于冲击地压与变形速度密切相关‘2 5 1 。因此，煤岩系统冲击倾向与煤层冲击倾向 是不同的，研究和采用煤岩系统冲击倾向，才能符合冲击地压机理。 1 9 山东科技大学硕士学位论文 煤岩系统模型建立的理论基础 3 煤岩系统模型建立的理论基础 冲击地压之所以发生，首先是由于人工采掘活动改变了原岩的原始应力状态，围岩 和煤体的应力状态由原始条件下的三向变成了 向，甚至一向。矿山压力显现为支承压 力的变化“。“”。例如，在工作面前方的煤体上形成了支承压力区，在工作面前方煤岩内 形成了采动应力集中区，在采空区形成了卸压区。在采掘过程中，支承压力区及应力集 中区不断移动。就某一处煤岩的受力状态而