地下开采地质动力灾害研究进展与思路.pdf

- 1 - 地下开采地质动力灾害研究进展与思路地下开采地质动力灾害研究进展与思路 王金安，纪洪广 北京科技大学土木与工程学院，北京 （100083） E-mailwjarock 摘摘 要要 系统阐述了近年来地下开在动力灾害研究的成果， 提出研究地下开采动力灾害的基 本思路，即以由“采场-矿柱-构造”基本元素构成的力学系统为对象，追踪地下开采过程中 非线性力学系统的演化，研究 （1）开采系统岩体能量集聚-转移-释放的非线性动力过程和 随机力对系统的干扰激励作用，揭示地下开采孕育和诱发地质动力灾害的机制和规律； （2） 开采区域内发生地质动力灾害危险性的定量评价和趋势预测方法； （3） 改造和控制地质动力 成灾过程理论与方法。 关键词关键词地下开采；动力灾害；岩体能量；过程控制 中图分类号中图分类号O 319.56 1．引言．引言 人类在向自然索取矿产资源的活动中，必须深刻认识和掌握自然规律，改造和控制成灾 过程，达成与开采环境的协调，主动避免开采过程中重大安全事故。 地下开采动力灾害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， 通常诱发和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。2005 年 2 月 14 日辽宁阜新矿业集团公司孙家湾煤矿发生特大瓦斯事故，有 214 人 遇难，据调查在瓦斯爆炸前有两次明显的矿震发生。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，造成结果对井下作业人员、生 产系统、设备的毁损性和对社会环境的严重干扰性，成为采矿业共同的世界性难题之一。 自1738年英国的南斯塔福煤田发生世界上第一例冲击地压以来， 目前世界有英国、 波兰、 法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本、等20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[1]，其中辽、京、鲁、皖、黔等五省市发生冲 击地压的煤矿较多。我国最早记录的冲击地压是1933年发生在抚顺胜利矿[1,2]。1960年，全 国只有6个矿井发生冲击地压；1985年我国冲击地压煤矿有32个，主要分布在北京、枣庄、 抚顺、北票、大同、天池等局矿[2]；到1990年，全国共有36个矿井发生过冲击地压。到1996 年仅煤炭部所属煤矿发生冲击地压的矿井已增加到58个，近几年来已超过100个[1-3]。截止到 2004年底，新发生冲击地压的矿井分布范围扩大到开滦、新汶、徐州、义马、鹤岗、淮南、 大屯、韩城、兖州等局矿。 随着现代化经济建设对煤炭的依赖和需求攀升， 采矿规模越来越大， 开采深度和开采强 度日益增加，与此同时，井下开采格局和开采环境日趋复杂。有百年开采历史、年产300万 吨的抚顺老虎台矿， 每年地震台能记录到的开采诱发矿震次数平均多达4000余次， 最大震级 为ML3.7，而许多过去不曾或很少发生冲击性灾害的矿区和矿井，近期接连不断的有冲击性 地质灾害的发生（2001年在兖州东滩煤矿发生的一起冲击地压时，曾被矿方认为是“偶然事 件”，然而仅在2004年，同样在兖州矿业集团旗下的三个矿井，先后发生了数起因冲击地压 造成的人员伤亡事故，成为目前威胁矿山生产安全的重点课题） 。从国内许多矿藏的赋存条 件来看，平均开采深度将超过700米，大多进入深部开采矿井。另外，井田范围内的断裂构 造应力分布特异、次生构造发育，残留矿柱高应力集中和采空区围岩结构演化，使在邻近该 - 2 - 类区域开采过程中内诱发冒顶、坍塌、冲击地压几率增高，甚至已经废弃封闭的空区内也潜 在产生地质动力灾害的危险。 近年来，煤炭行业安全生产形势稳步好转，但事故总量和事故死亡人数仍居高不下。仅 1997年至2001年底，先后在大同、抚顺、北京、徐州、新汶、开滦等局因冲击地压的发生而 导致的重大伤亡事故就多达10余起，死伤人数达百余人[2]。据统计，近5年我国煤矿发生采 动岩层灾害死亡人数占44.8，特别是2006年，共发生采动岩层灾害1733起，占总起数的 58.4，仅顶板事故就占死亡总数的40.1，居各类灾害之首。频发的重大地质动力灾害和 事故表明，一方面，地下动力灾害有明显逐年上升和加剧的趋势，另一方面，对自然规律的 科学认识上仍然存在盲区， 建立长效安全机制所需要的对宏观和局部区域地质动力灾害做出 定量的时-空-强预报理论与技术方面至今仍未达到满意的效果。在“以人为本”、“安全第一” 和“科学发展”的政策背景下，国家、矿山企业、生产一线的工作者承受着前所未有的压力， 科技工作者也责无旁贷地面临着严峻的挑战。 2 国内外研究进展国内外研究进展 有关井下动力冲击问题的研究始于19世纪末和20世纪初。 1872年捷克斯洛伐克的科拉德 诺（Kladno）煤矿提供了有关采矿与地震关系的第一篇文字记载[3]。1908年德国的鲁尔煤田 建立了第一个用于矿山动力现象的观测台站[4]。南非于1915年建立了南非矿山冲击委员会， 对煤矿和金属矿的冲击地压进行研究[5-7]，Gane等人在南非威特沃特斯兰金矿区通过地面布 置地震台定位监测后，提出了采矿与地震明确对应关系的第一份报告[4]。上世纪20年代，在 波兰的上西里西亚由德国人建立了第一个用于矿井检测的地震台网。 西德于上世纪50年代初 就开始冲击地压的研究工作， 并且成功地采用了钻孔卸压措施来防治煤矿井下发生的冲击地 压[6,7]。前苏联是世界上的采煤大国，开采历史悠久而且也是受冲击地压危害最严重的国家 之一。 50年代开始冲击地压的研究， 建立了以矿山动力区划为代表的地下开采动力灾害宏观 预测和控制的评价体系和方法， 同时开展了实验室相似模拟、 光弹试验和层析成像技术的研 究， 前苏联矿山测量科学研究院也制定了 有冲击地压危险煤层的矿井的采矿工程施工安全 规程[7]，实施了矿井系统改造、开采解放层、煤体预注水软化煤体等多项减压解危技术和 措施，开展钻屑法预测冲击危险指标的研究[8-10]。波兰煤矿从19世纪末、20世纪初，就出现 了冲击矿压现象， 是最早开始研究冲击矿压发生机理、 冲击矿压预测预报和治理的国家之一。 对冲击矿压研究方面研究包括 首次提出了冲击倾向性的冲击能量指数， 采用强度评价煤层 冲击倾向性； 矿震的滑移理论和扩张破坏理论； 用矿山微震监测系统和流动地音法来监测矿 山冲击危险；试验采用预成定向裂缝法破坏顶板等[10]。美国在防治冲击地压方面也采取了 多种方法，主要有煤层掏槽、钻孔卸压、卸压爆破和煤层注水等[6,7]。在加拿大许多矿山， 广泛使用微震监测系统判断岩体的破坏[11]。 国际学术界和科研机构在开采动力灾害方面学术活动极为活跃。 有关岩爆和冲击地压第 一届国际学术研讨会在南非的约翰内斯堡举行，之后，分别在美国、加拿大、波兰、南非连 续举办了四届深部开采和岩爆研究为主的国际学术会议。 第六届矿山中的岩爆与微震国际会 议RASIM-6于 2005 年 3 月在澳大利亚西澳的 Perth 召开，主要议题是微震风险的理解矿 震事件和岩爆的机制与震源模型、基础与实验室实验、治理动载荷下的岩爆破损伤与地层 支护、仪器监测与数据分析、数值模型与矿山设计与事例地下硬岩矿山、软岩、露天铁矿 研究。 我国从 60 年代开始对冲击地压的研究，主要是由一些有严重冲击地压的局矿在生产实 - 3 - 践中加以探索。1976 年唐山地震后，以群测群防形式，陆续在一些天然地震活动的矿区建 设了地震监测仪器， 记录到矿震现象。 第一次比较系统地进行煤矿冲击地压的研究工作是由 重庆大学和煤科总院重庆分院于 1978 年在天池煤矿进行的[5]。1984 年，我国从波兰引进的 地音-微震观测系统（SAK- SYLOK）分别在北京门头沟矿、抚顺龙凤矿、四川天池矿和山 东陶庄矿等几个冲击地压严重的地区开展研究工作。全国性的煤矿冲击地压调研工作于 1985 年完成。此后，煤炭部于 1987 年颁布实施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[12]。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施 的研究上有了较大的进展[13-18]， 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。 （1）冲击地压和岩爆机理研究。国内外许多学者基于煤岩力学性能试验，先后提出了强度 理论、刚度理论、冲击倾向理论，能量理论，三准则失稳理论[2,3,18]，以及变形系统失稳理 论[19]。N.G.W.Cook、E.Hoek、Salamon 等针对南非金矿冲击地压问题，分析了岩体中应变能 的猛烈释放和非猛烈释放、应力变形的弹性和非弹性行为[20,21]。Cook 等通过采用常规试 验测定岩样压缩强度时得到了岩样的破坏是一种非稳定的过程， 并依此将冲击地压看作是稳 定性问题[22-24]。 我国学者唐春安教授从岩体相互作用的原理出发， 通过革新测试手段深入研 究了岩石破裂过程失稳的刚度效应模式[25,26]。李玉生[27]、姚宝魁[28]等也提出了岩爆强度判 据。冯涛等对描述岩爆倾向的弹性变形能量指数 WET进行了研究，提出了利用弹性波速度 变化来控制卸载时机，达到更准确测定岩爆岩石弹性变形能量指数的方法[29]。祝方才等利 用灰色关联度理论研究几种典型矿岩与岩爆倾向性[30]。这些研究从材料与加载系统力学失 衡和能量释放角度解释了煤岩石产生动力冲击的力学机理和现象。 有学者对强度理论作为岩 爆和冲击地压判据提出了不同看法，认为静载荷理论研究岩爆具有明显的局限性[31]，强度 理论实际上只是岩爆发生的必要条件， 不是充分条件， 强度理论只能说明岩体是否破坏而不 能回答岩石是稳定破坏还是失稳破坏问题[18]。岩石破坏包含两方面的含义，一是强度性质， 二是破坏性质。传统的强度理论将两者混淆，没有反应载荷性质对岩石破坏性质的影响。已 有实验研究表明，加载速率对岩石的强度和破裂过程有直接影响；在真三轴条件下，中间主 应力尽管对岩石的峰值强度没有明显影响，但在中间主应力很高的情况下，岩石破坏时（峰 后） 的冲击能量相当大， 引起的动力冲击也极其强烈 （M. Kwasniewski， ISRM Lecture 2006.） 。 冲击地压等动力灾害客观上发生在地下开采过程中，地质构造的存在、地应力场性质、 岩体断裂失稳运动和开采环境的变化为动力灾害的形成提供了能量积累和释放的前提。 齐庆 新、刘天泉等在现场观测的基础上，通过实验室试验，验证了冲击地压的粘滑失稳机理，提 出了煤岩体结构破坏的“三因素”准则[32,33]； 张晓春等采用相似材料和煤质材料模拟煤矿冲击 矿压发生的过程和现象，揭示了煤壁局部突然失稳形成片帮型冲击矿压的机制[34]；缪协兴、 安里千等利用断裂力学原理，建立了岩（煤）壁中滑移裂纹扩展的冲击地压模型[35]；张宏 伟等通过对断裂应力场数值模拟分析表明 现今构造应力场和断裂对矿震等地质动力灾害的 发生起控制作用[36]。通过对断层冲击地压的分析，王来贵、潘一山等提出了变形系统扰动 响应稳定性判断准则，解释了断层冲击地压的间歇性[37,38]； （2）冲击地压和岩爆理论研究。近年来，随着现代数学力学分析方法在岩石力学与工程中 的应用，非线性动力学、损伤和断裂力学、损伤力学和分形几何学、突变和混沌等理论方法 - 4 - 为冲击地压发生机理的研究开辟了新途径， 取得了大量的成果。 徐曾和等用尖点突变模型对 坚硬顶板下煤柱岩爆非稳定机制进行了研究，给出了岩爆发生的准则[39]。李玉等通过对门 头沟煤矿矿震事件的分析，发现矿山微震活动的空间分布具有分形结构[40]；谢和平院士在 微震事件分布的基础上利用损伤力学、 分形几何学对冲击地压的发生机理进行分析， 发现冲 击地压是微裂隙向宏观裂隙发展的损伤破坏过程， 分形维数随岩石微裂隙的发展而减小， 当 减至最小值时岩体产生冲击[41,42]。 岩石是大自然的产物， 具有大量的天然和构造过程中产生的内部缺陷， 这些缺陷的存在 极大地影响材料本身的强度和变形行为。 岩石损伤是材料受力过程中细观结构的缺陷 （微裂 纹、微孔洞）引起的材料或结构的劣化过程。梁志勇等从统计损伤理论上解释了岩爆的发生 机理 [43]。周晓军、鲜学福利用煤岩体发生失稳破坏时的应变软化特征，以粘弹性本构模型 和微元统计损伤本构模型对煤岩体变形失稳的条件进行了研究 [44,45]；刘小明、李焯芬，尹 光志等在大量试验研究和理论分析的基础上， 从煤岩损伤力学角度出发， 研究了煤岩内部能 量转化机制，分析了岩石能量储存、耗散以及转换过程，导出了脆性煤岩损伤能量释放率， 分析了煤层发生冲击地压过程中的能量变化， 并提出了冲击地压的损伤能量指数这一新的概 念，确定了冲击地压发生的必要条件[46,47]。 开采动力现象是非线性系统动力演化行为的体现。 以系统学思想为指导， 王来贵等以岩 石试件-实验机系统为例，将岩石试件广义刚度系数视为控制变量，分析了控制变量在系统 稳定中的作用，指出在受力过程中，广义刚度系数的渐变诱发了系统的突变[48]。宋维源、 潘一山，谭云亮等根据非线性科学理论，运用动力反演方法，建立冲击地压的动力方程，对 冲击地压的发生机理进行研究，提出了运用非线性动力学预报冲击地压的基本框架[49,50]。潘 岳等建立了矿井围岩-断层系统的准静态形变平衡方程，将呈剪切破裂形式的断层失稳过程 归结为折迭突变模型， 采用突变理论分析了断层冲击地压问题， 提出了煤岩体系统失稳破裂 的临界条件和弹性能释放量表达式，用解析方式对断层失稳前兆阶段及失稳震后阶段系统 的稳定性作出符合物理意义和实际观察的描述[51,52]。 岩石动力现象的发生是非线性岩石系统动力产生局部化的结果。 王学滨、 潘一山等采用 材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究[53]，研究了考虑应变率效应及微小结构 相互影响的断层带-弹性岩石系统的剪切不稳定性[54]，讨论了应变局部化、岩爆及 II 类变形 行为的关系，研究指出断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳[55]，对地质灾害的机 理分析、预测和控制提供了新的思路。李新元根据“围岩-煤体”系统在开采过程中力学结构 和力学状况的运动变化特征，分析了顶板岩层对煤体缓慢加载和瞬间加载的两种作用方式， 研究了瞬间加载时“围岩-煤体”系统从稳定状态到失去稳定的物理、力学过程，提出了冲击 地压发生的判别准则[56]。邹德蕴、姜福兴应用能量传递原理和能量守恒定律，结合对岩体 性状组织损伤弱化的分析， 提出了煤岩体发生冲击效应的理论和冲击效应方程， 结合冲击效 应学说与能量方程分析论述了冲击地压的形成机理[57]。 （3）冲击地压和岩爆预测研究。冲击地压、岩爆和矿震的预测方法归结为现场实测和理论 预测。预测可分为两个阶段或称为二个层次，一是岩爆趋势预测；二是短期预报。岩爆趋势 预测主要是预测较大区域在未来一段较长时间内发生岩爆的可能性， 预测方法主要有区域微 震监测、理论分析和经验类比，为防震减灾圈定范围和时间。短期预测是借助仪器探测现场 地质动力信息，通过分析预测冲击地压等动力灾害发生的地点和强度。目前，现场广泛采用 的方法有地音与微震法、钻屑法和电磁辐射方法[58-60]。 在理论预测方面， 费鸿禄、 徐小荷和唐春安用突变理论模型分析了地下洞室发生岩爆的 - 5 - 准则[61]，梁冰、章梦涛运用数值方法对采区冲击地压进行预测，取得较好效果[62]。尹光志 等通过地应力测试、煤体强度试验和“三准则”机理模型，对煤层冲击地压的危险区域进行了 预测[63]。王元汉等采用模糊数学综合评判方法，选取影响岩爆的一些主要因素，例如地应 力大小、岩石抗压和抗拉强度、岩石弹性能量指数，对岩爆的发生与否及烈度大小进行了预 测[64]。刘建军等通过建立灰色模型，利用灰色系统理论对冲击地压的震级进行预测[65]。梁 志勇等引入岩爆烈度是岩石概率破坏表现的观点， 建立了岩爆烈度与岩石单轴压缩强度概率 密度函数的对应关系，确定不同应力强度比条件下各级岩爆烈度发生概率的计算式[66]。王 学滨，潘一山等应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解 [67]。李忠华，潘一山运用煤层塑性软化理论和极值点失稳理论计算分析了采煤工作面产生 冲击地压时采空区跨度与载荷间关系[68]。王述红等应用东北大学开发的RFPA软件对煤层开 采过程围岩应力场进行了数值模拟， 阐述了开采过程、 煤体力学性质对冲击地压发生的影响 [69]。 谭云亮等从声发射与岩石材料损伤关系出发，论证了用声发射监测冲击地压的科学性， 提出了冲击地压的声发射四种前兆模式“单一突跃型”、“波动型”、“指数上升型”和“频繁低 能量前兆型”这对冲击地压的预测预报[70]。宋维源、潘一山等根据混沌学理论，应用动力反 演方法研究了冲击地压启动的混沌特性， 研究了冲击地压启动的混沌特性， 提出了在一定的 时间尺度内预测预报冲击地压发生的方法[71]。陈学华、段克信等基于地质动力区划方法， 根据原地应力的分布特点对研究区域潜在的有发生动力现象危险的地点进行区域预测， 成为 矿井动力现象区域预测的一个新方法[72]。冯国才等根据岩石圈动力学的基本原理，阐述了 冲击地压、 瓦斯突出等矿山地质动力现象显现与区域断裂活动的相关性以及活断裂活动与矿 区动力现象显现特征间的关系等问题[73,74]。 周辉等针对传统矿震预测理论和方法存在的问题及矿震本身的非线性动力学特征， 基于 胞映射理论和突变理论提出了“矿震系统的胞映射突变预测模型”。 该模型既考虑了矿震系统 的非线性动力学本质， 又利用胞映射理论消除了初值的随机性和矿震系统本身的内在随机性 对预测结果的影响。可以更精确而客观地识别和预测矿震演化过程中的突变行为[75]。纪洪 广等根据矿震事件与采深、 开采量和开采位置与断层的距离和地应力的关系， 提出并建立了 冲击地压预测的“开采扰动势”模型，并在此基础上，对抚顺老虎台煤矿冲击地压活动与人工 开采扰动之间的关系进行了统计分析。对冲击地压事件在时间、能量、空间上的分布规律、 不同特征间相关规律及其统一性进行了探讨[76]。 白明洲等应用人工神经网络方法，建立了岩爆危险性预测的评价模型并应用于实践[77]。 尹光志等运用BP人工神经网络和遗传算法相结合的方法对该矿冲击地压预测进行研究[78]。 周科平，古德生利用GIS的空间数据分析技术和模糊自组织神经网络，对评价岩爆倾向性的 多源信息进行加工处理，建立了一个基于GIS技术的岩爆倾向性模糊自组织神经网络模型 [79]。郭立等从工程地质因素、复杂环境因素和人为开挖因素3个方面分析了岩爆启动的主要 影响因素，提出了一种基于RES（岩石工程系统）理论的岩爆智能预测模型，不仅使岩爆倾 向性的预测具有动态特性，同时又可以方便地对岩爆启动的主控因素进行分析[80]。高 玮、 冯夏庭考虑到冲击地压的动力学特点， 采用基于免疫进化规划的进化神经网络， 进行了冲击 地压非线性系统的建模研究，是一种进行冲击地压非线性系统建模的较好方法[81]。 （4）冲击地压和岩爆防治研究。冲击地压和岩爆等地质动力灾害的防治，主要通过改善岩 体力学性能和岩体应力环境两个方面入手[82]，例如煤体注水，使煤岩 体局部卸载，抗压 强度降低，减弱弹性能峰值及瞬间释放能量；卸载爆破，使煤层应力结构破坏，应力高峰转 - 6 - 向煤体深部，释放煤层蓄积的弹性潜能，对易形成大面积悬顶的坚硬顶板，实施开采前区域 注水软化，达到减缓或防止冲击地压发生的目的。在采技术措施上，避免煤岩体形成应力 高峰而积蓄大量弹性能。 开采顺序上采用采区前进， 采区自上而下顺序开采， 合理设计煤柱， 实行无或小煤柱开采，尽量避免孤岛煤柱和工作面。潘一山、王来贵等一方面采用分形几何 方法，研究煤体在受振后裂隙的变化规律，提出了用煤体振动方法控制冲击地压的机理[83]。 王来贵以煤体的综合刚度系数为控制变量， 通过人为干预煤体的综合刚度系数， 以期达到防 止或减缓冲击地压的目的[84]。潘立友，牛学良分析了放顶煤开采条件下顶煤移动特征和支 承压力分布规律，认为放顶煤开采改变了煤岩体的应力状态，与分层开采相比，有利于缓解 冲击地压[85]。 应该说，随着现代数学、力学理论如断裂力学、突变、分形、分叉（岔）混沌等的发展， 使地质动力灾害问题的理论研究进入了一个崭新的阶段， 但这还只是刚刚开始， 新的理论体 系尚未形成。笔者认为，煤岩动力灾害是非线性系统行为，动力灾害的形成是系统演化过程 中的局部化现象，由系统某个方向局部动力升高或降低所至。作为系统行为，灾害孕育的过 程与环境可以加以改造和控制。 研究地下开采地质动力灾害核心是解决开采系统动力灾害过 程的时空强预测预报问题。我们所面临的最大挑战，不仅是在动力机理研究方面需 要进一步加深提高，而是在现实开采系统动力过程的研究中不断地发展新的理论与技 术。 3 开采动力灾害研究的思路开采动力灾害研究的思路 开采动力灾害大多是岩体应力、 变形和破坏演化过程中产生局部化动力显现的结果。 国 内外诸多学者就此进行了长期、大量和艰苦的试验和理论研究工作，在成灾机理、破坏与冲 击准则、 影响因素、 监测预报和解危防灾等多方面取得了具有共性的认识和基础与应用研究 成果。但是，由于地质环境、应力环境的复杂性和开采因素的多样性，灾害构成具有突发性 和随机性， 目前欲对地质动力灾害时空强做出定量和准确的预报仍存在许多困难， 还需 要在理论上进行深入地研究工作。笔者认为 （1）地下开采地质动力灾害是系统行为。地质动力灾害的形成不是孤立的，煤岩力学 试验发现岩样能贮存大量弹性能的现象仅仅反映煤岩破坏时可能产生冲击的必要条件， 其充 分条件是由采场围岩体构成且不断变化的力学系统还必须具备孕育高应力或造成能量积累 与诱发释放的客观环境。为此，分析和预测开采过程中地质动力灾害的孕育与产生，并及时 采取有效手段加以遏制，必须结合煤岩层赋存特点、地应力现状和开采布局等，在完整的力 学系统中考察开采过程中围岩体能量聚积、能量分布和诱发释放环境。 无论井下地质条件、开采布局如何复杂，事实上总可以将其视为由地层和构造、采场与 支护共同构建组成的非线性开放系统，系统与周围环境之间可产生物质、能量和信息交换。 地下开采系统中元素相互作用、 相互依赖使系统作为一个整体具有特定的性质和功能。 系统 在宏观层次上的性质和功能不等同于部分性质或功能的迭加， 整体的运动特征只有在其要素 所处层次更高的层次上进行描述。 系统中元素间的相互作用产生了宏观层次上凸现的整体约 束，这种宏观约束又反过来支配元素的行为。系统的突现性对元素的性质而言是全新的，即 使对低层次元素（如煤岩基本力学性能）具有完备的知识，也不可能推断高层次的现象。因 此，地质动力灾害作为系统行为，应基于对煤岩动力学基本性质认识的基础上，在开采环境 中进行发生机理和响应规律的研究。 （2）地下开采地质动力灾害的孕育与发生是非线性系统演化过程的具体表现。人工地 - 7 - 下开采活动是诱发地质动力灾害的本质原因， 岩体系统的演化具有显著的非线性特征， 开采 的进行不仅改变了系统原有的平衡状态， 随着工作面的推进， 岩体产生局部能量 （包括应力、 变形和破坏）的积累、迁移和释放都具有时间和空间过程，而且整个变化过程在时间和空间 上都是不可逆的。 岩体的非线性动力响应是以过程中的能量积累与耗散现象贯穿宏观与微观 两个层次，它是不可逆变形→能量积累与耗散→内耗热→变形的热力耦合过程①既非绝 热又非等温的非平衡态不可逆热力学相容的过程；②能量的热形式与机械形式的变化 与转化共存的过程；③动量不守衡而能量亦耗散并遵循最小耗能原理的过程；④具有 Lyapounov 函数型记忆泛函的历史延拓过程；⑤微观动力学可逆宏观热力学不可逆间 的互补过程。 在岩体系统演化过程中，可能出现多个不同的演变方向和稳定、渐进稳定、临界稳定、 不稳定的状态， 以及出现局部相对稳定但整体向非稳定态演化的结果。 特别是在平衡系统的 临界点附近， 由于系统中微观力学机制的相互作用， 出现岩体细观长程相关和宏观系统变量 涨落的反常现象， 例如某些影响因素被放大和远距离的相互联系和作用， 导致系统在某个优 势方向上丧失稳定性。当系统从一个平衡态向另一平衡态过渡、发展和演化过程中，系统状 态变量的微小变化（其中包括随机力的扰动） ，可能导致整个系统结构演化的剧变。最典型 的例子是回采工艺过程、局部放炮掘进、微震动等都可能诱发大规模等冲击性灾害，此外， 还时常有此地作业诱发其它地点成灾的现象。 由于状态量的离散化及非线性系统的内在随机性， 在系统非线性演化过程中， 其行为将 是确定和随机并存。可能在局部产生性质不同的奇异点、分叉，乃至整个系统出现混沌。对 于初始条件十分敏感的耗散非线性动力系统在演化过程中， 相体积随时间的收缩或伸长在各 方向上可能是不同的， 使得系统对某些初始条件的依赖性越来越小， 而系统对另外一些因素 的依赖却越来越大，甚至完全改变系统在相空间运动稳定性。非线性系统的演化过程中，这 种新的有序结构可以看作是某种无序状态失去稳定性之后某种涨落被放大的结果。 因此， 必 须延伸热力学的概念和方法到非平衡和有不可逆过程的情况， 从系统非线性演化过程研究的 角度， 借助非平衡态热力学原理和非线性动力学方法， 追踪地下开采过程中系统的应力环境 变化和动力演化过程，才能深层次上揭示宏观岩体产生动力失稳的力学本质与规律。 （3） 地下开采地质动力成灾过程可以通过负反馈加以控制和改造。 从动力学的观点看， 产生不稳定的一个必要条件是动力学过程中必须包括适当的非线性反馈。 这些非线性反馈使 得系统中各个单元有可能合作起来行动而形成有序的耗散结构， 或称自组织现象。 在这种非 平衡非线性现象中，涨落的行为起着决定性的作用。对于一个处于临界不稳定状态的系统， 外部或内部状态变量 （包括随机力） 的改变通过非线性反馈和放大作用导致系统稳定状态的 彻底丧失。 相反， 负反馈及其放大作用也可以使处于临界不稳定状态的系统向稳定状态恢复， 或者出现类似新的系统平衡和结构。 通过悉心研究地下开采系统动力演化过程中负反馈的具 体作用和方向， 在地质动力灾害孕育过程中采取人为干预， 使系统演化在控制下朝着稳定性 方向发展，为主动控制和改造动力成害过程提供理论前提解决途径。 综上所述， 非线性动力学和系统学理论提供了描述系统状态和力学行为及演化的理论基 础，特别适用于描述开放系统的整体特性、稳定性、适应性和演化进程，利于揭示和把握岩 体应力、变形和破坏演化过程中产生局部化显现的客观规律与动力灾害结果。因此，只有深 入研究地下开采过程中地质系统力学环境演变过程与规律， 从过程控制的角度在前提上改造 和弱化地下开采地质动力灾害的孕育条件， 为指导区域性动力灾害的防治工作提供决策依据 和控制对策，对建立矿井长效安全机制、保障生产安全和维护社会稳定均具有重要意义。 - 8 - 4 结语结语 本文在系统总结地下开采动力灾害研究成果的基础上， 以“采场-矿柱-构造” 基本元素工 程的非线性力学系统为对象，提出以“系统-过程-控制”为研究主线，通过对开采过程中岩体 非线性动力“多维信息”演化的解密和分析，揭示灾害的孕育过程和主控因素的演化规律，建 立分析诱发动力灾害危险性的理论方法和评价体系[86]，及早发现孕育和产生动力灾害的危 险源， 从过程控制的角度， 提出相应地改造和缓解孕育和产生地质灾害的条件和过程控制对 策，做到“对症下药”、 防患于未然， 为指导区域性动力灾害的防治工作， 建立长效安全机制、 保障安全生产提供理论决策依据和控制对策。 参考文献参考文献 [1] 潘一山，李忠华，章梦涛. 我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究，岩石力学与工程学报 Vol. 22 111844-1851，2003。 [2] 齐庆新，毛德兵，王永秀.冲击地压的非线性非连续特征，岩土力学，Vol.24（增刊）576-579，2003. 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