冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用.pdf

第 3 0卷第 5期 2 0 0 5年1 2月 煤 炭 学 报 J O URNAL OF C HI N A CO AL S OC I E T Y V0 1 ． 30 No． 6 De c ． 2 o0 5 文 章编 号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 5 0 6 0 6 9 0 0 5 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2 2 1 0 0 8 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 ；危险降低 中图分类号 T D 3 2 4 文献标识码 A I n t e n s i t y we a k e n i n g t h e o r y f o r r o c kb ur s t a nd i t s a p pl i c a t i o n D O U L i n mi n g ，L U C a i p i n g ， MO U Z o n g l o n g ， Q I N Y u h o n g ，Y A O J i n g mi n g S c h o o ofE n e r g y a n d S a f e t y E n g i nee r i n g． K e y L a b o r a t o r y ofMi n i n g a n d S a f e t y ，C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o gy ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i na Abs t r a c tPu t f o r wa r d t h e i n t e n s i t y we a k e n i n g t he o r y f o r r o c k b u r s t ，i t i s t he s t r e ng t h a nd r o c kb u r s t l i a b i l i t y o f t h e c o a l r o c k bo d y r e d u c e d t o we a k e n t h e d a n g e r o f r o c k b u r s t b y t h e l o o s i ng c o a l r o c k bo d y ． Th e p e a k d i s t r i c t o f t h e s t r e s s mo v e t o t h e d e e p d e p a r t me n t o f r o c k b o d y a n d t h e c o n c e n t r a t i o n d e e e o f t h e s t r e s s ．T h e i n t e n s i t y o f r o c k b u r s t i s r e d u c e d a f t e r t a k i n g t he me a s u r e s o f we a k e n i n g r o c k bu r s t i n d a n g e r o u s d i s t r i c t o f r o c k b u r s t ． T he r o c k b u r s t i s e l i mi n a t e d wh e n ma k i n g t h e e l a s t i c e n e r g y b e l o w t h e s t a n da r d wi t h p r e v e n t i o n me t h o d s ． Th e i n t e n s i t y we a k e ni n g t h e o r y f o r r o c k b u r s t w a s g o t e f f e c t i v e r e s u l t i n p r o d u c t i o n p r a c t i c e o f S a n h e j i a n Mi n e ． Ke y wo r d s r o c k b u r s t t h e i n t e n s i t y we a k e n i n g t h e o ry for r o c k b u r s t ；w e a k e n r o c k b u r s t a n d r e d u c e d d a n g e r ；d a n g e r r e d u c t i o n 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 1 0 m／ a 的速度增加，冲击矿压问题越来越突出⋯．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 J ． 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 性 具有发生脆性破坏的能力等3个条件 J ．这里，前一个条件是必要条件 ，后两个是充分条件，即 收稿 日期 2 0 0 5 0 4 0 8 基 金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 047 4 0 6 8 ，5 049 0 2 7 3 ，5 0 0 7 4 0 3 0 ；教育部博 士点 基金资助项 目 2 0 0 3 0 2 9 0 01 7 作 者简介 窦林名 1 9 6 3一 ，男，青海平安人 ，博 士，教授 ，博士生 导师 ． Ema i l l m d o u c u mt ． e d u ． c n 维普资讯 第6期 窦林名等冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用 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、顶板运动时产生的动能、矿震发生时传播出来的地 震能、热能等组成．假设① 煤岩体中初始积聚和耗散的弹性应变能之差为 U o ；② 极限弹性应变能为 i 发生冲击时煤岩体中所积聚的最小弹性应变能 ；③ 任意时刻煤岩体内弹性应变能的增量 聚集的 弹性应变能能量与耗散 的能量之差 ，即 U U o r ，s，T U 一U 。 ；④ 实施卸压爆破一次释放的能量 为 与炸药装药量 的多少有关．装药量一定 时， 为一定值 ．在工作 面回采或巷道掘进过程中， 任意时刻煤岩体内弹性应变能的增量 ， 是一个随时间不断变化的变量，其中or ，s ，T 为控制变量．弹性 应变能增量 的变化可能会出现如下的 3种可能性 ① 当 O U f ／ a ￡ 0，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 ， 随时间增加；② 当 O U ,／ a 0 ，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 O U , ／ a ￡ 0时，说明煤岩体内所聚集的能量大于耗散的能量，能量不断增加．但只要 U ， U ，都 不会出现冲击危险． 一 越小，冲击的危险性就越大．当 U U 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 ，使得 U U ，即 一 U b 3 6 0 捌 高 2 4 0 I 2 O O 8 1 6l i 8 川1 8 8 门2 0 r J 8 门2 2 i ]8 1 2 4l l 8 t i 2 6 i I 8 』 j 2 8 H 8 ， ] 3 0H 图5 9 2 0 2工作面上出口向下 1 5 m处卸压爆破前 、后电磁辐射幅值变化 F i g ． 5 C h a n g e o f a mp l i t u d e o f E ME d o w n wa r d 1 5 m o f t h e wo r k i n g f a c e e x i t a n d b e f o r e a n d a f t e r r e l i e v i n g s h o t 从以上分析看出，每当电磁辐射幅值接近临界值时，即煤体所释放的能量接近灾变极限能量时，就会 存在冲击危险．通过卸压爆破释放能量以后，电磁辐射幅值均能回落到临界值以下，说明煤体中所积聚的 弹性能得到很大程度的释放．利用电磁辐射监测煤体所聚集和释放的能量、卸压爆破进行弹性能的释放， 从而达到了控制冲击矿压的 目的，说明了强度弱化减冲理论的实施取得 了很好的效果． 3 结 论 一 定应力状态的煤体具有一定的极限冲击能，如果煤体中所积聚的能量超过极限弹性能，则部分释 放、转移．释放与转移的能量将造成煤体的塑性变形 、 破裂甚至诱发冲击矿压．冲击矿压的强度弱化减冲 理论，就是在强冲击危险区域，采取松散煤岩体的方式，降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使冲击危险性 降低；其次是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；最后 采取减冲解危措施后，降低发生冲击矿压的强度．工作面周围煤岩体中的能量存在积聚、 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、边治理的动态防治技术 ，即 “ 工作面生产一 冲击危险监i贝 4 一能量积聚一卸压爆破一能量释放一生产一再监测一⋯⋯” ．当煤岩体中所积聚的弹性应变 能接近极限值时，有可能造成能量的突然释放，发生冲击矿压．积聚和释放能量的大小可通过电磁辐射来 监测，当接近最小冲击能时，利用卸压爆破释放煤体中所积聚的大量弹性能，可达到降低冲击危险的目 的．三河尖矿9 2 0 2工作面在生产过程中，采用了冲击矿压的强度弱化减冲理论，取得了很好的效果． 参考文献 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 ． 陈炎光，钱鸣高．中国煤矿采场围岩控制 [ M ] 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