冲击地压机制的细观实验研究.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 o 7年 5月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 、 ， _0 l I 2 6 No ． 5 Ma y ， 2 0 0 7 冲击地压机制的细观实验研究 姜耀东 ，赵毅鑫 ，何满潮 ，彭苏萍 1 |中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 2 ．中国矿业大学“ 煤炭资源与安全开采”国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 摘要在国内外现有研究成果的基础上，总结冲击地压发生特征，结合我 诱发因素。基于非平衡态热力学和耗散结构理论，阐述冲击地压孕育过程 散特征同时，研究煤体细观结构参数及有机组分分布等因素与煤体冲击 的细观实验，探讨煤岩体在采动等外界因素影响下内部微裂纹快速成核、 制。 关键词采矿工程；冲击地压；细观结构；冲击倾向性；能量耗散 国最新冲击地压案例，分析冲击地压的 中 “ 煤体 一围岩”系统内能量集聚及耗 倾 向性的内在关系。通过煤样断裂过程 贯通、扩展进而诱发煤体整体失稳的机 中圈分类号；T D 3 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 7 0 50 9 0 1 0 7 I NVES TI GATI oN oN M ECHANI S M oF CoAL M I NE BUM PS BAS ED oN M ES oS CoP I C EXPERI M ENTS J I ANG Ya o do n g ～ ， ZHAO Yi x i n 2 ， HE M a n c ha o ～ ， P ENG S up i n g ， 2 f 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ov i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n dMi n e S a f e ty，C h i n aU n i v e r s i tyo fMi n i n ga n dT e c h n o l o g y ， B e U i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e i n ve s t i g a t i o n on t h e me c ha n i s m o f c oa l mi n e bu mp s i s alwa ys o n e o f the h o t t o pi c s i n t h e fie l d o f mi n i n g e n g i n e e rin g a n d r o c k me c ha n i c al s t u d y a l l o v e r the wo r l d．Co al mi n e bu mps ， wh i c h ma y e x pe l l a r ge a m o u nt s of c o a l an d r o c k i nt o the f a c e are a an d c a u s e d a ma g e s t o u n de r g r o u n d o p e n i n gs an d e q ui pme n t s ， are s u d d e n f a i l u r e s n e ar the mi n e e n t ri e s ． P e r s i s t e n t b u mp p r o b l e ms n o t o n l y thr e a t e n the s a f e t y o f mi n e wo r k s ，b u t als o h a v e c a u s e d the a ban d o n m e nt o f l arg e c o al r e s e r v e s ． Re s e arc he r s ha ve ma d e a l arg e e ffo r t s t O u n d e r s t a n d， an tic i p a t e， an d c o n t r o l thi s k i n d o f ha z ard an d h a v e a c hi e ve d l o t s o f he l pf u l r e s u l t s ． Th e c hara c t e ris t i c s an d i n d uc e d f a c t or s o f c oal mi n e b u mps are brie fly de s c ribe d ba s e d on the i n v e s t i g a t i on o f r e c e n t b u m p s a c c i d e n t s h a pp e n e d i n Ch i n a ． Ac c o r d i n g t o t h e the o r y o f n o n e q u i l i b ri u m the r mo d y n am i c s an d d i s s i [ ’ a t i o n s t r u c tur e ， the p r o c e s s o f e n e r g y a c c u mu l a ti o n an d d i s s i p a t i o n i n the c o al s u r r o u n d i n g r o c k s y s t e m i s d i s c u s s e d d u ri n g the p r o p a g a ti o n o f c o a l mi n e bu mps ． M o r e o v e r ， a s e rie s o f e x p e rim e n t s are c o n d uc t e d t o an a l y z e t h e r e l a t i o ns h i p be t we e n bu mp p r o n e n e s s a n d mi c r o s t r u c tur e al c h ara c t e ri s t i c s o f c o a1． Th e p r o c e s s o f c o al mi n e b u mp s i n d u c e d b y p r o p a g a t i o n o f f r a c tur e s a n d d e t e ri o r a t i o n o f c o a l ma s s p r o p e r t i e s are als o analy z e d s y s t e ma t i c a l l y ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e rin g ； c o al mi n e b u mp s mi c r o s t r u c t u r e ；b u mp p r o n e n e s s ；e n e r g y d i s s i p a ti o n 收稿 日期I 2 0 0 61 1 2 0 ；修固 日期I 2 0 0 7一 O 1 1 1 基金项 目I国家 自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 2 ；国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 5 ，2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 3 国家自然科学基金资助 项 I I 1 0 5 7 2 1 4 7 ；国家科技支撑计划项目 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 6 ；北京市教育委员会共建项 目；北京市教育委员会共建经费研究生教育项 目 作者筒介 1 9 5 8 一 ，男， 博士，1 9 8 2 年毕业于中国矿业大学力学班， 现任教授、博士生导师， 主要从事岩石力学与采矿工程方面的教学与研 究工作。E - ma i l j i a n g y d c u mt b ． e d u ．c n 维普资讯 9 0 2 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 1 引 言 冲击地压是矿 山压力显现 的一种特殊形式 ，并 作为 目前影 响煤矿安全 生产 的四大灾害 煤与瓦斯 突出、冲击地压、顶板垮落和突水 之一，越来越受 到科研和工程技术人员的关注 。冲击地压通常是指 在 高地应力作用条件下 ，煤体破坏所释放 的变 形 能超过了破坏过程 中所消耗 的能量而引发的煤体 以 突然、急剧 、猛烈的破坏为特征的动力现象 ，往往 造成矿 山设备的损坏 、上百米的井巷破坏以及人员 的伤亡 。 近年来 ，随着我 国煤矿开采深度和开采范围的 增 大，冲击地压 问题 日渐突 出。据不完全统计 ， 1 9 9 7 2 0 0 6年，先后在大同、抚顺、北京、徐州、 新汶、开滦等地因冲击地压而导致的重大伤亡事故 就多达几十起 ，死伤人数达百余人 。如 2 0 0 2年 l O 月 2 1日，抚顺老虎 台矿在一 8 3 0 m水平 8 3 0 0 1 Z／ l l 槽掘进工作面，掘进放炮诱发冲击地压 ，突出煤体 4 7 0 t ；2 0 0 4年 6月 2 7日，北京木城涧煤矿 3段耙 装面发生强烈冲击矿压 ，破坏巷道长达 5 3 0 m，并 造成多名矿工伤亡；2 0 0 6年 1月 3日赵各庄矿 3 2 3 7 工作面上回风道发生冲击地压，震级 3 ． 6级，造成 煤层整体突出、巷道阻塞等 。因此 ，冲击地压 已成 为我国深部煤炭资源开采必须面对和解决的安全生 产 问题 。 目前，冲击地压的研究主要集中在预测和防治 方面，只有正确认识冲击地压机制才能有效预测和 防治冲击地压。因此 ，冲击地压机制研究尽管非常 复杂但仍十分重要。冲击地压机制研究总体上可分 3类 1 理论分析 ，包括利用 混沌、分形等非线性 理论研究冲击失稳过程【 4 ；从地质构造 以及变形局 部化 出发 ，分析地质弱面和煤岩体几何结构与冲击 地压的相互关系【 5 】 ；从工程扰动 如放炮等 及采动影 响进行分析 J ；从能量角度出发，通过能量释放率 E R R 等指标，构建 以复合型能量转化为 中心的冲 击地压分类体系，探讨冲击地压的能量聚积和转化 特征等【 7 J 。 2 实验研究，主要包括冲击失稳 的相似 材料模拟实验、冲击倾 向性测定实验以及突 出煤体 的力学特性实验等 ，以往的实验研究多集中在宏观 范围，很少有从细观角度分析冲击倾 向性的煤体特 。 3 数值模拟， 通过数值模拟研究冲击地 压在不同地质条件下的发生机制等【 l 例 。 由于冲击地压 问题的复杂性 ，冲击地压机制研 究仍应在如下方面加以深化 1 煤矿冲击地压是煤岩体系统在变形过程中 的一个稳定态积蓄能量、非稳定态释放能量 的非线 性动力学过程，是煤岩体外部荷载环境、内部结构 及其物理力学性质的综合反映。因此 ，应利用现代 数学和力学方法探讨冲击地压的非稳态动力失稳过 程 。 2 现有研究多注 重煤岩体宏观破坏诱发失稳 的机制分析，而未对引发煤岩体失稳的细观因素进 行深入研究。因此，应对煤岩 内微裂纹扩展、演化 诱发失稳及影响煤体冲击倾 向性的内因进行研究。 本文在分析我国冲击地压特征及诱导因素的基 础上 ，利用非平衡热力学理论阐述 了冲击地压的孕 育过程，分析 了该过程 中系统熵的变化及耗散结构 的形成过程，并结合影响冲击地压及巷道附近煤体 内热力学过程稳定性的煤体细观结构特性，研究 了 冲击倾 向性煤岩体变形破坏过程 中微裂纹扩展、分 叉和失稳的动态演化规律以及微裂纹演化诱发煤体 冲击失稳的全过程 。同时，探讨 了煤体细观结构参 数对冲击倾 向性 的影响。 2 冲击地压特征及诱发因素分析 研究冲击地压机制首先应认识冲击地压发生特 征及一般诱因。冲击地压灾害复杂多样 ，主要表现 在具有突发性 ，过程短暂，伴随强烈振动和声响； 诱发 因素复杂；类型多样 ，破坏严重；随采深增加 而增多，且 日趋严重 训。冲击地压破坏特征如图 l 所示 。 一 一 a 设备振翻 b 支架大变形 一 c 煤层整体突出 d 冲击型底臌 图 1 冲击地压破坏特征 Fi g ． 1 Da m a g e c h a r a c t e r i s ti c s o f c o a l mi n e b u mp s 维普资讯 第 2 6卷第 5期 姜耀东，等．冲击地压机制的细观实验研究 9 0 3 冲击地压有多种诱发因素地质条件方面，除 褐煤 以外 的各煤种 中均发生过冲击地压现象 ，采深 2 0 0 ～1 1 0 0 m，地质构造从极简单到极复杂 ，煤层 从薄到特厚，倾 角从水平到急斜 ，不同顶板条件等 都发生过冲击地压 ；生产技术条件方面 ，不同采煤 工艺及开采方法都出现过冲击地压灾害【 l “ 。因此， 冲击地压的诱发因素具有明显的多样性和复杂性 。 为便于分析，将冲击地压诱发因素分为单一型和多 因素耦合型诱发 因素。 1 单一型诱发因素 单一型诱发 因素是以分析、掌握冲击地压主要 影响因素，并有针对性地开展冲击地压机制研究和 行之有效的防治措施为 目的。 目前，公认的冲击地 压主要影响因素有采深 、坚硬顶板 、构造应力集 中、煤体冲击倾 向性、地质构造因素等。随着采深 增加 ，煤岩体 内赋存能量不断加大 ，冲击的危险性 和破坏性也增大；煤体的冲击倾向性越强，冲击危 险越大；厚而坚硬 的顶板往往在破断或滑落过程中 释放大量弹性能而造成煤体强烈冲击I 坦 】 。以往的研 认为当围岩体刚度大于煤层刚度 1 O倍 以上 时，自由面附近煤体就有可能发生整体冲击 。同时， 资料统计结果表明，煤层厚度变化 、煤体分又及断 层等构造带也会造成严重的冲击地压灾害 。H．M． Ma l e k i 等【 l 】 对美国 2 5个生产矿井 的冲击地压事故 中的 2 3项冲击地压诱因进行统计分析后认为，顶板 厚度、煤柱上方直接顶板和下部底板失稳 以及由开 采顺序造成的高应力梯度是引发冲击地压灾害的主 要因素 。 2 多因素耦合型诱发因素 多因素耦合型诱发因素分析可使人们更深入地 认识冲击地压机制和发生条件 ，从而进行更全面、 更准确的预测和防治 。本文对开滦赵各庄矿、抚顺 老虎 台矿、大 同忻州窑矿和大屯姚桥矿 4个冲击地 压灾害矿井的典型冲击案例进行调研和归纳分析后 发现 ① 多数冲击地压灾害的发生一般是多种诱 因 共 同作用的结果 见表 1 ；② 无论深部开采还是浅 部开采 ，坚硬顶板结构 、冲击倾 向性、地质构造 、 不规则开采而造成的应力集中等均是诱发冲击地压 灾害的主要因素 见 图 2 ；③ 放炮 、地震等扰动也 是冲击地压发生的重要诱发因素。 3 冲击地压机制的非平衡热力学分析 冲击地压现象 的复杂性主要是由“ 煤体 一围岩 ” 系统本身的复杂性、煤体微观组织结构的不确定性、 表 1 不同矿井冲击地压灾害多因素耦合型诱发因素统计表 T a b l e 1 S t a ti s t i c s o f i n d u c ti o n f a c t o r s f o r d i ffe r e n t c o a l b u mp s a c c i d e n t s 矿井冲击地压发生 诱发因素统计 名称 地点 I 皿 冲击倾向性 地质构造 坚硬顶板结构 煤层赋存 开采深度不规则开采放炮振动 影响因素 图2 调研矿井冲击地压影响因素权重 Fi g ． 2 W e i g h t o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s for c o al mi n e b u mp s i n s t udi e dmi n e s 冲击地压影响因素的多样性以及冲击地压从孕育到 产生所伴随的多种非线性过程 的耦合性决定的。因 此 ，通过传统方法准确描述冲击地压从孕育到产生 过程及发生机制非常困难。以往研究结果表 明冲 击地压是一种能量释放在时间上非稳定、在空间上 非均匀 的过程。从时间上看 ，煤岩体中能量的释放 速率大于消耗能量速率，系统的破坏是不稳定的； 从空间上看 ，各 点处的能量释放量构成 了空间能量 释放梯度。在总释放量相同的条件下，如果能量释 放的空间分布是不均匀的，或者说是集中在某一点 或某几点上，则在这些点上所释放的能量就有可能突 然克服周围煤岩体的阻力，从而形成冲击失稳【 1 。 冲击地压形成与煤层巷道 的开挖有着密切的联 系。煤层巷道 的开挖本身就是一个动态 、不可逆的 过程；随时间的延续，煤层暴露面 附近 的煤岩体不 断发生变形破坏，煤层 中所积累的弹性应变 能不断 释放和转化 ，并促使系统 向耗散结构不断进化。从 微观角度而言，应变能的作用改变了煤岩体中缺陷 的数量 、状态和分布，即改变 了煤岩的显微结构 ， 促使其通过 白组织过程 向着最终的稳定态发展；从 宏观角度而言，应变能的集中会导致 “ 煤体 一围岩 ” 系统的整体稳定性发生突变 。同时，由热力学定律 ∞ ∞ ∞ 加 0 维普资讯 9 0 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 可知，物质物理过程的本质特征是能量 的转化，而 物质破坏过程则是能量耗散驱动下的一种状态失稳 现象，能量耗散是非线性不可逆热力学现象的必然 结果。因此 ， 能量耗散过程就成了联系冲击地压宏、 细观机制的桥梁。通过研究冲击地压从孕育到发生 过程中能量集聚、转化及耗散的规律，探求这一过 程中各物理量间的相互关系及对冲击地压的影响， 将有助于深入认识冲击地压机制 。 基于非平衡热力学和耗散结构的有关理论，巷 道未开挖时，“ 煤体 一围岩”系统可认为是一个封 闭 系统。在开挖阶段，煤体单元内能取决于内力变化 和热量流动 ，而煤体体积元 内能守恒则是一个动态 过程。随着巷道开挖 ， 巷道周边煤层进入非平衡态。 巷道开挖初期，周边煤体内热力学过程处于非平衡 态线性区域，只有当煤体内单位体积元的熵产生强 度小于 0时，系统才偏离平衡定态，煤体才会失稳。 随着开挖的深入，巷道附近煤层中的热力学过 程又由非平衡态 的线性区域进入到非平衡态的非线 性区域，则巷道附近煤体稳定性可通过煤层内热力 学过程中某一状态下超熵产生来判定。 总之，巷道开挖过程中，离巷道较远、受巷道 开挖扰动 影响较小的煤层区域仍可认 为处 于平衡 态，而巷道附近煤体内的热力学过程则为非平衡态， 煤体变形破坏过程的稳定性可通过其内部热力学过 程的稳定性来判断。影响煤体内热力学过程的因素 主要是应力状态 、塑性变形、煤体内细观结构及其 内部微裂纹扩展等。 4 冲击倾 向性煤体的细观力学实验 冲击地压机制 的非平衡热力学分析结果表 明， 冲击地压的发生与煤体微结构特征及外界荷载作用 下煤体 内微裂纹非稳定扩展有密切关系。因此 ，本 柱 瓣 柱 糕 文通过一系列细观实验研究，探讨了冲击倾向性煤 层煤体 内裂纹形成、扩展贯通 的演化规律 ，分析了 煤体细观结构特征、内部组分与冲击地压 的关系， 为深入认识冲击地压发生机制提供细观实验基础。 4 ． 1 煤体内徽裂纹扩展特征的细观实验 选取赵各庄矿 1 2 煤层的煤样及忻州窑矿 l l 煤 层冲击地压发生前、后的煤样进行三点弯 曲细观实 验，研究冲击倾 向性煤体内微裂纹形成、扩展 、演 化的过程 。不同冲击倾 向性煤层三点弯曲荷载 一 位 移关系曲线如图3 所示。从图 3中可以看出，煤样 在破坏前 ， 加载点位移随载荷的增加而增加， 其 中， 赵各庄矿 l 2 煤层的煤样表现 出明显的非线性关系， 而忻州窑矿 未受冲击影响煤样 冲击前 表现基本成 比例关系，其主要原因是赵各庄矿 1 2 煤层 的煤样 中原生损伤较忻卅f 窑矿煤样更为发育，非均质性更 强。实验结果表 明未受冲击影响的煤体 ，峰后表 现 出明显的脆性断裂特征；而受过冲击影响的煤体， 峰后则表现 出一定的黏性破坏特征，这不仅说明冲 击 能量释放造成煤体 内原有损伤的增加 ，而且说明 煤体原有的脆性特征逐渐转变为韧性和黏性特征。 根据煤化学及煤岩学相关理论判断，冲击地压过程 必然伴随着巨大的应力释放和高温过程。同时，3 种煤样实验过程中加载点荷载 一位移关系 曲线均 出 现 了几次荷载突降段，这表明微裂纹突然扩展，微 裂纹过程区在扩展过程中不是随荷载增加而稳定增 长 ，而是具有 明显的突发性和非稳定性 。经观察发 现 ，准静态加载下煤体中裂纹扩展 、尖灭、汇集和 贯通具有以下特征 1 加载到极 限荷载 的 2 0 ％3 0 ％时，出现微， 裂纹。裂纹起裂一般开始于原生缺陷孔洞、裂 隙、节理等在应力集中处或在煤体中显微组分间的 薄弱处发生 见图 4 a 。 2 新生裂缝的产生与裂缝的消亡随应力场大 位移／ mm 位移／ mm 位移／ mm a 赵各庄矿 1 2 煤层的煤样 b 忻州窑矿 1 l 煤层冲击前的煤样 c 忻州窑矿 1 l 煤层冲击后的煤样 图 3 不同冲击倾向性煤层三点弯曲荷载 一 位移关系曲线图 F i g ． 3 Re l a t i o n c u r v e s b e t we e n l o a d a n d d i s p l a c e me n t i n t h e t h r e e b e n d i n g t e s t f o r d i ff e r e n t b u mp p r o n e n e s s c o a l s e a m s 维普资讯 第 2 6卷第 5期 姜耀东，等．冲击地压机制的细观实验研究 9 0 5 a P1 1 ． 4N b P1 5 ． 8 N 一 c P1 8 ． 7 N d P2 5 ． 6 N 图4 冲击倾向性煤层煤样内裂纹起裂、扩展特征 F i g ． 4 C r a c k i n i ti a ti o n a n d p r o p a g a ti o n c h a r a c t e ris ti c s o f c o a l s a mp l e s f r o m c o a l s e a m wi t h b u mp p r o n e n e s s 小及方向而变化 。裂纹尖端主方 向及扩展速度决定 于应力场大小和煤体 内细观结构分布 见图 4 b 。 3 加载中期，裂隙组的汇集与贯通，有分叉 、 相交等非线性和混沌特征。微裂纹扩展中存在各裂 纹互相抑制 、竞争过程，主裂纹的扩展会使与之竞 争的微裂纹闭合 见图 4 c 。同时，裂纹扩展沿煤体 材料构造弱面或在显微硬度较小的组分中扩展 、贯 通 ，裂纹扩展路径具有分数维特征 。 冲击倾 向性煤层 中裂纹扩展 同样符合最小耗能 原理，即裂纹扩展路径总会选择系统耗能最低的方 向，这也说 明冲击倾 向煤层煤体中影响裂纹扩展除 应力因素外 ，还有能量因素。顶底板作用下的煤体 可 以认为是一个受压系统 ，在这个系统里 ，裂纹孕 育、繁衍、贯通的每一个阶段都从外部吸收能量。 同时，裂纹的扩展过程还伴随着能量 的耗散，如形 成断裂面所需的表面能和材料损伤耗散的能量等， 这些耗散能主要用于寻求煤体新的平衡稳定态和追 求裂纹有序的扩展。在能量的积聚和耗散过程 中， 煤体 内的热力学过程也在变化 ，煤体的稳定性也随 之在变化。 4 ． 2 冲击倾向性煤体的细观结构分析 在巷道开挖条件下，煤体 内热力学过程不仅与 微裂纹扩展失稳有关 ，而且也受煤体 内细观组分的 影响。同时，冲击倾向性煤体的细观力学性质能够 更有效地反映煤体冲击危险性的强弱。以赵各庄矿 7 ， ，1 2 煤层及忻州窑矿 1 1 煤层的煤样为例，利 用 X R D，S E M 及光学显微镜等手段 ，通过分析不 同冲击倾 向性煤体表面细观形貌特征，研究了煤体 内矿物组分、有机显微组分、微裂隙等 因素对煤体 冲击倾 向性的影响，探讨了冲击地压发生前 、后煤 体 内细观结构特征及有机显微组分的变化，分析样 品编号及取样地点见表 2 。 表 2 分析样品编号及取样地点 T a b l e 2 Nu mb e rin g and s am p l i n g p o s i ti o n s o f an a l y z e d s am pl e s 样品编号 采样地点 深度， m 描述 g 一 煤层 Zg x-2 簇 庄 矿 B 西 石 门 一 ．赵各庄矿 l 2东4石门 l 2 z g 一3 煤层 ．． 忻州窑矿 8 7 2 7工作面冲 x y 。 q 击地压发生后灾害现场 1 l 0 0 煤与瓦斯突出煤层 1 1 0 0 无突出煤层 1 0 0 0 强冲击倾 向性煤层 一 s 。 。 囊 襄 彖 曩 詈 淡 、 煤 粉 在煤化学和煤岩学研究 坞 】 中，常采用芳香层单 层之间的距离 d o o 0 0 2面网间距 、微晶的层片平均 堆砌厚度 和芳香层片直径 L 作为煤 的微晶参数， 表达式分别为 d o o 2 ， 0 ． 9 4 2 ，一 1 ． 8 4 2 一 0 0 c o s S , 0 0 式中 为 x射线波长；O o o ， ， 。 。 分别为 0 0 2 ，1 0 0 峰的峰位 。 ； ， 。 。 分别为 0 0 2 ，1 0 0峰的两峰 积分半高宽 r a d 。 引用上 述参数定义煤体 冲击倾 向性微 晶参数 一 ， ，并用其判断煤层冲击倾 向性 的大小。其 中，微晶参数值越大，表 明冲击的危险性越大。 实验结果表 明赵各庄矿 7 ，9 ，1 2 煤层和忻 州窑矿 l 1 煤层对应 的 一 ／ L c 值分别为 0 ． 1 3 5 ， 0 ． 1 5 4 ，0 ． 1 6 2 ，0 ． 9 3 0 。由于忻州窑矿 l 1 煤层的 一 L c ／ L值为． ，远高于赵各庄矿的实验值，这说0 9 3 0 明在相同的地质条件和应力场中，忻州窑矿 l 1 谋 层 较赵各庄矿 7 ，9 ，1 2 煤层更易发生冲击地压灾害。 该结论也揭示了忻州窑矿仅在一 3 0 0 m 就开始发生 冲击地压，而赵各庄矿在一 8 7 6 m才开始发生冲击地 压的原 因。煤岩学分析结果表 明 1 有机显微组 分 的力学性质 以及含量 决定 了煤体 的物理力学性 质。从表 3中可以看出，显微硬度和显微脆度均较 大的煤体较易发生冲击 。 2 不同冲击倾向性煤体 中镜质组反射 率不能有效反映煤体冲击倾 向性强 弱，而镜质组最大反射率 与最小反射率之 差和煤 体冲击倾 向性有一定关系，即该差值越小，冲击倾 维普资讯 9 0 6 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 2 ．4 8 _ 8 5 ． 8 O ．6 O ． 2 2 ．2 O ． 2 向性越小 见表 4 。 3 在显微组分分布简单且原生 损伤越小的情况下 ，冲击倾 向性越小；反之 ，则越 大 见图 5 。 4 煤体的微观结构特征和煤层宏观结 构有一定的相似性，在一定条件下能够反映煤层宏 观构造 的基本特征和受力破坏历史情况。煤样的微 观形貌和结构特征可作为确定煤层冲击倾向性的辅 助依据 。 表 4 镜质体反射率表 T a b l e 4 Re fl e c t a n c e r a t i o s o f v i t r i n i t e s i n d i ff e r e n t s a mp l e s 注R 为镜质组最小反射率，尺 为镜质组最大反射率，尺 0 ， 为镜质组平均发射率。 一 一 a 结构镜质体中微粒体 b 均质镜质体中的裂隙 图5 赵各庄矿 1 2 煤层的煤样显微组分分布 x 5 0 0 F i g ．5 Di s t rib u t i o n o f o r g ani c ma c e r a l s of c o a l s e a m 1 2 i n Z h a o g e z h u a n g Mi n e x 5 0 0 S E M 实验结果表明 1 冲击倾向性煤层煤体 裂隙 明显表现 出外生裂 隙特征 ，受地质 构造应力 作用明显 ，主要 以压性 、张性和剪 性裂 隙为主 见 图 6 。其中，张性裂隙是煤层脆性变形的结果，主 要发生在镜质组中，在统计意义下，其方向性可反 映区域应力场特征。 2 一般观察时，冲击倾向性 煤体较非冲击倾向性煤体中裂纹条数及密度 明显增 一 一 a 赵各庄 l 2 煤层 阶梯型张 b 赵各庄 l 2 煤层 X状剪性 性裂隙 X 1 5 0 裂隙 X2 0 0 一 一 c 忻州窑矿压 剪性裂隙 X3 5 0 d 忻州窑矿压性裂I x3 o o 图6 裂隙分布 F i g ．6 Di s t rib u t i o n of f r a c t u r e s 大，且分布更为复杂 ，非冲击倾 向煤体内主要为内 生裂隙，这是 由于在煤化和静压作用下形成的。 5 结论 冲击地压是在不同的地质条件和开采环境下， 在多种诱发因素共 同作用下 ，发生的能量空间上非 均匀积蓄和 时问上非稳定转化的过程 ，也是煤岩体 系统在变形过程中的一个稳定态积蓄能量向非稳定 态释放能量转化 的非线性动力学过程 。本文简述了 冲击地压发生特征及一般诱因，阐述了冲击地压孕 育过程 “ 煤体 一围岩 ” 系统中能量集聚及耗散过程； 研究了煤体细观结构参数与冲击倾 向性 的内在关系 以及冲击倾向性煤体 内裂纹扩展、 分叉和贯通过程， 得到 了如下主要结论 1 巷道开挖过程 中，离巷道较远 、受巷道开 挖扰动影响较小的煤层区域仍可认为处于平衡态 ， 而巷道附近煤体内热力学过程则处于非平衡态，煤 体变形破坏过程的稳定性可通过其 内部热力学过程 2 4 2 加 4 7 3 一 庄庄庄 各各各 赵赵赵 维普资讯 第 2 6卷第 5期 姜耀东，等． 冲击地压机制的细观实验研究 的稳定性来判断。该过程的稳定性与煤体内微裂纹 的扩展及显微组分分布特征直接相关 。 2 细观实验结果表明① 利用煤体冲击倾 向 性微晶参数 L 一 L o ／ L o ，可判断煤层冲击倾 向性的大 小，微晶参数值越大，冲击的危险性越大 。② 显微 硬度和显微脆度均较大的煤体较易发生冲击。③ 煤 体 内镜质组的最大反射率与最小反射率之差和煤体 冲击倾 向性有一定相关性，即该差值越小，冲击倾 向性越小。④ 在显微组分分布简单且原生损伤越小 的情况下，冲击倾 向性越小；反之则越大。 3 冲击倾 向性煤层煤体裂隙明显表现出外生 裂隙特征， 受地质构造应力作用 明显 ， 主要以压性 、 张性和剪性裂 隙为主，裂纹扩展表现 出明显的非线 性特征。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 】BOLE R F M ，BI LL I NGT ON S，z I P F P K． S e i s mo l o g i c a l a n d e n e r g y b a l an c e c o n s t r a i n t s o n t h e me c h a n i s m o f a c a t a s t r o p h i c b u mp i n the c l i f f s c o a l mi n i n g d i s t ric t ， Ut a h ， US A[ J I ． I n t ． J ． Ro c k Me c h ． Mi n ． S c i ． ， 1 9 9 7，3 4 1 2 74 3 ． [ 2 】 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 1 1 7 ． D O UL i n mi n g ，HEXu e q i u ． T h e o r yand t e c h n o l o g y o f r ock b u r s t p r e v e n t i o n [ M] ． Xu z h o u Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g and T e c h n o lo g y P r e s s ，2 0 01 11 7 ． i n Ch i n e s e [ 3 】 赵毅鑫． 煤矿冲击地压机制研究[ 博士学位论文1 【 D 】 ．北京中国矿 业大学，2 0 0 6 ． Z H AO Y i x i n ． I n v e s ti g a ti o n o n the m e c h a n i s ms o f c o al min e b u mp s [ P h ． D． T h e s i s l [ D ] ． B e i j i n g C hi n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g and Te c h n o lo g y，2 0 0 6． i n Ch i n e s e [ 4 】 XI E H， P ARI SE AU W G Fr a c t a l c h a r a c t e r an d me c h a n i s m o f r o c k b u r s t [ J ] ． I n t ． J ． Ro c k Me c h ． Mi n ． Sc i ． and Ge o me c h ． Ab s t r ． ，1 9 9 3 ， 3 0 4 】 3 4 33 5 0 ． [ 5 】 V ARDOUL AKI S I ． Ro c k b u r s tin g a s a s