臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分?jǐn)?shù)值模擬研究_圖文

1、第26卷 第1期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) V ol.26 No.12007年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan .,2007收稿日期:20051227;修回日期:20060403基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20040008025作者簡介:王金安(1958,男,1982年畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院采礦系,現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師,主要從事采礦工程與巖土工程穩(wěn)定性、耦合問題數(shù)值分析、巖石力學(xué)非線性理論與工程應(yīng)用以及工程地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)測與防治方面的教學(xué)與研究工作。E-mail :wjarock臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃

2、分?jǐn)?shù)值模擬研究王金安1,劉 航1,李 鐵1,2(1. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2. 撫順市地震局,遼寧 撫順 117200摘要:為解析深部地下開采動(dòng)力災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制與范圍,截取撫順老虎臺(tái)礦具有代表性的E5200剖面,按照實(shí)際開挖步驟進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。以3 g 加速度為判據(jù),對(duì)動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行研究,闡釋動(dòng)力沖擊3 g 包絡(luò)域的概念,并依此判定可能發(fā)生沖擊地壓的巖體范圍。研究結(jié)果表明,3 g 包絡(luò)域半徑與開采動(dòng)力影響深度成正比關(guān)系,并且采深越大,3 g 半徑也越大?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn),通過逐次優(yōu)化監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)的方法,確定出3 g 影響半徑。 關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;沖擊地壓;動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)

3、劃分;3 g 包絡(luò)域中圖分類號(hào):O 242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10006915(200701002808STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF DYNAMIC RISKREGIONALIZATION DURING EXPLOITATIONAPPROACHING TO FAULTSWANG Jin an 1,LIU Hang 1,LI Tie 1,2(1. School of Civil and Environment Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 10008

4、3,China ;2. Fushun Seismic Bureau ,Fushun ,Liaoning 117200,China Abstract :In order to study the mechanism and predict the occurrence range of dynamic risk caused by underground mining ,the dynamic events in a practical exploitation approaching to faults are investigated by using numerical method fo

5、llowing the actual mining sequence on a typical cross-section E5200 in Laohutai colliery ,Fushun. The dynamic risk area regionalization is specifically investigated ,in which the criterion in terms of 3 g occurrence is proposed to diagnose the rockburst in responding positions. Based on the concept

6、of 3 g envelope ,the potential domain with dynamic risk is primarily identified. The effect of the faults is clarified when dynamic regionalization is carried out. The mining depth and the existence of faults are the main controlling factors of dynamic tremors under the complicated field situations.

7、 The presented work shows that there are directly proportional relationship between the radii of 3 g envelope and the mining induced tremor depth ,and the deeper the mining is ,the larger the radii of 3 g envelope will be. With regard to this discovery ,the radii of the 3 g envelope are determined w

8、hen sequential convergence methodology is employed.Key words :numerical simulation ;rockburst ;dynamic regionalization ;3 g envelope1 引 言地下開采動(dòng)力災(zāi)害是指地下開采過程中誘發(fā)沖擊地壓、煤(巖爆和礦震等巖體動(dòng)力失穩(wěn)造成的沖擊性地質(zhì)災(zāi)害,通常誘發(fā)和伴有大量危險(xiǎn)和有害氣體的突出和釋放,引發(fā)更為嚴(yán)重的后果。自1738年英國的南斯塔福煤田發(fā)生世界上第第26卷第1期王金安,等. 臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分?jǐn)?shù)值模擬研究 29 一例沖擊地壓以來,目前世界上有英國、波蘭、俄羅

9、斯、烏克蘭、中國等20多個(gè)國家和地區(qū)發(fā)生不同規(guī)模和強(qiáng)度的沖擊地壓和礦震。我國最早記錄的沖擊地壓是1933年發(fā)生在撫順的勝利礦1,2。1960年,全國只有6個(gè)礦井發(fā)生沖擊地壓,到1996年僅國有統(tǒng)配煤礦發(fā)生沖擊地壓的礦井已增加到58個(gè),近幾年來已超過100個(gè)13。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,采礦規(guī)模變得越來越大,采深和開采強(qiáng)度也日益增加,與此同時(shí),井下開采格局和開采環(huán)境也日趨復(fù)雜。從國內(nèi)許多礦藏的賦存條件來看,平均開采深度將超過700 m,大多進(jìn)入深部開采礦井。以有百年開采歷史、年產(chǎn)3106t的撫順老虎臺(tái)礦為例,每年撫順市地震局能記錄到的開采誘發(fā)礦震次數(shù)平均多達(dá)4 000余次,最大震級(jí)ML= 3.7

10、,而許多過去不曾或很少發(fā)生沖擊性災(zāi)害的礦區(qū)和礦井,近期接連不斷地有沖擊性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。老虎臺(tái)井田范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造應(yīng)力分布特異;次生構(gòu)造發(fā)育,殘留礦柱的高應(yīng)力集中和采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)演化等,使在鄰近該類區(qū)域開采過程中誘發(fā)冒頂、坍塌、沖擊地壓的幾率增高4。對(duì)煤、巖體沖擊地壓的研究,國內(nèi)外曾提出了多種理論解釋。其中,有Cook和Hodgeim于20世紀(jì)60年代提出的剛度理論;G. Brener提出的強(qiáng)度理論5;Cook等人于20世紀(jì)60年代提出后又經(jīng)Dunk House等人發(fā)展的能量理論6;基于Thom于1972年創(chuàng)立的突變論而發(fā)展起來的突變理論7;沖擊傾向理論8、“三準(zhǔn)則”理論9,“開采擾動(dòng)勢”理論1

11、0以及沖擊地壓的黏滑解釋模型11等,這些理論或模型在不同方面對(duì)沖擊地壓的預(yù)測和治理具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。具體到與沖擊地壓相關(guān)的動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分方面,目前國內(nèi)傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)危險(xiǎn)區(qū)劃分大多是基于地質(zhì)力學(xué)的研究成果而進(jìn)行的相對(duì)大范圍劃分,并在不同礦井上將地質(zhì)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容應(yīng)用到礦井動(dòng)力區(qū)劃中去12,13,而將數(shù)值模擬方法運(yùn)用在動(dòng)力區(qū)劃問題研究,則無疑提高了對(duì)動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃的認(rèn)識(shí),使得其與以前的研究相比顯得更加全面1416。本項(xiàng)研究將由數(shù)值模擬中整理出來的數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及既往研究成果17,18進(jìn)行對(duì)照,提出了3 g判據(jù),并依據(jù)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化原理進(jìn)行分析從而衍生出了3 g包絡(luò)線和3 g包絡(luò)圓概念,以期能給

12、今后的理論研究和現(xiàn)場動(dòng)力災(zāi)害安全監(jiān)測方案提供可供參考的研究方法和依據(jù)。2 近斷層開采中斷層對(duì)采區(qū)應(yīng)力分布及能量傳播的影響近斷層開采對(duì)采區(qū)應(yīng)力及能量分布的影響,主要體現(xiàn)在能量傳播過程中的沿途耗散以及在斷層界面上的反射和折射和由此而造成的可能疊加,從而使得巖體內(nèi)的應(yīng)力和能量重新分布。2.1 能量的遷移及耗散過程地下開采勢必造成圍巖應(yīng)力和能量遷移,能量遷移的過程既是能量傳播的過程,也是能量耗散的過程。實(shí)際工程巖體都存在一定的阻尼,阻尼的存在使得能量在傳播的過程中不斷衰減,本文中用到的阻尼主要是指局部阻尼。由Lysmer 與Kuhlemeyer(1969提出的靜邊界方法涉及到阻尼器,阻尼器獨(dú)立地附在邊

13、界的法線與切線方向上。緩沖器提供的法線與切線方向的阻力由下式給出:nPnvCt=,sSsvCt=(1式中:vn,vs分別為邊界上法線與切線方向的分速度;為質(zhì)量密度;CP,CS分別為縱波與橫波波速。本文并沒有直接以速度參量來表征能量的遷移,而是以加速度分布的區(qū)劃來反映能量變化的遷移趨勢,但二者所遵從的物理前提是一致的,從而具有可類比性。2.2 斷層的存在對(duì)采礦過程中應(yīng)力分布的影響一般來講,開采對(duì)斷層應(yīng)力的影響表現(xiàn)在2個(gè)方面:(1 開采后,位于煤層底板部位斷層的正應(yīng)力減小,剪應(yīng)力也減小,但正應(yīng)力減小的幅度遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力減小的幅度。因此,在斷層的此部位開采引起的斷層應(yīng)力變化以正應(yīng)力減小為主。(2 開采

14、后,位于煤層頂板部分?jǐn)鄬拥募魬?yīng)力增加,正應(yīng)力也增加,但剪應(yīng)力增加的幅度遠(yuǎn)大于正應(yīng)力增加的幅度,故在斷層的此部位開采引起的斷層應(yīng)力變化以剪應(yīng)力增加為主11。這樣,當(dāng)開采到某一位置(比如足夠近時(shí),由斷層和附近巖體構(gòu)成的變形系統(tǒng)便將會(huì)由于失穩(wěn)而造成能量的突然釋放,產(chǎn)生斷層沖擊地壓。2.3 斷層的存在對(duì)采礦過程中能量遷移的影響 30 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2007年 斷層的存在必然對(duì)采礦過程中的能量遷移造成影響,而這種影響會(huì)在開采近斷層位置進(jìn)行時(shí)表現(xiàn)得更加明顯。如前所述,本項(xiàng)研究采用加速度的區(qū)劃來類比能量傳播的形式,這里同樣是以波在傳播過程中所遵從的一般規(guī)律來類比能量遷移過程中的規(guī)律。一般情況下,地震波

15、在2塊完全彈性和各向同性且密接的固體介質(zhì)中傳播時(shí),將會(huì)在界面上發(fā)生反射和折射,且任一在界面上的入射波都將在兩邊介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生縱波和橫波(見圖119。在數(shù)值模擬中,斷層可被認(rèn)為符合上述條件。由于波是能量傳播的形式,因此波的反射折射規(guī)律可以用在能量分析中。圖1 彈性固體界面上波的反射和折射(以P 波為例19Fig.1 Reflection and refraction on interface of elastic solidbodies(take P wave as an instance193 計(jì)算模型與方案3.1 計(jì)算模型以撫順老虎臺(tái)礦83001工作面E5200剖面的具體地質(zhì)條件為工程背景,建立

16、數(shù)值計(jì)算模型研究開采擾動(dòng)中的動(dòng)力區(qū)劃問題。由于開采深度增加,礦山壓力顯現(xiàn)頻繁20,開采到地表以下660 m 深度(-580 m 水平時(shí),礦震活動(dòng)增強(qiáng),進(jìn)入地表以下760 m 深度(-680 m 水平后,礦震活動(dòng)顯著增強(qiáng),最高時(shí)M L 0,礦震達(dá)7 222次/a ;M L 3.0,礦震21次,最高震級(jí)M L = 3.74,21。該礦目前已進(jìn)入地表以下910 m(-830 m 水平的深部開采。所取地段實(shí)際地面標(biāo)高為+75+80 m ,83001工作面標(biāo)高為-724.1-824.3 m ,該面煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,采高為30 m ,煤層老頂為頁巖,直接頂為油頁巖,直接底為凝灰?guī)r,老底為玄武巖,如圖2所示。

17、3.2 計(jì)算方法本項(xiàng)研究應(yīng)用FLAC 2D 連續(xù)介質(zhì)有限差分程序進(jìn)行計(jì)算分析。FLAC 采用顯式算法來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程(包括內(nèi)變量的時(shí)間步長解,從而可以反應(yīng)應(yīng)變能的傳播過程,這對(duì)研究開采過程中的動(dòng)力響應(yīng)是非常重要的。計(jì)算過程中首先調(diào)用運(yùn)動(dòng)方程,由初始應(yīng)力和邊界力計(jì)算出新的速度和位移;然后由速度計(jì)算出應(yīng)變率,進(jìn)而獲得新的應(yīng)力或力,每個(gè)循環(huán)為一個(gè)時(shí)步,從已計(jì)算出的一組速度,計(jì)算出每個(gè)單元的新的應(yīng)力。如果應(yīng)力發(fā)生某些變化,將對(duì)相鄰單元產(chǎn)生影響并使其速度發(fā)生改變。事實(shí)上,所有材料都有傳播動(dòng)力波的某種最大速度,該速度受巖石固有性質(zhì)的影響,其計(jì)算公式22如下:3/4P G K C +=(2圖2 830

18、01工作面E5200剖面圖Fig.2 Cross-section of E5200 of 83001 working face深度/m第26卷 第1期 王金安,等. 臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分?jǐn)?shù)值模擬研究 31 /S G C = (3因此,在建模過程中網(wǎng)格的大小一般而言不能大于該速度限制,否則會(huì)影響到計(jì)算的精確度。例如,取G = 10 GPa ,= 2 600 kg/m 3時(shí),根據(jù)式(3可得S C = 626.15 m/s 。在建模的過程中,主要研究區(qū)域的網(wǎng)格一般都不大于10 m ,整個(gè)模型中,除了在下部邊界附近之外,網(wǎng)格的尺寸也很少大于30 m ,這樣就保證了主要研究區(qū)域的計(jì)算精度。 3.3

19、 方案設(shè)計(jì)由于老虎臺(tái)礦經(jīng)歷了近百年的開采歷史,83001工作面是本項(xiàng)研究的主要對(duì)象。在距離該工作面較遠(yuǎn)的區(qū)域(F 25斷層以南區(qū)域段高取50 m 左右;當(dāng)開采進(jìn)行到83001工作面附近(F 25斷層以北區(qū)域時(shí),取實(shí)際采高30 m(見圖3。圖3 計(jì)算方案圖Fig.3 Schematic plot of numerical calculation3.4 臨界加速度值判據(jù)的設(shè)定從研究開采擾動(dòng)引起的工程巖體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)入手,考察和揭示開采擾動(dòng)在有斷層存在的情況下對(duì)圍巖應(yīng)力場及能量重分布的影響。由于本文對(duì)能量 的研究主要是從加速度方面來體現(xiàn)的,因此有必要界定加速度閾值作為區(qū)域劃分的判據(jù)。根據(jù)M. A.Kw

20、asniewski 和J. A. Wang17的研究數(shù)據(jù),結(jié)合斷層鄰近區(qū)域中的關(guān)鍵點(diǎn)給出了這些點(diǎn)3個(gè)方向的加速度值,將其取絕對(duì)值的平均數(shù)后,結(jié)果為32.83m/s -2(近似于3倍的重力加速度。這表明,在加速度3 g 左右的情況下,可產(chǎn)生明顯的沖擊地壓,因而可取3 g 作為數(shù)值計(jì)算中動(dòng)力區(qū)劃的判據(jù),即3 g 以上為沖擊地壓明顯區(qū)域,3 g 以下為沖擊地壓非明顯區(qū)域。在模型各個(gè)部位以煤體中心軸線(或圓心所在位置為對(duì)稱軸,每隔100 m 設(shè)置x 和y 方向加速度監(jiān)測點(diǎn),形成如圖4所示的監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)。4 動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分通過對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì),對(duì)動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)作如下劃分:(1 將圖4中所有的外側(cè)響應(yīng)點(diǎn)用樣條

21、曲線連接起來,即可獲得整個(gè)開采過程中3 g 加速度的包絡(luò)線示意圖(見圖5。由于動(dòng)力擾動(dòng)源于煤層的開采,故可認(rèn)為包絡(luò)圓內(nèi)部都是處于(即有可能發(fā)生沖擊地壓明顯的區(qū)域,而3 g 包絡(luò)線以外可近似認(rèn)為是沖擊地壓非明顯區(qū)域。由于該區(qū)域跨越了2次斷層和不同的巖性區(qū)域,所以包絡(luò)線的形狀并不規(guī)則,而且總體上也沒有比較好的曲線可以進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。實(shí)測數(shù)據(jù)表明,當(dāng)開采進(jìn)行到-830 m 終采線的時(shí)候,影響深度可達(dá)底板以下2 000 m 處;而在采礦位置更深的深部開采中,3 g 以下的加速度是否有可能會(huì)產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象以及其機(jī)制如何,則需要結(jié)合更新的力學(xué)理論和更多的實(shí)測數(shù)據(jù)來展開研究。(2 由于圖4,5都只是針對(duì)整個(gè)過程

22、而給出的包絡(luò)線情況,不能夠反映出具體采到各個(gè)深度時(shí)候的響應(yīng)情況。因此,在確定出外圍3 g 包絡(luò)線之后,重新對(duì)3 g 包絡(luò)線以內(nèi)部分所有的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行全程跟蹤,從而可以得出具體采到某個(gè)深度時(shí)其所對(duì)應(yīng)的3 g 響應(yīng)情況。圖69給出了4個(gè)特征深度時(shí)的3 g 響應(yīng)點(diǎn)情況,并將其近似地用幾個(gè)圓囊括起來。從圖69中可以看出,開采到不同位置時(shí),響應(yīng)點(diǎn)的分布是不一樣的,而3 g 包絡(luò)圓的半徑也隨著開采位置的不同而不斷變化,具體情況如表1所示。由圖8可知,當(dāng)開挖進(jìn)行到F 25斷層右側(cè)初采位置時(shí),3 g 響應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目非常多,區(qū)域非常廣,共跨越了3個(gè)斷層,半徑達(dá)到最大(700 m。由圖9可知,當(dāng)開挖進(jìn)行到F 25斷層

23、右側(cè)終采位置(-830 m時(shí),3 g 包絡(luò)圓半徑重新減小(回落到575 m,即影響區(qū)域變小。在F 26斷層右側(cè)初采位置進(jìn)行開采時(shí),斷層左側(cè)已經(jīng)有采空區(qū),且已經(jīng)出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)域,這樣在斷層的一側(cè)已經(jīng)經(jīng)歷擾動(dòng)之后再在另一側(cè)進(jìn)行開采擾動(dòng),從而巖體自然更容易受到動(dòng)力擾動(dòng)的影響,依據(jù)開采擾動(dòng)勢理論,斷層也更容易活化而釋放能量23,24,影響區(qū)域也相應(yīng)達(dá)到最大。當(dāng) 32 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2007年 圖4 監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)Fig.4 Monitoring point meshes圖5 由點(diǎn)網(wǎng)得到的3 g 包絡(luò)線示意圖 Fig.5 3 g envelope derived from the point mesh

24、圖6 開采至-225 m 處的3 g 包絡(luò)線Fig.6 3 g envelope when excavated to elevation -225 m圖7 開采至-525 m 處的3 g 包絡(luò)線Fig.7 3 g envelope when excavated to elevation -525 m圖8 開采至-710 m 處的3 g 包絡(luò)線Fig.8 3 g envelope when excavated to elevation -710 m開采繼續(xù)推進(jìn)時(shí),由于開采擾動(dòng)區(qū)域離F 25斷層的第 26 卷 第1期 王金安，等. 臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分?jǐn)?shù)值模擬研究 33 由圖 10 可見，

25、采深在 450 m 以下時(shí)， 開采包絡(luò) 圓的半徑呈線性增長趨勢；采深達(dá) 500 m 以上時(shí)(此 時(shí)距離斷層的距離已接近 100 m，變化趨勢不再呈 現(xiàn)線性?？梢?，斷層的存在改變了近斷層區(qū)域的速 度及應(yīng)力情況，進(jìn)而改變了原有的 3 g 包絡(luò)圓半徑 增長規(guī)律。此外，除圖 7 中 3 g 包絡(luò)圓的圓心在底 板位置以外，圖 810 中的 3 g 包絡(luò)圓的圓心均在 頂板位置，這是一個(gè)非常值得注意的現(xiàn)象。在不考 慮其他因素影響的情況下，動(dòng)力擾動(dòng)的能量在巖體 圖9 Fig.9 開采至830 m 處的 3 g 包絡(luò)線 中將產(chǎn)生沿途的耗散，而煤體的開采將造成上層巖 體的冒落，從而 3 g 包絡(luò)圓的圓心將會(huì)在頂板

26、巖層 中(見圖 6。當(dāng)采動(dòng)區(qū)域附近(指距離斷層足夠近， 近到耗散的能量沒有在傳播過程中消耗完畢而能夠 在斷層位置處發(fā)生反射存在斷層時(shí)，耗散中的動(dòng)力 擾動(dòng)能量遇到斷層時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射。這樣，反 射回來的能量將與耗散中的能量產(chǎn)生疊加而強(qiáng)化， 加劇疊加點(diǎn)處的動(dòng)力擾動(dòng)(見圖 11 中的點(diǎn) A，B。 3 g envelope when excavated to elevation 830 m 表1 3 g 包絡(luò)圓半徑隨開采深度變化表 Table 1 Radii of 3 g envelopes varied with the depth of excavation 位置 礦震初顯位置 斷層以南終采水平

27、 斷層以北初采水平 830 m 終采位置 采深/m 包絡(luò)圓半徑/m 最淺位置/m 最深位置/m 225 525 710 830 200 500 700 575 85 220 305 160 365 1 060 1 310 1 310 距離增大，產(chǎn)生動(dòng)力擾動(dòng)的能量沿途減弱，再加上 斷層作為界面對(duì)能量的反射、折射產(chǎn)生耗散，因而 不足以使得 F25 斷層以左的巖體產(chǎn)生比較大的 3 g 以 上的加速度了。 (3 出現(xiàn)這種在不同采深階段呈現(xiàn)不同影響半 徑曲線的現(xiàn)象，筆者認(rèn)為是由于深部開采與淺部開 采遵從不同規(guī)律造成的。因此，將 F25 斷層以南區(qū) 域(尚未跨越斷層的開采區(qū)域在整個(gè)采礦過程中的 3 g 響

28、應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(以地表以下深度計(jì)，并給出相 應(yīng)的全局 3 g 包絡(luò)圓半徑(見圖 10。 圖 11 Fig.11 斷層的存在使 3 g 包絡(luò)圓圓心下移示意圖 Existence of fault leads to the center of 3 g envelope circle moving downward 一次擬合 淺部開采 3 g 包絡(luò)圓半徑/m 二次擬合 深部開采 從點(diǎn) O 與相同水平方向線向上下各任取小于斷 層傾角 (因?yàn)榇笥诨虻扔?角的角度將使得分布 在圖中點(diǎn) O 所在水平線以下入射能量線與斷層平行 或不同向，而不能與斷層相交從而無法產(chǎn)生疊加 的一個(gè)銳角時(shí)，由于擾動(dòng)能量所經(jīng)歷的耗散路

29、程更 短，因此離擾動(dòng)源更近的那些疊加點(diǎn)相對(duì)于較遠(yuǎn)的 那些疊加點(diǎn)更容易受到更大擾動(dòng)(見圖 11 中點(diǎn) A， 從而使得頂板上的礦震得到加強(qiáng)。離擾動(dòng)源更近的 那些疊加點(diǎn)則更有可能在超出原有 3 g 包絡(luò)圓范圍 地表以下采深/m 的更遠(yuǎn)地方使得該點(diǎn)的加速度達(dá)到 3 g(見圖 11 中點(diǎn) 圖 10 Fig.10 3 g 包絡(luò)圓半徑增長趨勢圖 B這樣就造成了 3 g 包絡(luò)圓擾動(dòng)區(qū)域圓心的下移(見 圖 11 中有向線段 AB ，在底板中也能夠引起一定 Radii increase trend of 3 g envelopes 34 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2007 年 的礦震。 當(dāng)然， 11 是在只考慮斷層對(duì)能

30、量的反射這一 圖 個(gè)影響因素的情況下得出的機(jī)制示意圖，而實(shí)際上 速度響應(yīng)問題及基于 3 g 加速度為判據(jù)而進(jìn)行的針 對(duì)沖擊地壓的動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分。對(duì)于 3 g 包絡(luò)線內(nèi) 動(dòng)力信息的進(jìn)一步發(fā)掘和整理，可以更清晰地展現(xiàn) 動(dòng)力現(xiàn)象在時(shí)空強(qiáng)上的發(fā)生規(guī)律。 參考文獻(xiàn)(References： 1 潘一山，李忠華，章夢(mèng)濤. 我國沖擊地壓分布、類型、機(jī)制及防治 研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(11：1 8441 851.(PAN Yishan ， LI Zhonghua ， ZHANG Mengtao. Distribution ， type ， mechanism and prevention

31、of rockburst in ChinaJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(11：1 8441 851.(in Chinese 2 齊慶新，毛德兵，王永秀. 沖擊地壓的非線性非連續(xù)特征J. 巖土 力學(xué)，2003，24(增：576579.(QI Qingxin，MAO Debing，WANG Yongxiu. Nonlinear and discontinuous feature of rockburstJ. Rock and Soil Mechanics，2003，24(Supp.：576579.(in C

32、hinese 3 周曉軍，鮮學(xué)福. 煤礦沖擊地壓理論與工程應(yīng)用研究的進(jìn)展J. 重 慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版， 1998， 21(1： 126132.(ZHOU Xiaojun， 3 g 包絡(luò)圓圓心的下移還與很多因素有關(guān)，比如能量 在不同巖層界面上可能發(fā)生的反射和折射、斷層與 已有的采空區(qū)所能夠造成的應(yīng)力重分布對(duì)能量傳播 的影響以及能量在不同巖性中的巖體傳播速率和耗 散情況的不同等。因此，圖 11 的機(jī)制解釋只是一種 近似。 (4 在開采過程中，斷層在應(yīng)力的變化和遷移 過程中起到了控制性的作用。斷層的存在使得“原 本”的高應(yīng)力區(qū)被分割，即斷層一側(cè)開采造成的應(yīng) 力變化對(duì)于另一側(cè)的影響相對(duì)于沒有斷層時(shí)

33、更??； 另外， 開采產(chǎn)生的應(yīng)力變化(局部應(yīng)力集中在 F25 和 F26 斷層之間的部分是最大的，也恰表明斷層的這種 “分區(qū)”作用加劇了該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使 得該區(qū)域的應(yīng)力降低和升高都更為劇烈。 5 結(jié) 論 XIAN Xuefu. Theoretical and engineering achievement of the colliery rockburstJ. Journal of Chongqing University(Natural Science ， (1 3 g 包絡(luò)圓半徑和礦震影響深度之間有一定 關(guān)系，二者所遵從的規(guī)律也有類似之處；對(duì)于本文 而言，其中 3 g 包絡(luò)圓半徑是

34、采用了逐次收斂的思 想得到的，并且對(duì)于 F25 斷層以南部分巖體內(nèi) 3 g 包 絡(luò)圓半徑的變化規(guī)律進(jìn)行了擬合分析。 4 1998，21(1：126132.(in Chinese 李 鐵，蔡美峰，王金安，等. 深部開采沖擊地壓與瓦斯的相關(guān)性 探討J. 煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(5：562567.(LI Tie，CAI Meifeng， WANG Jinan，et al. Discussion on relativity between rockburst and gas in deep exploitationJ. Journal of China Coal Society，2005， 30(5

35、：562567.(in Chinese 5 金立平. 沖擊地壓的發(fā)生條件及預(yù)測方法的研究博士學(xué)位論 文D. 重慶： 重慶大學(xué)， 1992.(JIN Liping. Study on the precondition and the forecasting methods on rockburstPh. D. ThesisD. Chongqing： Chongqing University，1992.(in Chinese 6 趙陽生. 礦山巖石流體力學(xué)M. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1994： 224.(ZHAO Yangsheng. Mining rock fluid mechanicsM. B

36、eijing： China Coal Industry Publishing House，1994：224.(in Chinese 7 費(fèi)鴻祿，徐小荷，唐春安. 地下硐室?guī)r爆的突變理論研究J. 煤炭 學(xué)報(bào)， 1995， 20(1： 2933.(FEI Honglu， Xiaohe， XU TANG Chunan. Theoretical study on catastrophe theory of the underground excavation rockburstJ. Journal of China Coal Society，1995，20(1：2933.(in Chinese 8 章

37、夢(mèng)濤. 沖擊地壓失穩(wěn)理論與數(shù)值模擬計(jì)算J. 巖石力學(xué)與工程 學(xué)報(bào)， 1987， 6(3： 197204.(ZHANG Mengtao. Instability theory and numerical simulation of rockburstJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1987，6(3：197204.(in Chinese 9 趙本均，滕學(xué)軍. 沖擊地壓及其防治M. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 1995：428436.(ZHAO Benjun，TENG Xuejun. Rockburst and its (2 在斷

38、層之間開采時(shí)，已開采部分仍然顯示 出比較大的動(dòng)力擾動(dòng)。因此，可以通過對(duì)已采位置 煤體或巖層進(jìn)行監(jiān)測而間接地推測未開采區(qū)域?qū)⒖?能受到的擾動(dòng)情況，而且在兩側(cè)都有斷層的情況下 進(jìn)行開采時(shí)，要特別注意加強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)。 (3 結(jié)合動(dòng)力區(qū)劃圖，對(duì)不同區(qū)域可能產(chǎn)生的 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)采取不同的對(duì)策，尤其近斷層區(qū)域，由 于斷層在應(yīng)力重分布過程中，頂板位置對(duì)應(yīng)的斷層 部分，其中的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都呈增加趨勢，因此 必然會(huì)積聚一部分能量，而這部分能量則很可能產(chǎn) 生斷層沖擊地壓，因此有必要引起注意。 綜上所述，開采深度和斷層對(duì)應(yīng)力的變化和遷 移的控制作用并不是該問題的全部因素，目前的結(jié) 果是在合理依據(jù)下的有效近似表達(dá)，

39、是由半定量化 的分析產(chǎn)生的階段性總結(jié)。 本文通過數(shù)值模擬研究了有斷層情況下煤層開 采中的應(yīng)力的變化、遷移及能量傳播問題，討論了 各個(gè)特征方向上加速度值分布和變化的規(guī)律、3 g 加 第 26 卷 第1期 王金安，等. 臨近斷層開采動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)劃分?jǐn)?shù)值模擬研究 35 preventionM. Beijing： China Coal Industry Publishing House， 1995： 428436.(in Chinese 10 紀(jì)洪廣，王金安，蔡美峰. 沖擊地壓事件物理特征與幾何特征的相 關(guān)性與統(tǒng)一性J. 煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(1：3136.(JI Hongguang， WANG J

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