沖擊地壓的研究現(xiàn)狀

1、沖擊地壓的研究現(xiàn)狀沖擊地壓作為巖石力學(xué)的重大難題之一，沖擊地壓的發(fā)生和發(fā)展過程是一個(gè)很難用數(shù)學(xué)手段模擬的動(dòng)力失穩(wěn)過程，而煤(巖)體本身是非均勻的各向異性體，所以沖擊地壓的研究十分緩慢。由于各國(guó)學(xué)者在對(duì)沖擊地壓現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究及實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，相繼提出了一系列的理論，按照現(xiàn)代力學(xué)觀點(diǎn)在對(duì)沖擊地壓不同角度提出了一系列的重要理論，主要有以下幾種:強(qiáng)度理論、剛度理論、沖擊傾向性理論能量理論以及斷裂、損傷理論等。 其中較早的理論為強(qiáng)度理論，該理論早期認(rèn)為，沖擊地壓是煤巖局部應(yīng)力超過強(qiáng)度而發(fā)生的，并對(duì)煤巖體形成應(yīng)力集中的原因提出了各種假說(shuō)，如壓力拱理論和懸壁梁理論等，這一理論稱為沖擊地壓的強(qiáng)度理論。強(qiáng)度理

2、論進(jìn)一步發(fā)展為近代強(qiáng)度理論，以“礦體一圍巖”系統(tǒng)為研究對(duì)象，考慮了系統(tǒng)的極限平衡。 剛度理論是由Cook等人在60年代根據(jù)剛性壓力機(jī)理論而得到的。認(rèn)為試件的剛度大于試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的剛度時(shí)，破壞是不穩(wěn)定的，煤巖呈現(xiàn)突然的脆性破壞12。70年代，Black將礦柱視為礦山結(jié)構(gòu)的剛度大于礦山負(fù)荷系統(tǒng)(圍巖)的剛度是產(chǎn)生巖爆的必要條件。 按照現(xiàn)代力學(xué)觀點(diǎn)，沖擊傾向性理論是指煤巖介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩?。煤巖體沖擊傾向性是產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件。沖擊傾向理論是波蘭和前蘇聯(lián)學(xué)者提出的，我國(guó)學(xué)者在這方面做了大量的工作，提出用煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間()、彈性能指數(shù)()及沖擊能量指數(shù)()三項(xiàng)指標(biāo)綜合判別煤的沖擊傾向

3、的實(shí)驗(yàn)方法，提出了兩個(gè)沖擊傾向勝指標(biāo)：彈性能指數(shù)、沖擊能量指數(shù)。彈性能指數(shù)計(jì)算方法是對(duì)煤層進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，達(dá)到峰值的80%一90%時(shí)再卸載，彈性能量為，損失能量為，則彈性能指數(shù)為： 沖擊能量指數(shù)是利用煤的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線，設(shè)峰值前的面積為，峰值后的面積為，則沖擊能量指數(shù)為： 認(rèn)為當(dāng)這兩個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)大于某個(gè)值時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊地壓，這一理論稱為沖擊傾向理論。至今煤炭部門還在沿用這一指標(biāo)，并制定了標(biāo)準(zhǔn)，如表1.1所示。表1.1沖擊地壓危險(xiǎn)指標(biāo) 沖擊危險(xiǎn)性 無(wú)沖擊危險(xiǎn) 弱沖擊危險(xiǎn) 強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)彈性能指數(shù) 沖擊能量指標(biāo) Table 1.1 Rockburst risk criterrion顯然，用

4、一組沖擊傾向理論指標(biāo)評(píng)價(jià)煤(巖)體本身的沖擊危險(xiǎn)具有實(shí)際的意義，并已得到了廣泛的應(yīng)用。然而，沖擊地壓的發(fā)生與采掘和地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，而且實(shí)際的煤巖物理力學(xué)性質(zhì)隨地質(zhì)開采條件不同而有很大的差異，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的結(jié)果往往不能完全代表各種環(huán)境下的煤巖性質(zhì)，這也給沖擊傾向理論的應(yīng)用帶來(lái)了局限性。 大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，具有相同沖擊傾向性的煤層，甚至同一煤層，只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓，大多數(shù)區(qū)域不發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強(qiáng)沖擊傾向性的煤層并不發(fā)生沖擊地壓，而某些沖擊性很弱或無(wú)沖擊性的煤層卻發(fā)生了沖擊地壓，可見沖擊傾向性理論的不足。 隨著理論體系的不斷完善，有的學(xué)者提出了能量理論，能量理論是從能量轉(zhuǎn)化方面解釋沖擊

5、地壓的成因。該理論認(rèn)為礦體一圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時(shí)發(fā)生沖擊地壓。能量理論可以解釋一些現(xiàn)象，但它把煤巖體看成純彈性的，不符合沖擊地壓是煤巖破壞的事實(shí);該理論沒有說(shuō)明平衡狀態(tài)的性狀及其破壞條件，特別是圍巖能量釋放的條件，缺乏必要的判據(jù)和條件。 我國(guó)學(xué)者章夢(mèng)濤13等人提出了失穩(wěn)理論，該理論認(rèn)為沖擊地壓是煤巖的一種材料失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，認(rèn)為煤巖受采動(dòng)而在采場(chǎng)周圍形成應(yīng)力集中，煤巖變成軟化材料，當(dāng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在外界擾動(dòng)下，發(fā)生沖擊地壓，提出了沖擊地壓是材料失穩(wěn)的思想，但沒有對(duì)沖擊地壓發(fā)生的條件進(jìn)行具體分析。 由于煤礦屬于大的地下空間結(jié)構(gòu)開采，其地質(zhì)條件不能夠看清出，

6、所以不同的學(xué)者對(duì)沖擊地壓有不同的見解。70年代末，林天鍵將突變論引入巖石力學(xué)，其后，潘岳、費(fèi)鴻祿、潘一山等學(xué)者建立了巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的突變模型，圍巖壓力、剛度和煤巖損傷擴(kuò)展耗散能量進(jìn)行分析，定性地解釋發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理。目前，大都采用尖角突變模型，建立巖體的勢(shì)函數(shù)，分析分叉集，得出突變判據(jù)。突變理論發(fā)展了剛度理論和強(qiáng)度理論。這一理論的研究剛剛起步，離解決實(shí)際問題還有相當(dāng)距離。 謝和平的沖擊地壓分形特征與機(jī)理研究，將分形幾何引入沖擊地壓的研究。這一理論的主要成果是使用分形的數(shù)目與半徑的關(guān)系來(lái)考察微震事件的空間分布，發(fā)現(xiàn)微震時(shí)間具有集聚分形結(jié)構(gòu)。當(dāng)沖擊地壓發(fā)生前，微震活動(dòng)的集聚程度明顯增加，并出現(xiàn)分形

7、維數(shù)值的減少。最低的分形維數(shù)值通常出現(xiàn)在一個(gè)主沖擊地壓臨近發(fā)生時(shí)。分形理論對(duì)沖擊地壓發(fā)生更多地是從現(xiàn)象的角度給予定性描述，在定量描述沖擊地壓發(fā)生的原因和破壞過程方面還需要做大量的工作14。潭云亮在非線形分析方面對(duì)沖擊地壓發(fā)生和破壞方面也做了大量的工作15。齊慶新等在研究沖擊地壓的發(fā)生與煤巖體摩擦滑動(dòng)破壞的關(guān)系時(shí)提出了“三因素”理論。該理論將巖體內(nèi)在因素、力源因素和結(jié)構(gòu)因素作為導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的最主要因素。認(rèn)為巖體破壞是滑動(dòng)破壞，其滑動(dòng)形式分為穩(wěn)定性滑動(dòng)和粘性滑動(dòng)兩種。巖層受力過程中的瞬時(shí)粘滑過程，是巖層滿足剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則的突然滑動(dòng)并在滑動(dòng)過程中伴有變形能釋放的動(dòng)力過程16-17。充分地研究沖擊地

8、壓發(fā)生的機(jī)理，運(yùn)用科學(xué)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，對(duì)沖擊地壓進(jìn)行有效的防治是完全可能的。就目前的研究現(xiàn)狀，防治技術(shù)的研究可歸納為長(zhǎng)期防治和直接防治兩個(gè)方面: 長(zhǎng)期防治:高度重視合理的開采技術(shù)措施。合理的開拓布置開采方法對(duì)避免形成高應(yīng)力集中和能量大量集聚，防止沖擊地壓的發(fā)生極為重要。對(duì)于開采方式來(lái)講，長(zhǎng)壁采煤法是回采有沖擊地壓危險(xiǎn)煤層最有利的方法，因?yàn)樗貌蓽?zhǔn)工程量最小。這一點(diǎn)已被工程界認(rèn)同，并已廣泛應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)長(zhǎng)壁采煤的沖擊地壓預(yù)測(cè)與方針的研究也不斷成熟，如通過巖石力學(xué)研究降低長(zhǎng)壁工作面的沖擊危險(xiǎn)，在長(zhǎng)壁面采用試驗(yàn)鉆孔和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)合的方法以確定應(yīng)變能釋放密度和應(yīng)力降低的速度，對(duì)煤層沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行

9、預(yù)測(cè)。 開采保護(hù)層。在進(jìn)行多煤層的井下開采時(shí)，每一層煤的開采工作都相互影響。因此，在設(shè)計(jì)階段就要規(guī)定煤層群的協(xié)調(diào)開采，達(dá)到降低沖擊地壓潛在的危險(xiǎn)性。在同一煤層內(nèi)進(jìn)行開采時(shí)，可以達(dá)到相臨煤層周期卸壓的效果。 煤層預(yù)注水方法。有關(guān)沖擊煤層的物理力學(xué)特性變化試驗(yàn)和提高煤的濕度試驗(yàn)，是研究煤層高壓注水工藝的基礎(chǔ)。波蘭上西里西亞礦井中的回采工作面主要采用兩種煤層注水工藝，短孔注水法和長(zhǎng)孔注水法。目前該項(xiàng)技術(shù)日趨完善，歐美國(guó)家已將其廣泛用于降塵，沖擊地壓防治和我瓦斯突出。 厚煤層堅(jiān)硬頂板處理。厚層堅(jiān)硬頂板易引起沖擊地壓，一是回采工作面上方厚層堅(jiān)硬老頂?shù)拇竺娣e懸頂和冒落，會(huì)引起煤層和頂板內(nèi)的應(yīng)力高度集中。如

10、果放頂不充分，那么應(yīng)力集中就不能隨開采而前移，工作面的應(yīng)力就有可能增大至臨界點(diǎn)，有可能導(dǎo)致沖擊地壓。二是工作面和上下平巷附近直接巖石的懸露，會(huì)引起不規(guī)則垮落和周期性增壓，給工作面頂板管理和巷道維護(hù)造成困難。目前較為有效的處理方法是頂板注水軟化，爆破斷頂(即強(qiáng)制放頂)。直接防治: 卸壓爆破:卸壓爆破是對(duì)具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層，用爆破方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施。世界上幾乎所有國(guó)家在開采有沖擊危險(xiǎn)的煤層時(shí)，都把卸壓爆破作為主要的解危措施之一。 誘發(fā)爆破:誘發(fā)爆破是在檢測(cè)到有沖擊地壓危險(xiǎn)的情況，利用較多藥量進(jìn)行爆破，人為誘發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在一定時(shí)間和地點(diǎn)，從而避免更大損害。 鉆孔卸

11、壓:采用大直徑鉆孔減緩沖擊危險(xiǎn)，此法基于鉆孔沖擊。利用鉆孔周圍形成的破碎區(qū)的溝通作用，使煤層破裂卸壓。缺陷法與沖擊地壓防治: 理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，沖擊地壓事故幾乎都與采掘工作面推進(jìn)覆巖運(yùn)動(dòng)破壞和應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力大小及分布密切聯(lián)系在一起。缺陷法控制沖擊地壓主要研究沖擊地壓能量的空間和時(shí)間上的充分釋放，以達(dá)到控制破壞性沖擊地壓的目的。因此，沖擊地壓防治的關(guān)鍵在于對(duì)煤巖體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的破壞過程的分析基礎(chǔ)上，通過降低應(yīng)力、改變煤巖體能量釋放模式等手段，達(dá)到控制破壞性沖擊地壓的目的。本課題從改變煤巖體應(yīng)力分布和能量釋放模式入手，通過人為制造空洞等工程缺陷(能量釋放規(guī)模和程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的常規(guī)措施)，達(dá)

12、到控制沖擊煤巖體能量穩(wěn)定、有序釋放的目的，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的有效控制。 沖擊地壓的防治應(yīng)根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)的分布，重點(diǎn)研究能量釋放模式，即煤巖體能量如何在一定的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定釋放18-23。巖石(煤體)是一種含有多裂紋的高度非均勻材料，由于研究巖石(煤體)非均勻性在數(shù)學(xué)上的困難，長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)巖石(煤體)破裂過程的力學(xué)分析方法，大多仍然建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的基礎(chǔ)之上，將原始缺陷(節(jié)理、裂隙、斷層)等作平均化處理。盡管這種簡(jiǎn)化可以帶來(lái)數(shù)學(xué)處理上的方便，但是卻難以用這種方法來(lái)研究巖石(煤體)破裂過程中出現(xiàn)的非均勻應(yīng)力場(chǎng)的變化(包括變形局部化現(xiàn)象)，而這種非均勻應(yīng)力場(chǎng)的出現(xiàn)則正是研究失穩(wěn)前兆規(guī)律的核心內(nèi)容。同時(shí)，其結(jié)果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離現(xiàn)實(shí)巖石(煤體)復(fù)雜的真實(shí)情況，難以用于研究實(shí)際巖石(煤體)介質(zhì)的破壞問題。采用巖石破壞過程分析軟件(ANSYS)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋缺陷和孔洞缺陷(本課題定義為工程缺陷)導(dǎo)致的巖石(煤體)中新的裂紋孕育、繁衍、萌生、擴(kuò)展和貫通機(jī)制的研究，以及由此引起的工程巖體宏觀應(yīng)力場(chǎng)和