煤礦沖擊地壓的力學(xué)模型研究

煤礦沖擊地壓的力學(xué)模型研究

隨著采礦業(yè)深度和開(kāi)采強(qiáng)度的增加，對(duì)煤礦的影響、地壓等動(dòng)力災(zāi)害日益嚴(yán)重，嚴(yán)重危及了礦山開(kāi)采安全。減少生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),1985年我國(guó)沖擊地壓煤礦有32個(gè),而2011年底,發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達(dá)142個(gè),同時(shí),全國(guó)有近50個(gè)礦井開(kāi)采深度達(dá)到或超過(guò)1000m;2006—2013年,先后有新汶、撫順、華亭、北京、義馬、阜新、鶴崗、七臺(tái)河、平頂山等煤炭生產(chǎn)企業(yè)因沖擊地壓而導(dǎo)致的重大傷亡事故多達(dá)35次,造成300余人死亡,上千人受傷。沖擊地壓的破壞程度也呈增大趨勢(shì),僅2011-11-03發(fā)生在河南義馬千秋煤礦的一起沖擊地壓事故［2］就造成10人死亡,64人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失2748.48萬(wàn)元。統(tǒng)計(jì)分析表明,各種類型的礦井都有沖擊地壓發(fā)生的報(bào)告,各類煤層都發(fā)生過(guò)沖擊現(xiàn)象,地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,煤層從薄到特厚,傾角從水平到急傾斜,礫巖、砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖頂板都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。開(kāi)采深度最淺的只有157m,2011-03-24神華新疆有限責(zé)任公司烏東煤礦北采區(qū)發(fā)生沖擊地壓造成1人死亡,2人受傷。但隨著深部開(kāi)采深度的增加,沖擊地壓的頻度和強(qiáng)度都在增加。從采煤方法來(lái)講,長(zhǎng)壁、短壁、房柱式、放頂煤、分層開(kāi)采等都發(fā)生過(guò)沖擊地壓;從采煤工藝來(lái)講,綜采、普采、炮采、水采、水砂充填等各種工藝也都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。煤礦沖擊地壓不僅危害程度大,影響面廣,而且是誘發(fā)其它煤礦重大事故的根源。沖擊地壓的發(fā)生可能誘發(fā)瓦斯異常涌出、瓦斯爆炸等重特大災(zāi)害［3］。2003年淮北蘆嶺煤礦“5·13”沖擊地壓誘發(fā)瓦斯爆炸事故,造成84人死亡;2005年“2·14”阜新孫家灣煤礦瓦斯突出就是因沖擊地壓誘發(fā)大量瓦斯涌出,進(jìn)而發(fā)生特大瓦斯爆炸,死亡214人;新汶華豐煤礦在開(kāi)采山西組4煤層過(guò)程中,頻繁發(fā)生沖擊地壓,沖擊地壓又導(dǎo)致頂板水的大量突出,在該礦工作面突水量增大的次數(shù)與沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)成正相關(guān)［4］。我國(guó)是采煤大國(guó),2012年中國(guó)采出了36.5億t原煤,占世界煤炭總產(chǎn)量的47.5%,加之煤田地質(zhì)條件的復(fù)雜性,我國(guó)的煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}尤為突出。學(xué)術(shù)界對(duì)煤礦沖擊地壓的機(jī)理和防治問(wèn)題一直非常重視［5－7］,2001年11月的175次香山科學(xué)會(huì)議、2010年7月的中國(guó)科協(xié)51次新觀點(diǎn)新學(xué)說(shuō)“巖爆機(jī)理探索”學(xué)術(shù)沙龍、2012年11月的中國(guó)工程院巖爆突水工程科技論壇、2013年8月全國(guó)防治煤礦沖擊地壓高端論壇等都把煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}作為重點(diǎn)探討;2004年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)設(shè)立的重大項(xiàng)目“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”、2010年國(guó)家科技部設(shè)立的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“煤炭深部開(kāi)采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究”也是重點(diǎn)研究煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}。但是由于問(wèn)題的復(fù)雜性,目前對(duì)沖擊地壓的機(jī)理和防治技術(shù)的研究還不夠充分,需進(jìn)行長(zhǎng)期艱苦的探索和實(shí)踐才可能取得突破進(jìn)展。1地壓產(chǎn)生的定義和分類1.1礦震的發(fā)生和性質(zhì)沖擊地壓、巖爆與礦震［8－9］是地下工程和采礦工程領(lǐng)域常見(jiàn)的巖石動(dòng)力破壞現(xiàn)象,但一直以來(lái)人們對(duì)于沖擊地壓、礦震和巖爆等術(shù)語(yǔ)的理解仍不夠清晰。由于行業(yè)背景的差異,在我國(guó)水電交通隧道等行業(yè)將這種現(xiàn)象稱之為巖爆,而在煤礦和冶金等采礦行業(yè)稱之為沖擊地壓或礦震。全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布的這3個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義分別如下:沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體,由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象,常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。它具有很大的破壞性,是煤礦重大災(zāi)害之一。巖爆是指地下工程開(kāi)挖過(guò)程中由于應(yīng)力釋放出現(xiàn)圍巖表面自行松弛破壞并噴射出來(lái)的現(xiàn)象。礦震是指井巷或工作面周圍煤巖體中突然在瞬間發(fā)生伴有巨響和沖擊波的震動(dòng)但不發(fā)生煤巖拋出的彈性變形能釋放現(xiàn)象?，F(xiàn)在巖石力學(xué)界的部分學(xué)者認(rèn)為沖擊地壓和巖爆是同一巖石動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,把沖擊地壓和巖爆作為同義詞合并,但有煤礦行業(yè)背景的學(xué)者并不認(rèn)同這種觀點(diǎn),這在2010年7月的中國(guó)科協(xié)51次新觀點(diǎn)新學(xué)說(shuō)“巖爆機(jī)理探索”學(xué)術(shù)沙龍上討論爭(zhēng)論中表現(xiàn)得尤其突出。這種理解上的差異是由于行業(yè)對(duì)工程的要求不同所產(chǎn)生的。在煤炭行業(yè),由于井巷或工作面工程的相對(duì)臨時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性要求,通常是可以容忍井巷或工作面的圍巖發(fā)生變形或破壞,只要圍巖結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)而滿足安全生產(chǎn)要求即可;而水電交通行業(yè)的隧道等地下工程是百年大計(jì),這些工程是不能容許圍巖發(fā)生破壞和產(chǎn)生大變形的。另外,采動(dòng)應(yīng)力的存在是煤礦等礦業(yè)工程的一大特點(diǎn),水電交通行業(yè)的隧道工程擾動(dòng)應(yīng)力影響的范圍和程度與煤礦采動(dòng)引起的擾動(dòng)存在數(shù)量級(jí)別的差異。沖擊地壓和巖爆的共同點(diǎn)是“在地應(yīng)力高的巖體中開(kāi)挖硐室,由于圍巖應(yīng)力突然釋放,巖塊破裂并拋出的動(dòng)力現(xiàn)象”。差異在于,采礦工程中把這種動(dòng)力現(xiàn)象是否產(chǎn)生“破壞性”、是否成為“災(zāi)害”作為是否發(fā)生沖擊地壓的標(biāo)志。如果這種動(dòng)力破壞沒(méi)有成為“災(zāi)害”、不影響安全生產(chǎn),可以不予理睬,即可以不采取治理措施,否則就要采取治理措施。因此,煤炭行業(yè)通常只把需要采取治理措施的巖石破壞動(dòng)力現(xiàn)象稱為沖擊地壓。這種是否產(chǎn)生“破壞性”、是否成為“災(zāi)害”的確定對(duì)采礦行業(yè)是十分必要的,因?yàn)閲?guó)家《煤礦安全規(guī)程》和《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》中對(duì)沖擊地壓礦井有特殊的防治要求,這將直接影響煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。另外國(guó)際上關(guān)于巖爆的定義也是多樣的,有興趣的讀者可參考文獻(xiàn)。礦震是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下,受開(kāi)采活動(dòng)影響而發(fā)生的一種誘發(fā)地震。礦震除了可由采礦活動(dòng)引起外,地面活動(dòng)、采空區(qū)頂板冒落、煤層片幫、沖擊地壓和巖爆等都有可能誘發(fā)礦震。盡管有許多礦震并不造成災(zāi)害,但有些礦震可能會(huì)誘發(fā)沖擊地壓,反過(guò)來(lái)強(qiáng)烈的沖擊地壓也能夠引起礦震。1.2沖擊地壓的分類國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度提出了不同的沖擊地壓分類方法。如按沖擊地壓發(fā)生位置可分為煤層沖擊地壓、頂板沖擊地壓和底板沖擊地壓;按沖擊壓力來(lái)源可分為重力型、構(gòu)造型和重力-構(gòu)造型;按沖擊能量大小可分為微沖擊、弱沖擊、中等沖擊、強(qiáng)沖擊和災(zāi)難性沖擊類型等［11］;Rice從煤巖材料受載類型和破壞形式將沖擊地壓分為受靜載引起的應(yīng)力型沖擊失穩(wěn)和受動(dòng)載引起的震動(dòng)型沖擊失穩(wěn);佩圖霍夫根據(jù)沖擊地壓與工作面的位置關(guān)系將沖擊地壓分為兩類:一類是發(fā)生在工作面的由采掘活動(dòng)直接引起的沖擊地壓,另一類是遠(yuǎn)離工作面,由于礦區(qū)或井田內(nèi)大區(qū)域范圍的應(yīng)力重分布引起的沖擊地壓［12］;潘一山等［13］根據(jù)對(duì)我國(guó)沖擊地壓現(xiàn)狀的研究,將之分為煤體壓縮型沖擊地壓、頂板斷裂型沖擊地壓和斷層錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓3種基本類型;何滿潮等［14］通過(guò)對(duì)煤巖沖擊失穩(wěn)的能量聚積和轉(zhuǎn)化特征的研究,建立了以復(fù)合型能量轉(zhuǎn)化為中心的煤巖沖擊失穩(wěn)分類體系,將沖擊地壓分為單一能量誘發(fā)型和復(fù)合能量轉(zhuǎn)化誘發(fā)型兩大類,其中單一能量型又可分為固體能量誘發(fā)型、氣體能量誘發(fā)型、液體能量誘發(fā)型、頂板垮落能量誘發(fā)型和構(gòu)造能量誘發(fā)型,該分類方法較以往的按沖擊能量特征分類更突出煤巖沖擊失穩(wěn)的本源和主要影響因素。更多的學(xué)者按照煤巖沖擊失穩(wěn)的物理特征進(jìn)行分類研究,總結(jié)起來(lái)可將沖擊地壓分為3類:1巖爆型沖擊地壓,是指在高應(yīng)力作用下,煤巖材料發(fā)生彈射、爆炸式的破壞;2頂板垮落型沖擊地壓,上覆厚且堅(jiān)硬的頂板懸伸在礦柱上,達(dá)到一定跨度折斷或垮落時(shí)對(duì)礦柱形成壓力波,引起礦柱煤體的瞬時(shí)破壞;3構(gòu)造型沖擊地壓,構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤巖體發(fā)生突然的失穩(wěn)沖擊。沖擊地壓現(xiàn)象的本質(zhì)是高應(yīng)力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞。從應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致煤巖體的突然失穩(wěn)破壞的本質(zhì)對(duì)沖擊地壓的進(jìn)行分類研究,本文將煤礦沖擊地壓分為3類:材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。(1)煤巖體內(nèi)部裂紋的分布材料失穩(wěn)型沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體在開(kāi)挖過(guò)程中,煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后,煤巖材料內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展、貫通、匯聚,并導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的煤巖體發(fā)生彈射、爆炸式的破壞而發(fā)生的沖擊突出。材料失穩(wěn)型沖擊地壓如圖1(a)所示。(2)煤層-煤深混動(dòng)沖擊擠出機(jī)理滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓如圖1(b)所示,是指在采動(dòng)影響下由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導(dǎo)致的煤層滑移錯(cuò)動(dòng)沖擊擠出,如Lippmann研究的煤層平動(dòng)突出模型［15］;或井巷附近的斷層、構(gòu)造或結(jié)構(gòu)面的滑移錯(cuò)動(dòng)誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。(3)沖擊突出地面采場(chǎng)發(fā)生井巷或工作面周圍巖體,由于采動(dòng)應(yīng)力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象,經(jīng)常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn),如圖1(c)所示。如孤島工作面的開(kāi)采、煤柱的回收、堅(jiān)硬頂板下的煤層開(kāi)采等。例如2008-06-05千秋煤礦發(fā)生的一起沖擊地壓事故,采場(chǎng)圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105m長(zhǎng)的巷道工程發(fā)生沖擊突出破壞。在煤炭開(kāi)采實(shí)踐中,第2,3類的沖擊地壓所引發(fā)的破壞通常比第1類更劇烈,這類沖擊地壓沖出煤量大、動(dòng)能多、震動(dòng)大,往往造成巨大的破壞和嚴(yán)重后果。2開(kāi)采特征顯著生產(chǎn)實(shí)踐表明煤礦沖擊地壓這種動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí)一般沒(méi)有明顯的宏觀前兆,具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性特征,事先難以確定發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。從力學(xué)本質(zhì)上講煤礦沖擊地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過(guò)程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程,是其外部荷載環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映,其形成過(guò)程非常復(fù)雜,涉及地質(zhì)、采礦、地球物理、巖石力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科,同時(shí)該問(wèn)題具有明顯的時(shí)空演化特征。與地下廠房、水電硐室、地鐵隧道等其它行業(yè)地下工程相比,煤礦開(kāi)采具有十分鮮明的特征:1開(kāi)采空間范圍大。我國(guó)深部煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法,形成了數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)立方米的開(kāi)采空間,開(kāi)采范圍之大、采動(dòng)波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。2開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)烈。大空間快速推采的長(zhǎng)壁開(kāi)采方法對(duì)圍巖形成強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng),引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降,尤其是對(duì)于深部一礦一面集中開(kāi)采的千萬(wàn)噸級(jí)礦井而言,開(kāi)采所導(dǎo)致大范圍的強(qiáng)烈擾動(dòng)更是淺部開(kāi)采和其它地下工程所不能比擬的。3介質(zhì)屬性和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。除了深部煤田地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性外,大范圍開(kāi)采對(duì)采掘空間周圍煤巖體形成反復(fù)擾動(dòng),使之多次經(jīng)歷變形、破壞過(guò)程,致使煤巖體的介質(zhì)屬性既具有斷續(xù)結(jié)構(gòu)特征,又具有破斷介質(zhì)屬性;工作面處于高地應(yīng)力和強(qiáng)卸荷共同作用下,采掘誘致地應(yīng)力重分布時(shí)空關(guān)系復(fù)雜,高應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征明顯,極易誘發(fā)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。我國(guó)學(xué)者通過(guò)多年研究,提出煤炭開(kāi)采中沖擊地壓機(jī)理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題:(1)煤巖中的構(gòu)造環(huán)境在長(zhǎng)期的地質(zhì)演變過(guò)程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能,其儲(chǔ)能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分,也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時(shí)深部煤層開(kāi)采時(shí)堅(jiān)硬頂板(特別是厚層砂巖頂板)的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場(chǎng)巷道工作面發(fā)生瞬時(shí)沖擊動(dòng)力災(zāi)害的誘因。因此沖擊地壓災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān),如何科學(xué)定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機(jī)制及其與煤礦沖擊地壓災(zāi)害的相關(guān)性是一個(gè)共性科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)研究這一科學(xué)問(wèn)題,揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對(duì)煤礦深井動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。(2)煤巖體增強(qiáng)作用機(jī)理深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。深部煤炭的集中開(kāi)采強(qiáng)烈擾動(dòng)使得采場(chǎng)和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。在多次開(kāi)采擾動(dòng)和長(zhǎng)期的流變過(guò)程中,這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體會(huì)出現(xiàn)新的破裂和強(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過(guò)程,從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)流變和超低摩擦效應(yīng),在一定條件下將會(huì)引起沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。在深部煤炭開(kāi)采工程中,巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效,圍巖的突發(fā)性動(dòng)力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此通過(guò)探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征這一科學(xué)問(wèn)題,研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征,研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件,從而搞清楚巷道圍巖破裂后(峰后)的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。(3)動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的場(chǎng)域:應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的自然演化與發(fā)展開(kāi)采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下,開(kāi)采活動(dòng)打破了原有的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致采場(chǎng)三維空間中的宏觀應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的重新分布,這種應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此通過(guò)研究采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理,可以揭示深部裂隙煤巖體在開(kāi)采過(guò)程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件,提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。(4)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治對(duì)策在沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害孕育發(fā)展過(guò)程中,煤巖體中應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時(shí)伴隨能量的釋放,其中,微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過(guò)程的物理效應(yīng)之一。研究煤巖體在變形破壞過(guò)程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律,通過(guò)監(jiān)測(cè)、分析井巷和采場(chǎng)附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動(dòng)等前兆信息的多參量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),就可以建立沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)和有效防治。同時(shí)從沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的條件入手,探討開(kāi)拓開(kāi)采巷道布置方式、開(kāi)采順序、保護(hù)層開(kāi)采等方法控制應(yīng)力分布的機(jī)理;研究新礦井在開(kāi)采設(shè)計(jì)階段或已生產(chǎn)礦井對(duì)未開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行合理開(kāi)采設(shè)計(jì)與保護(hù)層開(kāi)采對(duì)防止沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理,提出煤礦深部開(kāi)采的優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)理論與方法。3對(duì)地壓機(jī)和民防技術(shù)的研究3.1沖擊地壓發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造技術(shù)的關(guān)系深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部區(qū)域地質(zhì)特征、構(gòu)造形成演化過(guò)程及區(qū)域應(yīng)力環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系,深部煤層所經(jīng)歷地質(zhì)演化控制著煤層的產(chǎn)狀、展布和厚度,影響著地質(zhì)構(gòu)造的賦存、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)或殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。地質(zhì)的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多種地質(zhì)構(gòu)造,而這些構(gòu)造的特征直接決定著礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生條件,也是誘發(fā)煤礦沖擊地壓的主要因素。研究表明煤巖的沖擊傾向性、斷層和褶曲賦存狀況、上覆巖層賦存條件是誘發(fā)沖擊地壓的主要地質(zhì)條件。煤層沖擊傾向性指標(biāo)最早由波蘭學(xué)者提出,我國(guó)目前用彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間和單軸抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)作為煤層的沖擊傾向性指標(biāo)。通過(guò)對(duì)近10年我國(guó)發(fā)生沖擊地壓的礦井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),其中強(qiáng)沖擊傾向性占29%,中等沖擊傾向性占8%,弱沖擊傾向性占38%,未做沖擊傾向性鑒定占25%,說(shuō)明大部分發(fā)生沖擊地壓礦井的煤層都具有沖擊傾向性。但在一些沒(méi)有沖擊傾向性的礦井也發(fā)生了沖擊地壓,如徐州權(quán)臺(tái)礦、平頂山十礦和北京大安山礦均為軟弱無(wú)沖擊傾向煤層?？紤]到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的煤巖沖擊傾向性測(cè)定只是針對(duì)煤巖樣進(jìn)行的單軸實(shí)驗(yàn),未能體現(xiàn)煤巖體大尺度結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力的影響,建議將煤巖的沖擊傾向性與煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)異常條件、煤巖受力狀態(tài)和采動(dòng)影響等因素聯(lián)系起來(lái)對(duì)煤層沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的另一個(gè)主要地質(zhì)因素為斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了煤礦沖擊地壓的發(fā)生與向斜軸部、特別是構(gòu)造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、煤層褶皺、構(gòu)造應(yīng)力帶等區(qū)域的關(guān)系［16－18］。我國(guó)學(xué)者一個(gè)重要的研究進(jìn)展就是發(fā)現(xiàn)了不同斷層類型與沖擊地壓發(fā)生的關(guān)聯(lián)性［19］,地質(zhì)構(gòu)造控制的沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型,工作面過(guò)逆斷層時(shí)為增壓型,如義馬、鮑店等礦區(qū)的向斜沖構(gòu)造,容易引發(fā)強(qiáng)烈的沖擊地壓;工作面過(guò)正斷層時(shí)為減壓型,不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。義馬煤田位于東北邊界的岸上斷層、西北邊界的扣門山—坡頭斷層及南部邊界的F16逆沖斷層所組成的三角形斷塊范圍內(nèi),位于這一范圍內(nèi)的躍進(jìn)煤礦和千秋煤礦都是沖擊地壓的重災(zāi)區(qū)。2011-11-03,義煤集團(tuán)千秋煤礦21221掘進(jìn)工作面下巷發(fā)生能量0.35GJ、震級(jí)4.1級(jí)的沖擊地壓事故,造成10人死亡,60余人受傷。確定斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造類型非常重要。目前對(duì)誘發(fā)深部煤礦沖擊地壓的地質(zhì)條件的精細(xì)探測(cè)主要集中在煤層賦存形態(tài)和小斷層的精確描述。國(guó)內(nèi)外在對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)技術(shù)主要有探地雷達(dá)技術(shù)、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、三維地震勘探技術(shù)等。而對(duì)于探測(cè)數(shù)據(jù)的成像方法研究動(dòng)向則是從各向同性疊前時(shí)間成像向各向異性疊前深度成像發(fā)展［20－22］。上覆巖層狀況(包括堅(jiān)硬頂板、巨厚覆巖)也是影響沖擊地壓是否發(fā)生的重要因素,在受到采動(dòng)影響的條件下,由于堅(jiān)硬頂板不能及時(shí)垮落,大面積懸頂而導(dǎo)致應(yīng)力和能量集聚,從而形成動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓或礦震,如新汶、大同和兗州等礦區(qū)。今后應(yīng)針對(duì)我國(guó)深部煤炭資源開(kāi)采的實(shí)際情況,研究深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征,探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力突出之間的關(guān)系,從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性;研究煤層斷層褶曲構(gòu)造特征與構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律,建立地球物理信號(hào)精細(xì)探測(cè)響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測(cè)方法;研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述,構(gòu)建煤、巖石組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)沖擊傾向性的判別準(zhǔn)則。3.2沖擊失穩(wěn)過(guò)程與能量場(chǎng)如前所述,我國(guó)是世界上采煤量最多的國(guó)家,也是沖擊地壓發(fā)生最多的國(guó)家,因此學(xué)術(shù)界對(duì)煤礦沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理非?；钴S,將沖擊地壓過(guò)程作為動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析,基于彈性、塑性理論和穩(wěn)定性理論,對(duì)沖擊地壓的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,先后提出了剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向理論、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論、剪切滑移理論、三準(zhǔn)則理論、“三因素”理論、強(qiáng)度弱化減沖理論、復(fù)合型厚煤層“震沖”機(jī)理、巖體動(dòng)力失穩(wěn)的折迭突變機(jī)理、沖擊啟動(dòng)理論、煤巖組合沖擊機(jī)理、沖擊地壓和突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論等［23－25］。文獻(xiàn)資料表明,我國(guó)是提出沖擊地壓機(jī)理和理論最多的國(guó)家。沖擊機(jī)理研究大致可分為3類:第1類是從研究煤巖材料的物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā),分析煤巖體失穩(wěn)破壞特點(diǎn)以及誘使其失穩(wěn)的固有因素,同時(shí)利用混沌、分叉等非線性理論來(lái)研究沖擊失穩(wěn)過(guò)程;第2類是從研究突出區(qū)域所處的地質(zhì)構(gòu)造以及變形局部化出發(fā),分析地質(zhì)弱面和煤巖體幾何結(jié)構(gòu)和沖擊地壓之間的相互關(guān)系;第3類是研究工程擾動(dòng)(如放炮所產(chǎn)生的震動(dòng)波等)和采動(dòng)影響與沖擊地壓之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)指出,盡管目前關(guān)于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的觀點(diǎn)或?qū)W說(shuō)較多,但還不能有效用于解釋和指導(dǎo)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治。例如比較有影響的“三因素”理論,認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓必須同時(shí)具備三因素,即內(nèi)存因素煤巖體具有沖擊傾向性,應(yīng)力因素即有超過(guò)煤巖體破壞強(qiáng)度的應(yīng)力作用,結(jié)構(gòu)條件即具有弱面和容易引起突變滑動(dòng)的層狀介面,只有同時(shí)具備這3個(gè)條件才會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生,否則不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。但如前所述,在一些測(cè)定為無(wú)沖擊傾向性煤層的礦井也發(fā)生了沖擊地壓。究其原因,并不是學(xué)者們?cè)跊_擊地壓機(jī)理方面的研究方法不對(duì),問(wèn)題的關(guān)鍵在于如前所述沖擊地壓存在3種不同的分類,每一種理論可以去解釋一種條件下發(fā)生的沖擊地壓,很難用統(tǒng)一的理論去解釋所有的沖擊地壓現(xiàn)象。同時(shí),沖擊地壓的機(jī)理研究非常重要,只有充分理解了其機(jī)理才可能采取合理的監(jiān)測(cè)與防治措施。深部煤礦開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為沖擊地壓的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。沖擊地壓是一種能量釋放在時(shí)間上非穩(wěn)定、在空間上非均勻的過(guò)程;即從時(shí)間上看,煤巖體中能量釋放速率大于消耗能量速率,則系統(tǒng)的破壞是不穩(wěn)定的;從空間上看,各點(diǎn)處的能量釋放量構(gòu)成了空間能量釋放梯度。在總釋放量相同的條件下,如果能量釋放的空間分布是不均勻的,或者說(shuō)是集中在某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)上,則在這些點(diǎn)上所釋放的能量就有可能克服周圍煤巖體的阻力,從而形成沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。在高應(yīng)力和強(qiáng)擾動(dòng)的深部開(kāi)采環(huán)境中,采動(dòng)空間能量場(chǎng)的時(shí)空演化過(guò)程直接決定了沖擊地壓的發(fā)生特點(diǎn)和孕育條件。這種沖擊地壓的能量場(chǎng)觀點(diǎn)就有助于我們?nèi)パ芯繀^(qū)域性監(jiān)測(cè)技術(shù),例如地震波CT技術(shù)和微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采擾動(dòng)的增加,多因素耦合致災(zāi)機(jī)理的特點(diǎn)也越發(fā)明顯［26－27］。研究深部裂隙煤巖體在開(kāi)采過(guò)程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件,提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系,利用非線性分叉理論和混沌動(dòng)力學(xué)來(lái)研究煤巖體細(xì)觀破裂演化誘致煤巖體發(fā)生的沖擊地壓的全過(guò)程應(yīng)成為今后主要的攻關(guān)方向,也必將為探索沖擊地壓災(zāi)害機(jī)理與防治的新途徑。3.3煤柱和工作面停采線調(diào)整與采動(dòng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究我國(guó)煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法,隨著采場(chǎng)的不斷推進(jìn),覆巖空間結(jié)構(gòu)是在變化之中,其采動(dòng)應(yīng)力的大小和分布范圍也是在變化之中,存在“第一次來(lái)壓”和“正常推進(jìn)”兩種采動(dòng)應(yīng)力分布特征。針對(duì)深部開(kāi)采條件下覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)耦合特點(diǎn)以及應(yīng)力與能量突變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,我國(guó)學(xué)者提出了“覆巖空間結(jié)構(gòu)-空間應(yīng)力場(chǎng)-區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常-微震”的深部動(dòng)力災(zāi)害多尺度非線性動(dòng)力學(xué)模型［28］,研究相鄰采場(chǎng)的影響、多層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的多次沖擊和礦震、采空區(qū)一次“見(jiàn)方”和多重“見(jiàn)方”等階段引起的沖擊地壓等,采用“動(dòng)-靜應(yīng)力場(chǎng)理論”進(jìn)行工作面巷道的合理布置和評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)區(qū),從而揭示不同尺度、不同量級(jí)動(dòng)力災(zāi)害相互耦合的孕災(zāi)過(guò)程和觸發(fā)機(jī)制。根據(jù)姜福興的研究,典型的覆巖空間結(jié)構(gòu)可分為4種［28－29］:一面采空(四周為實(shí)體煤)的首采工作面,兩面采空的工作面,因跳采而留下的三面采空孤島工作面,因跳采和厚煤層由分層轉(zhuǎn)為放頂煤開(kāi)采而形成的四面采空的孤島工作面。從開(kāi)采技術(shù)因素來(lái)看,要盡量避免由于開(kāi)采設(shè)計(jì)方案不合理或由于采掘接替緊張而形成的孤島工作面。在四面采空的孤島工作面空間結(jié)構(gòu)中,當(dāng)放頂煤工作面推進(jìn)到接近上分層工作面的停采線時(shí),煤柱將發(fā)生2種可能的災(zāi)害:一是煤柱突然破裂失穩(wěn),發(fā)生沖擊地壓或煤層突出;二是煤柱逐漸破裂,工作面巷道圍巖快速變形從而封堵巷道和工作面內(nèi)煤壁大面積片幫。今后要進(jìn)一步研究深部煤炭開(kāi)采中上覆巖層整體彎曲帶中三維宏觀應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律,探索長(zhǎng)壁工作面在不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同開(kāi)采方法條件下的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)在上覆巖層彎曲帶和斷裂帶中分布與轉(zhuǎn)移特征,研究直接頂和基本頂在裂隙與垮落過(guò)程中的應(yīng)力變化特征,研究煤柱和巷道圍巖中采動(dòng)支承壓力分布規(guī)律和位移變形的變化規(guī)律,揭示煤巖動(dòng)力災(zāi)害的采動(dòng)效應(yīng)機(jī)理。研究煤層厚度、工作面長(zhǎng)度與推進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)基本頂和直接頂破斷與垮落過(guò)程的影響規(guī)律,探索不同層位關(guān)鍵巖層的破斷形式、影響范圍、瞬間能量釋放和傳播的巖體動(dòng)力學(xué)效應(yīng),得到堅(jiān)硬頂板第1次裂斷或周期性裂斷時(shí)的能量釋放特征。探索局部動(dòng)力災(zāi)害的耦合效應(yīng)、激增機(jī)制及誘發(fā)頂板與巷道整體動(dòng)力失穩(wěn)的互饋效應(yīng)與觸發(fā)條件,建立考慮覆巖結(jié)構(gòu)局部動(dòng)力破壞與支護(hù)體系互饋?zhàn)饔玫母矌r空間運(yùn)動(dòng)及變形的理論模型和調(diào)控方法。近年來(lái)我國(guó)在沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,一些高技術(shù)含量的監(jiān)測(cè)設(shè)備被引入到?jīng)_擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警中來(lái)。目前,我國(guó)煤礦監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓的主要方法有礦壓觀測(cè)法、鉆屑法、頂板動(dòng)態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測(cè)量法、電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。從物理本質(zhì)分類,礦壓觀測(cè)法、鉆屑法、頂板動(dòng)態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測(cè)量法屬于基于巖石力學(xué)原理的直觀接觸式監(jiān)測(cè)方法,主要以監(jiān)測(cè)沖擊地壓發(fā)生前圍巖變形、離層、應(yīng)力變化、動(dòng)力現(xiàn)象等特征為主;而電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于地球物理方法。地音和微震都是的監(jiān)測(cè)煤巖破裂時(shí)的震動(dòng)效應(yīng),區(qū)別在于各自接收震動(dòng)事件的頻率范圍不同。地音接收高頻低能事件,而微震接收低頻高能事件。電磁輻射法和電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是測(cè)量煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度,地震CT技術(shù)是通過(guò)聲發(fā)射來(lái)反演煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布圖像。在上述各種方法中,鉆屑法、微震法和地音法是較常用的沖擊地壓監(jiān)測(cè)手段。鉆屑法由德國(guó)首先提出,我國(guó)《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》都將鉆屑法作為確定沖擊危險(xiǎn)程度和采取措施后的效果檢驗(yàn)方法。微震法和地音法在我國(guó)一些沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重的煤礦都已應(yīng)用,如新汶華豐礦、徐州三河尖礦、義馬千秋礦和撫順老虎臺(tái)礦等。竇林名研制了Seicom分布式廣域網(wǎng)微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ-100頂板離層遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)［30－31］,并進(jìn)行了礦震遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè),可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)和監(jiān)測(cè)礦井同時(shí)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。姜福興自行研制了“震動(dòng)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［29］,通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)煤巖體在變形和破壞過(guò)程中,裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦?xí)r內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放,產(chǎn)生微震事件,借助專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定巖體中微震事件發(fā)生的位置、量級(jí),從而對(duì)煤巖體的變形破壞的活動(dòng)范圍、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì)做出定性、定量評(píng)價(jià),確定危險(xiǎn)區(qū)域;通過(guò)監(jiān)測(cè)采動(dòng)應(yīng)力變化,比較不同時(shí)刻每個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)力的變化量和應(yīng)力梯度等值線的變化,可以評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性和沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。這種具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“震動(dòng)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),同時(shí)監(jiān)測(cè)微地震定位和采動(dòng)應(yīng)力的變化,目前在我國(guó)60多個(gè)煤礦應(yīng)用,已經(jīng)成為實(shí)時(shí)沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警的主要手段。該多指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)在原理上優(yōu)先于單指標(biāo)的在原理上優(yōu)先于波蘭的ARAMISMPE微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。天地科技股份有限公司采礦所也開(kāi)展了采用便攜式微震儀對(duì)解危效果井下檢驗(yàn)的嘗試［32－33］。由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性,沖擊危險(xiǎn)的前兆信息及多參量監(jiān)測(cè)判別技術(shù)正逐漸成為沖擊地壓主要監(jiān)測(cè)預(yù)警模式,其原理如圖2所示。應(yīng)當(dāng)指出,不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理不同,監(jiān)測(cè)對(duì)象、有效精度、監(jiān)測(cè)范圍也不同,如何從這些前兆信息中判別得出的正確的預(yù)警結(jié)果仍有很長(zhǎng)的路要走。例如義馬千秋煤礦雖然安裝了ARAMIS、ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KBD-5、KBD-7電磁輻射儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備,但還是未能對(duì)2011年發(fā)生的“11·3”沖擊地壓事故做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。沖擊地壓的防治技術(shù)可概括地分為3種:一是采用采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以避免沖擊地壓的發(fā)生,包括優(yōu)化開(kāi)拓布置、解放層開(kāi)采、無(wú)煤柱開(kāi)采、預(yù)掘卸壓巷、寬巷掘進(jìn)、寬巷留柱法等;二是對(duì)已具有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行解危,避免高應(yīng)力集中和改善煤巖體介質(zhì)性質(zhì)以減弱積聚彈性能的能力,包括頂板深孔爆破、煤層卸載爆破、煤層高壓注水、大孔卸壓法、定向水力壓裂法、高壓水射流切槽、斷底爆破法、預(yù)掘卸壓硐室、煤層高壓水力壓裂、底板切槽法等;三是采用更有效的支護(hù)方法,通過(guò)增大支護(hù)強(qiáng)度或改善支護(hù)方式以提高支護(hù)體抵抗沖擊的能力,這是一種被動(dòng)防護(hù)方法,如沖擊震動(dòng)巷道圍巖剛?cè)嵝钅苤ёo(hù)法、高預(yù)