沖擊地壓的研究現(xiàn)狀

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1、沖擊地壓的研究現(xiàn)狀沖擊地壓作為巖石力學的重大難題之一，沖擊地壓的發(fā)生和發(fā)展過程是一個很難用數學手段模擬的動力失穩(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。由于各國學者在對沖擊地壓現(xiàn)場調查研究及實驗室研究的基礎上，相繼提出了一系列的理論，按照現(xiàn)代力學觀點在對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度理論，該理論早期認為，沖擊地壓是煤巖局部應力超過強度而發(fā)生的，并對煤巖體形成應力集

2、中的原因提出了各種假說，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度理論。強度理論進一步發(fā)展為近代強度理論，以“礦體一圍巖”系統(tǒng)為研究對象，考慮了系統(tǒng)的極限平衡。剛度理論是由Cook等人在60年代根據剛性壓力機理論而得到的。認為試件的剛度大于試驗機構的剛度時，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將礦柱視為礦山結構的剛度大于礦山負荷系統(tǒng)(圍巖)的剛度是產生巖爆的必要條件。按照現(xiàn)代力學觀點，沖擊傾向性理論是指煤巖介質產生沖擊破壞的固有能力或屬性。煤巖體沖擊傾向性是產

3、生沖擊地壓的必要條件。沖擊傾向理論是波蘭和前蘇聯(lián)學者提出的，我國學者在這方面做了大量的工作，提出用煤樣的動態(tài)破壞時間()、彈性能指數()及沖擊能量指數()三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的實驗方法，提出了兩個沖擊傾向勝指標：彈性能指數、沖擊能量指數。彈性能指數計算方法是對煤層進行單軸壓縮試驗，達到峰值的80%一90%時再卸載，彈性能量為，損失能量為，則彈性能指數為：沖擊能量指數是利用煤的全過程應力應變曲線，設峰值前的面積為，峰值后的面積為，則沖擊能量指數為：認為當這兩個沖擊傾向性指標大于某個值時，就會發(fā)生沖

4、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，并制定了標準，如表1.1所示。表1.1沖擊地壓危險指標沖擊危險性無沖擊危險弱沖擊危險強沖擊危險彈性能指數沖擊能量指標Table1.1Rockburstriskcriterrion顯然，用一組沖擊傾向理論指標評價煤(巖)體本身的沖擊危險具有實際的意義，并已得到了廣泛的應用。然而，沖擊地壓的發(fā)生與采掘和地質環(huán)境有關，而且實際的煤巖物理力學性質隨地質開采條件不同而有很大的差異，實驗室測定的結果往往不能完全代表各種環(huán)境下的煤巖性質，這也給沖擊傾向理

5、論的應用帶來了局限性。大量的現(xiàn)場調查表明，具有相同沖擊傾向性的煤層，甚至同一煤層，只有少數區(qū)域發(fā)生沖擊地壓，大多數區(qū)域不發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強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，有的學者提出了能量理論，能量理論是從能量轉化方面解釋沖擊地壓的成因。該理論認為礦體一圍巖系統(tǒng)在其力學平衡狀態(tài)破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時發(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

6、巖破壞的事實;該理論沒有說明平衡狀態(tài)的性狀及其破壞條件，特別是圍巖能量釋放的條件，缺乏必要的判據和條件。我國學者章夢濤[13]等人提出了失穩(wěn)理論，該理論認為沖擊地壓是煤巖的一種材料失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，認為煤巖受采動而在采場周圍形成應力集中，煤巖變成軟化材料，當處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，在外界擾動下，發(fā)生沖擊地壓，提出了沖擊地壓是材料失穩(wěn)的思想，但沒有對沖擊地壓發(fā)生的條件進行具體分析。由于煤礦屬于大的地下空間結構開采，其地質條件不能夠看清出，所以不同的學者對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，

7、其后，潘岳、費鴻祿、潘一山等學者建立了巖體結構失穩(wěn)的突變模型，圍巖壓力、剛度和煤巖損傷擴展耗散能量進行分析，定性地解釋發(fā)生沖擊地壓的機理。目前，大都采用尖角突變模型，建立巖體的勢函數，分析分叉集，得出突變判據。突變理論發(fā)展了剛度理論和強度理論。這一理論的研究剛剛起步，離解決實際問題還有相當距離。謝和平的沖擊地壓分形特征與機理研究，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目與半徑的關系來考察微震事件的空間分布，發(fā)現(xiàn)微震時間具有集聚分形結構。當沖擊地壓發(fā)生前，微震活動的集聚程度明顯增加

8、，并出現(xiàn)分形維數值的減少。最低的分形維數值通常出現(xiàn)在一個主沖擊地壓臨近發(fā)生時。分形理論對沖擊地壓發(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破壞的關系時提出了“三因素”理論。該理論將巖體內在因素、力源因素和結構因素作為導致沖擊地壓發(fā)生的最主要因素。認為巖體破壞是滑