淺談煤礦沖擊地壓的機(jī)理及其治理技術(shù)

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1、淺談煤礦沖擊地壓的機(jī)理及其治理技術(shù)　　一.煤礦沖擊地壓的機(jī)理　　1.1國內(nèi)外煤礦沖擊地壓災(zāi)害評述　　煤礦沖擊地壓和巖爆是一個世界性的災(zāi)害現(xiàn)象。從1738年英國的南史塔福煤田發(fā)生世界上第一次沖擊地壓以來，已有260年的歷史了。其間在世界上發(fā)生沖擊地壓的國家除我國外，還有英國、波蘭、法國、德國、俄羅斯、烏克蘭、南非、美國、日本等23個國家和地區(qū)?！　∥覈钤缬涗浀臎_擊地壓是1933年在撫順勝利礦發(fā)生的。從1933～1996年的60多年間，全國共有36個礦井累計發(fā)生過4000余次破壞性的沖擊地壓，造成400多人死亡，200多人受重傷，破

2、壞巷道20km之多，其經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重?！　?.2沖擊地壓理論研究現(xiàn)狀的評述　　南非于1915年就建立了南非礦山?jīng)_擊委員會，對煤和金屬礦的沖擊地壓進(jìn)行研究。西德于20世紀(jì)50年代初就開始沖擊地壓的研究工作，并且成功地采用了鉆孔卸壓措施來防治煤礦井下發(fā)生的沖擊地壓。前蘇聯(lián)的全蘇礦山測量科學(xué)研究院也制定了《有沖擊地壓危險煤層的礦井的采礦工程施工安全規(guī)程》。在美國主要采用的方法有煤層掏槽、鉆孔卸壓、卸壓爆破和煤層注水等。5　　我國對沖擊地壓的研究是從60年代才開始的，主要是由一些有嚴(yán)重沖擊地壓的局礦在生產(chǎn)實(shí)踐中加以探索。第一次比較系統(tǒng)地

3、進(jìn)行煤礦沖擊地壓的研究工作是由重慶大學(xué)和煤科總院重慶分院于1978年在天池煤礦進(jìn)行的。全國性的煤礦沖擊地壓調(diào)研工作于1985年完成。此后，煤炭部于1987年頒布實(shí)施由煤科院北京開采所和阜新礦業(yè)學(xué)院聯(lián)合起草的我國第一部《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》。通過廣大科技工作者和研究人員的共同努力，已使我國對沖擊地壓機(jī)理和防治措施的研究有了較大的進(jìn)展，其中煤體注水與深孔松動爆破方法相結(jié)合的綜合防治措施以及沖擊地壓的非線性有限元數(shù)值模擬、煤巖體地應(yīng)力場的測試和有限元計算分析、聲發(fā)射技術(shù)、微震監(jiān)測系統(tǒng)在防治沖擊地壓的研究與應(yīng)用方面已達(dá)到國際先進(jìn)

4、水平。對煤、巖體沖擊地壓和巖爆機(jī)理的研究，國內(nèi)外曾提出了多種理論。按現(xiàn)代力學(xué)觀點(diǎn)來看，主要有以下幾種：　　1.2.1剛度理論　　Cook和Hodgeim于60年代提出當(dāng)煤巖體受力屈服后的剛度大于頂?shù)装搴椭Ъ艿膭偠葧r，便發(fā)生沖擊地壓。而當(dāng)時，煤巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生任何沖擊動力現(xiàn)象?！　?.2.2強(qiáng)度理論　　強(qiáng)度理論是由G.Brener提出的。該理論認(rèn)為煤體處于頂?shù)装宓膴A持之中，夾持特性決定了煤-圍巖體系的力學(xué)特性。當(dāng)煤體和圍巖的交界處達(dá)到極限平衡條件時，煤體便失穩(wěn)而發(fā)生沖擊地壓。　　1.2.3能量理論　　Cook等人在60年代對

5、南非15年來沖擊地壓的防治情況總結(jié)后指出：當(dāng)煤-圍巖體系在其力學(xué)平衡狀態(tài)遭破壞其所釋放出的能量大于所消耗的能量時，就發(fā)生沖擊地壓。隨后Dunk5House給出了能量平衡的方程式，佩圖霍夫?qū)Ξa(chǎn)生沖擊地壓的能量結(jié)構(gòu)作了分析?！　?.2.4沖擊傾向理論　　針對不同的煤層，其發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)弱程度各不相同這一事實(shí)。國內(nèi)外提出了煤、巖體的沖擊傾向理論。該理論認(rèn)為當(dāng)煤巖體的沖擊傾向度KE大于它的臨界值KC時，便發(fā)生沖擊地壓。國內(nèi)外已提出的以衡量煤巖體沖擊傾向指標(biāo)概括起來主要表現(xiàn)在煤巖體的能量、破壞時間、變形大小和剛度四個方面：能量指標(biāo)：彈性變

6、形（應(yīng)變）能指標(biāo)WET；沖擊能指標(biāo)WCF；有效沖擊能指標(biāo)GE；彈性能量指標(biāo)PES；時間指標(biāo)：動態(tài)破壞時間△T；形變指標(biāo)：彈性變形指標(biāo)DE；剛度指標(biāo)：脆性系數(shù)KB；剛度比指標(biāo)KCF.　　1.2.5“三準(zhǔn)則”理論　　該理論是我國學(xué)者在總結(jié)了強(qiáng)度理論、能量理論和沖擊傾向理論之后所提出來的。其基本觀點(diǎn)是將上述三種理論結(jié)合起來，并且認(rèn)為強(qiáng)度準(zhǔn)則是煤巖體的破壞準(zhǔn)則，而能量準(zhǔn)則和沖擊傾向準(zhǔn)則是煤巖體突然破壞準(zhǔn)則，只有當(dāng)三個準(zhǔn)則同時滿足時，才能發(fā)生沖擊地壓。　　1.2.6變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論　　煤巖體變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論提出了煤巖體系統(tǒng)發(fā)生沖擊地壓的失穩(wěn)

7、判據(jù)，即[6，9，19]DP=0和D2P<0（1）式中P――煤巖系統(tǒng)的總勢能泛函；DP――總勢能泛函P的變分。它揭示了沖擊地壓是由于采掘空間中煤巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不夠而發(fā)生的失穩(wěn)破壞過程。　　1.2.7突變理論　　煤巖體的突變理論是從1972年Thom創(chuàng)立的突變論（CatastropheT5heory）而發(fā)展起來的一種較新的理論。該理論主要從建立煤巖體的尖點(diǎn)突變模型（Cuspmodel）出發(fā)，對影響煤巖體的主要控制因素，即頂?shù)装鍓毫Α偠群兔簬r的損傷擴(kuò)展耗散能量的定量分析，來定性地解釋發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理?！　?.2.8分形理論　　該理

8、論是利用分形幾何學(xué)（FractalGeometry）的方法來研究沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理和預(yù)測預(yù)報手段，主要對沖擊地壓和巖爆的分形特征及微震活動的時空變化的分形特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這一理論目前的主要研究成果是，在沖擊地壓和巖爆發(fā)生前，微震活動均勻地分布在