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(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

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(qiáng)度理論。強(qiáng)度理論進(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)

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(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

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(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)Table1.1Rockburstriskcriterrion顯然，用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

5、論的應(yīng)用帶來了局限性。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

6、巖破壞的事實(shí);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(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，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)，

7、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

8、，并出現(xiàn)分形維數(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