1、煤礦沖擊地壓的機(jī)理及未來的研究方向和治理技術(shù)采礦工程摘要:總結(jié)和論述了近幾十年來國內(nèi)外在研究煤巖體系發(fā)生沖擊地壓理論方面的進(jìn)展,沖擊地壓發(fā)生的主要因素和特點(diǎn),探討了在沖擊機(jī)理方面研究的趨勢,并對國內(nèi)外現(xiàn)今所采用的預(yù)測和防治措施進(jìn)行了分析,并提出了防治的方法,展望了今后在預(yù)測預(yù)報(bào)工作和防治措施研究及實(shí)踐方面的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:沖擊地壓巖石力學(xué)預(yù)測預(yù)報(bào)強(qiáng)度剛度能量引言煤礦沖擊地壓是指在一定條件的高地應(yīng)力作用下,井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生破壞的礦井動力現(xiàn)象,常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現(xiàn)象。它往往造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形,嚴(yán)重時(shí)造

2、成人員傷亡和井巷的毀壞,甚至引起地表塌陷而造成局部地震。1對國內(nèi)外煤礦沖擊地壓災(zāi)害及其理論研究現(xiàn)狀的評述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(gè)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(gè)國家和地區(qū)。我國最早記錄的沖擊地壓是1933 年在撫順勝利礦發(fā)生的。從19331996 年的60 多年間,全國共有36 個(gè)礦井累計(jì)發(fā)生過4 000 余次破壞性的沖擊地壓,造成400 多人死亡,200多人受重傷,破壞巷道20

3、km 之多,其經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。1. 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(xiǎn)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。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

4、進(jìn)行的 6 。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 11。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(jì)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)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

5、和Hodgeim 于60 年代提出當(dāng)煤巖體受力屈服后的剛度KR大于頂?shù)装搴椭Ъ艿膭偠菿C時(shí),便發(fā)生沖擊地壓 12。而當(dāng)KR KC時(shí),煤巖體處于穩(wěn)定狀態(tài),不發(fā)生任何沖擊動力現(xiàn)象。1. 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(shí),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(shí),就發(fā)生沖擊地壓。隨后Dunk House 給出了能量平

6、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。1. 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(shí),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(shí)間、變形大小和剛度四個(gè)方面:能量指標(biāo): 彈性變形( 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)P ES;時(shí)間指標(biāo): 動態(tài)破壞時(shí)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”

7、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 1,7,8。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(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足時(shí),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)判據(jù),即 6,9,19DP = 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(

8、 Catastrophe T heor y 而發(fā)展起來的一種較新的理論 1921。該理論主要從建立煤巖體的尖點(diǎn)突變模型( Cusp model 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。1. 2. 8分形理論該理論是利用分形幾何學(xué)( Fractal Geometry 的方法來研究沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理和預(yù)測預(yù)報(bào)手段,主要對沖擊地壓和巖爆的分形特征及微震活動的時(shí)空變化的分形特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究 22,23。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高應(yīng)力區(qū),這時(shí)分形維數(shù)值較高,而臨近沖擊地壓發(fā)

9、生時(shí),微震活動集聚,其分形維數(shù)值較低,也即分形維數(shù)值隨巖石微斷裂的增多而減小,最低的分形維數(shù)值則出現(xiàn)在臨近沖擊地壓發(fā)生時(shí)。1. 2. 9“三因素”理論沖擊地壓的“三因素”理論 1,24 認(rèn)為沖擊地壓發(fā)生的過程是煤巖地層受力的瞬間粘滑過程,是煤巖層滿足剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則以突然滑動并在滑動過程中伴隨著動能釋放的動力過程。由此而得到了“三因素”機(jī)理模型,即內(nèi)在因素( 煤巖的沖擊傾向性 、力源因素( 高度的應(yīng)力集中或高變形能的貯存與外部的動態(tài)擾動 和結(jié)構(gòu)因素( 具有軟弱結(jié)構(gòu)面和易于引起突變滑動的層狀介面 是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的最主要因素。2沖擊地壓發(fā)生的主要因素和特點(diǎn)2.1 沖擊地壓的分類及顯現(xiàn)特性煤礦沖擊地

10、壓是承受高壓的脆性煤體極限平衡狀態(tài)被破壞,向自由空間突然釋放能量的動力現(xiàn)象。按產(chǎn)生沖擊地壓的力源劃分,沖擊地壓可分為動型、構(gòu)造應(yīng)力型和動構(gòu)造應(yīng)力并有的中間型三類按礦體變形破壞范圍的大小劃分,沖擊地壓可分為局部崩落和大面積爆發(fā)兩類按沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)劃分,又可分為巷道沖擊地壓和工作面沖擊地壓。沖擊地壓的特征是煤壁拋射性塌落,頂板下沉或底板撇裂,板炮頻繁,煤體移動,彈性振動,設(shè)備震搬,煤塵飛揚(yáng),無明顯預(yù)兆突然爆發(fā),伴有巨大響聲和地震,沖擊風(fēng)波引起構(gòu)筑物損壞,易于出現(xiàn)較大損失和傷亡。2.2發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)及開采條件據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),發(fā)生過沖擊地壓的除我局權(quán)臺礦、三河尖礦外,其他局還有唐山礦,撫順勝利礦

11、,棗莊陶莊礦,京西門頭溝礦、城子礦和房山礦,大同挖金灣礦、馬脊梁礦,四川天池礦等。上述各礦沖擊地壓的特點(diǎn)是煤質(zhì)較堅(jiān)硬,礦體圍巖厚而堅(jiān)硬,開采深度較大采煤方法多數(shù)是沿傾斜推長壁、型、漏斗和房柱法等,少數(shù)是沿走向推進(jìn)的長壁、短壁和刀柱法等采空區(qū)處理方法多數(shù)是垮落法和多水平分區(qū)開拓。總之,動型沖擊地壓發(fā)生的一般條件是采深大、礦體硬、圍巖厚而堅(jiān)硬、留有煤柱的不完全開采。構(gòu)造型沖擊地壓發(fā)生的一般條件是井田次一級向、背斜構(gòu)造應(yīng)力集中地帶,當(dāng)采掘接近大斷裂向、背斜軸附近,常常會出現(xiàn)強(qiáng)度較大的沖擊地壓。2.3 沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)及影響范圍沖擊地壓多發(fā)生在采煤工作面的材料道、地質(zhì)構(gòu)造帶,殘留島形或半島形煤柱、三

12、面采空的孤立采面、支承壓力升高區(qū)內(nèi)。在煤壁前方130m、煤壁后方40m、煤層下限60m的范圍內(nèi),是沖擊地壓多發(fā)地點(diǎn)。如我局三河尖礦發(fā)生的6次沖擊地壓,第一次在7110材料道距聯(lián)絡(luò)巷口3565處,第二次在7110材料道距煤壁1035處,第三次在7110材料道距煤壁070m處,第四次在7110材料道距煤壁1540m處,第五次在7125面材料道距煤壁080m處,第六次在7125面材料道距煤壁4565m處。2.4 沖擊地壓產(chǎn)生的因素影響沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素有煤層本身具有沖擊危險(xiǎn)煤層頂板堅(jiān)硬煤層底板強(qiáng)度較高開采深度較大地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。影響沖擊地壓發(fā)生的開采技術(shù)因素有采煤方法、采掘程序、頂板管理、煤柱大小

13、、放炮等。2.5 選取防治沖擊地壓措施的原則在掌握沖擊地壓顯現(xiàn)特征,發(fā)生沖擊地壓條件的前提下,按照沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)、影響范圍及沖擊地壓產(chǎn)生的原因,對癥下藥,采取有效措施,借以減緩或防止沖擊地壓。但是,不同地方用同一技術(shù)措施的做法和效果不盡相同。因此,只要掌握了各種技術(shù)措施的服務(wù)對象,根據(jù)具體條件,因地制宜地選取即可。一般說來,選取防治沖擊地壓技術(shù)措施的原則有3條:目的在于減少煤巖彈性壓縮勢能的積聚,提高煤巖塑性變形能力,降低煤巖的脆性,減緩彈性能量的釋放速度。具體措施有向煤體內(nèi)進(jìn)行高壓注水,打卸壓鉆孔放震動炮開保護(hù)層等。目的在于減輕沖擊地壓破壞程度,具體的措施有適當(dāng)掌握采面開采強(qiáng)度,降低集中

14、應(yīng)力系數(shù)加大巷道斷面和支架可縮性,減少沖擊地壓所引起的巷道圍巖變形破壞加強(qiáng)巷道底板控制,減緩巷道底鼓嚴(yán)格執(zhí)行放炮安全措施,防止放炮誘出沖擊地壓而危及人身安全。提前預(yù)報(bào)有沖擊地壓危險(xiǎn)的地段提前測出有沖擊地壓危險(xiǎn)的地段,其方法有微震監(jiān)測、地音監(jiān)測、鉆屑煤粉法及巷道變形量的觀測等。3 對沖擊地壓理論研究的展望沖擊地壓理論沖擊地壓作為巖石力學(xué)中的復(fù)雜疑難問題之一,是國內(nèi)外許多巖石力學(xué)工作者的重要研究內(nèi)容,特別是沖擊地壓發(fā)生機(jī)理問題,更是過去幾十年來國內(nèi)外有關(guān)專家與學(xué)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)。我國從60 年代才開始對沖擊地壓進(jìn)行研究,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。近年來通過廣大科技工作者

15、和研究人員的共同努力,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(jì)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)水平。由于沖擊地壓問題的復(fù)雜性,沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的研究進(jìn)展仍比較緩慢,人們對沖擊地壓理論的認(rèn)識經(jīng)歷了強(qiáng)度理論到剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論,近十年又創(chuàng)立了“三準(zhǔn)則”理論和變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論。強(qiáng)度理論認(rèn)為井巷和采場周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到煤巖體的強(qiáng)度極限時(shí),煤巖體就會突然發(fā)生破壞,形成沖擊礦壓(發(fā)生條件由應(yīng)力與強(qiáng)度比值決定。剛度

16、理論是由Cook 等人由剛性試驗(yàn)機(jī)理論得到的,該理論認(rèn)為礦山結(jié)構(gòu)(礦體的剛度大于礦山負(fù)荷系統(tǒng)(圍巖的剛度是產(chǎn)生沖擊礦壓的必要條件。剛度理論在礦柱沖擊情況下較為適用,對于巷道或采場等其它沖擊情況較難應(yīng)用,對于如何確定礦體的剛度也是一個(gè)難題。能量理論從能量轉(zhuǎn)化的角度來分析巖爆的成因,該理論認(rèn)為巖體-圍巖系統(tǒng)在力學(xué)平衡狀態(tài)下破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時(shí),即形成巖爆。能量理論只說明了巖體-圍巖系統(tǒng)在力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí),釋放的能量大于消耗的能量,巖爆就發(fā)生,但沒有闡明平衡狀態(tài)的力學(xué)性質(zhì)和破壞條件,特別是圍巖釋放能量的條件,因此巖爆的能量理論缺乏必要條件。沖擊傾向性理論認(rèn)為當(dāng)煤巖體的沖擊傾向度KE 大于

17、它的臨界值KC 時(shí),便發(fā)生沖擊地壓。煤巖介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩?是沖擊礦壓發(fā)生的必要條件。但沖擊是否會發(fā)生還與采掘、地質(zhì)條件相關(guān)。巖爆的發(fā)生與周圍環(huán)境密切相關(guān),實(shí)驗(yàn)室測定的沖擊傾向指標(biāo)難于全面代表各種地質(zhì)因素條件下巖爆特征。“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(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足時(shí),才能發(fā)生沖擊地壓。失穩(wěn)理論是從數(shù)學(xué)上的穩(wěn)定性理論出發(fā),研究系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則。該理論認(rèn)為巖爆發(fā)生前是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程,而巖爆是一個(gè)平衡狀態(tài)失穩(wěn)轉(zhuǎn)

18、化為另一個(gè)平衡狀態(tài)的動力失穩(wěn)過程。當(dāng)巖體處于非穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時(shí),遇到外界有微小的擾動,巖體就可能發(fā)生失穩(wěn),從而在瞬間釋放大量能量,這些能量促使巖體從靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài),于是發(fā)生急劇、猛烈的破壞。傳統(tǒng)的力學(xué)方法通常假定材料是連續(xù)的,不存在任何缺陷或裂紋,因此現(xiàn)有的應(yīng)力強(qiáng)度理論與破壞準(zhǔn)則大多很難有效地分析巖石這種復(fù)雜的強(qiáng)度變化與整體破壞行為。損傷巖石力學(xué)與傳統(tǒng)的巖石力學(xué)相比,最主要的在于將以巖石強(qiáng)度為核心轉(zhuǎn)為以損傷演化過程為中心,使巖石強(qiáng)度理論的研究逐漸由經(jīng)典強(qiáng)度理論向斷裂強(qiáng)度理論、損傷強(qiáng)度理論發(fā)展。損傷力學(xué)是一門新興的學(xué)科,其研究體系還不夠完善,研究內(nèi)容還研究仍限定在單軸或三軸拉壓、蠕變、疲勞等一些特

19、定條件下的損傷演化,局限于對各種力學(xué)現(xiàn)象的分別研究。余壽文,馮西橋提出了基于微裂紋擴(kuò)展區(qū)的概念來描述巖石類材料的損傷狀態(tài)。奚正志,周占波,陳洪從巖石斷裂和損傷力學(xué)角度以及細(xì)觀角度對巖石的斷裂和損傷理論的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析,指出巖石強(qiáng)度理論的研究由經(jīng)典強(qiáng)度理論向斷裂強(qiáng)度理論、損傷強(qiáng)度理論發(fā)展。中國礦業(yè)大學(xué)的謝和平,彭瑞東,周宏偉,鞠楊總結(jié)了基于斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)的巖石強(qiáng)度理論研究進(jìn)展。劉紅巖,王根旺,劉國振從損傷變量定義的方法入手,討論了基于宏微觀理論的損傷變量定義方法及其相應(yīng)的損傷模型。通過對這兩類定義方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論后指出,宏微觀結(jié)合的損傷變量定義方法是以后損傷變量定義的最佳方法及巖

20、石爆破損傷理論模型的發(fā)展趨勢。中國礦業(yè)大學(xué)秦躍平等對巖石損傷力學(xué)模型進(jìn)行了分析研究,提出了巖石準(zhǔn)靜態(tài)損傷過程;提出了兩條基本假定:在極慢速度加載過程中,損傷與外界所做的功成正比:損傷的速率和內(nèi)平衡狀態(tài)下的損傷與實(shí)際損傷之差成正比;通過實(shí)驗(yàn)較為方便的確定了無因次化數(shù)學(xué)模型三個(gè)材料常數(shù),使巖石力學(xué)模型更為簡便。應(yīng)該說,隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論如斷裂力學(xué)、突變、分形、分叉(岔、混沌等的發(fā)展,使沖擊地壓問題的理論研究取得了一定的進(jìn)展,但這還只是剛剛開始,新的理論體系尚未形成。預(yù)測預(yù)報(bào)目前沖擊地壓的預(yù)測與防治仍是采礦工程中尚未解決的世界性難題之一,其主要原因在于沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性。預(yù)測預(yù)報(bào)方法主要有

21、:綜合指數(shù)法(危險(xiǎn)程度分析與早期預(yù)報(bào)、鉆屑法(局部監(jiān)測方法、微震法(區(qū)域性監(jiān)測方法、地音法即聲發(fā)射法(局部監(jiān)測預(yù)報(bào)方法、電磁輻射(局部監(jiān)測預(yù)報(bào)方法。由于沖擊地壓的隨機(jī)性和突發(fā)性,破壞形式的多樣性,單憑一種方法預(yù)測是不可靠的,必須結(jié)合沖擊地壓危險(xiǎn)的區(qū)域預(yù)報(bào)與局部預(yù)報(bào),早期預(yù)報(bào)與及時(shí)預(yù)報(bào)。沖擊地壓的系統(tǒng)綜合預(yù)測采取首先分析地質(zhì)開采條件,根據(jù)綜合指數(shù)法和計(jì)算機(jī)模擬分析方法,預(yù)先劃分出沖擊礦壓危險(xiǎn)及重點(diǎn)防止區(qū)域,提出沖擊地壓的早期區(qū)域性預(yù)報(bào);采用微震監(jiān)測系統(tǒng),對礦井沖擊危險(xiǎn)提出區(qū)域和及時(shí)預(yù)報(bào);采用地音監(jiān)測法、電磁輻射監(jiān)測法等地球物理監(jiān)測手段,對礦井回采和掘進(jìn)工作面進(jìn)行局部地點(diǎn)的預(yù)測預(yù)報(bào);然后采用鉆屑法

22、,對沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行檢測和預(yù)報(bào),同時(shí)對危險(xiǎn)區(qū)域和地點(diǎn)進(jìn)行處理。近些年來,人們對巖石破壞孕育過程中的聲發(fā)特征進(jìn)行了大量的研究,這些成果為用聲發(fā)射監(jiān)測預(yù)報(bào)沖擊地壓的發(fā)生奠定了良好的基礎(chǔ)。在國內(nèi)外煤礦開采中,通過監(jiān)測到的聲發(fā)射時(shí)間序列進(jìn)行分析并對其發(fā)展的趨勢進(jìn)行預(yù)測已經(jīng)成為預(yù)報(bào)沖擊地壓的主要手段之一。譚云亮教授針對沖擊地壓監(jiān)測AE 時(shí)間序列的特點(diǎn),建立了由伸縮和平移因子決定的小波基函數(shù)代替Sigmoid 等傳遞函數(shù)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,避免了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要人為干預(yù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不足。許多學(xué)者致力于研究在設(shè)計(jì)階段、采掘方案形成之后模擬,結(jié)合考慮采掘區(qū)域的地質(zhì)條件,采掘區(qū)域、采掘方式以及采掘區(qū)的

23、煤巖物理性質(zhì)以及巖石的應(yīng)力情況,對所采取的采掘方案實(shí)施過程中沖擊地壓發(fā)生通過數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測,使沖擊地壓的防治納入設(shè)計(jì)工作的內(nèi)容。由治理為主的階段進(jìn)入預(yù)防為主的新階段,真正做到經(jīng)濟(jì)有效的防治沖擊地壓。計(jì)算機(jī)技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)使天氣、海浪等數(shù)值預(yù)報(bào)成為現(xiàn)實(shí),也將為對開采方案中沖擊地壓發(fā)生情況進(jìn)行數(shù)值預(yù)測預(yù)估成為可能。目前采用的數(shù)學(xué)模型是確定性,但是實(shí)際上用此求解數(shù)學(xué)模型的參數(shù)和條件并不是確定的,而是隨機(jī)的,甚至是模糊的,通過模糊的參數(shù)和條件對確定性模型求解得出沖擊地壓發(fā)生的確定性回答肯定與實(shí)際有很大的差距。因而把確定性預(yù)報(bào)改為概率預(yù)報(bào),對沖擊地壓概率數(shù)值進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)更為接近實(shí)際,將是沖擊

24、地壓預(yù)測預(yù)報(bào)發(fā)展的方向。實(shí)際上,上述這些理論都是相互關(guān)聯(lián)的,“三準(zhǔn)則”理論是對強(qiáng)度理論、剛度理論和能量理論的綜合; 變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論是對強(qiáng)度、剛度和能量理論的更深入總結(jié)和發(fā)展,用這兩種理論可以對沖擊地壓發(fā)生的條件進(jìn)行數(shù)值模擬,但“三準(zhǔn)則”理論不具備可操作性,變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論在必要條件上還不夠具體; 突變理論本質(zhì)上也是對能量、強(qiáng)度和剛度理論的進(jìn)一步發(fā)展,但對沖擊地壓發(fā)生的充要條件還解釋不夠; 分形理論只是一種可預(yù)測性和相關(guān)性的研究尚未上升到機(jī)理上的認(rèn)識; “三因素”理論不是獨(dú)立的理論,它是對沖擊傾向理論和能量理論的綜合與發(fā)展。總之,在目前的各種理論當(dāng)中,強(qiáng)度、能量和沖擊傾向理論是最根本性的理論,

25、其余的均是這三種理論的總結(jié)和發(fā)展。由于目前對煤、巖體在受外荷載作用下發(fā)生細(xì)觀斷裂和破壞的機(jī)理認(rèn)識不深,同時(shí)也對煤巖體內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展與沖擊過程之間的關(guān)系還不明確,所以現(xiàn)今還未能確切地掌握沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理。此外,煤巖體在外載荷作用下所發(fā)生的流變特性也是導(dǎo)致其發(fā)生破壞和形成沖擊動力現(xiàn)象的一個(gè)主要影響因素。實(shí)際上,煤礦井下層狀煤巖體受到集中應(yīng)力的作用,在某一時(shí)期內(nèi),這種應(yīng)力狀態(tài)是相對穩(wěn)定的,使煤巖體發(fā)生穩(wěn)定蠕變,不會導(dǎo)致其破壞和形成沖擊地壓。而在另一時(shí)期,由于受采掘活動的影響改變了煤巖體的受力狀態(tài),使其發(fā)生非穩(wěn)定或亞穩(wěn)定蠕變,并經(jīng)過一定時(shí)間的加速蠕變而失穩(wěn)破壞形成沖擊地壓。因此,研究煤巖體發(fā)生的沖

26、擊地壓也應(yīng)當(dāng)從煤巖體發(fā)生的流變特別是蠕變損傷這一角度來開展工作,況且國內(nèi)外在這方面的研究并不多見。近年來,雖然現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的分叉理論(Bifur cation T heory 和混沌動力學(xué)( Chaotic Dynamics已在生物、化工和其它學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用,但用于研究和分析井下煤巖體發(fā)生沖擊地壓和巖爆這一動力現(xiàn)象的卻不多見。煤巖體的斷裂破壞可視為其內(nèi)部微觀裂紋擴(kuò)展、分叉和失穩(wěn)擴(kuò)展的動態(tài)演化過程,裂紋分叉與失穩(wěn)是緊密相關(guān)的,裂紋經(jīng)過無限多次的分叉便導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn),這種失穩(wěn)可以比擬為一類非線性微分方程的倍周期分叉而出現(xiàn)的混沌運(yùn)動現(xiàn)象。混沌的起點(diǎn)對應(yīng)于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界點(diǎn),從而有可能

27、分析出沖擊地壓和巖爆的混沌特征。既反映出沖擊地壓和巖爆的發(fā)生具有對初始條件( 充分必要條件 的敏感依賴性,同時(shí)也應(yīng)當(dāng)具有在表現(xiàn)形式上的隨機(jī)性和無序性,在無序中孕育著發(fā)生的周期性。可見,利用非線性分叉理論和混沌動力學(xué)來研究煤巖體發(fā)生的沖擊地壓和巖爆應(yīng)當(dāng)成為今后主要的攻關(guān)方向,也必將為預(yù)測預(yù)報(bào)探索新的途徑,以便能對沖擊地壓和巖爆的機(jī)理認(rèn)識有一個(gè)質(zhì)的飛躍。此外,煤礦沖擊地壓和巖爆現(xiàn)象是煤巖體系統(tǒng)在變形過程中的一個(gè)穩(wěn)定態(tài)積蓄能量、非穩(wěn)定態(tài)釋放能量的非線性動力學(xué)過程(Nonlinear dynamic process ,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,這一性質(zhì)可以視為是具有沖

28、擊傾向的煤巖體要盡可能保持其原始低能量狀態(tài)屬性的一種表現(xiàn),可用下面的過程加以描述:煤巖體原始低能量穩(wěn)定狀態(tài)高應(yīng)力作用積蓄能量高能量臨界狀態(tài)結(jié)構(gòu)破壞變形失穩(wěn)形成沖擊地壓或巖爆耗散部分能量新的低能量穩(wěn)定狀態(tài)在這個(gè)動力學(xué)運(yùn)動過程當(dāng)中,最基本的現(xiàn)象就是煤巖體結(jié)構(gòu)的破壞和穩(wěn)定性的喪失。因此研究沖擊地壓和巖爆發(fā)生的機(jī)理與條件還應(yīng)當(dāng)從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀動力學(xué)的微分運(yùn)動和混沌運(yùn)動特性等諸方面開展工作。4 對國內(nèi)外煤礦沖擊地壓防治措施及預(yù)測預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀的評述4. 1沖擊地壓防治措施的基本原理國內(nèi)外學(xué)者共同的觀點(diǎn)認(rèn)為要防治煤礦沖擊地壓和巖土工程中的巖爆,必須從改變煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)和它們本身的物理力學(xué)性質(zhì)上著手。從能量

29、的角度出發(fā),煤巖體發(fā)生沖擊的條件為Ec + Er Eb + E m + E e + E a式中Ec,Er 煤和巖體所釋放出的形變勢能;Eb破壞煤巖體所需的能量;Em 移動煤巖體所需的能量;Ee 地震耗散的能量;Ea 被破壞地點(diǎn)所吸收的能量。眾所周知,煤巖體所積蓄的形變勢能Ec,r 是與其所受的應(yīng)力大小及其物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān),即Ec,r = (R21+ R22+ R23 - 2L( R1R2 + R2R3 + R1R3 / 2E ( 3 根據(jù)式( 3 可知,要改變煤巖體的形變勢能Ec,r 必須從改變其三向受力狀態(tài),即(R1 ,R2 ,R3 出發(fā),同時(shí)改變其物理力學(xué)性質(zhì)。這就是國內(nèi)外采取各種防治措施

30、的基本原理。4. 2沖擊地壓的防治措施結(jié)合沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理和防治措施的基本原理,國內(nèi)外提出和實(shí)踐了眾多的防治煤巖體發(fā)生沖擊地壓和巖爆的措施。這些措施的實(shí)質(zhì)就是利用各種技術(shù)途徑,人為地改變煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)和其物理力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而達(dá)到防治沖擊發(fā)生或減少發(fā)生的次數(shù)及強(qiáng)度的目的。在波蘭,主要利用煤層注水、震動爆破、卸壓鉆孔和松動爆破等方法來防治沖擊地壓。美國煤礦沖擊地壓的防治主要用煤層掏槽、卸壓鉆孔、卸壓松爆和煤體注水等方法。德國采用的防治措施有開采保護(hù)層、煤層注水、鉆孔卸壓、卸載爆破等。其它如俄羅斯、英國、日本、法國等國家也基本上如此。煤層注水是我國最早采用的措施之一。此外還采用了在煤體中開槽卸壓

31、、誘導(dǎo)爆破和鉆孔卸壓等防治措施。但大多數(shù)礦井都是在結(jié)合本礦的技術(shù)和開采條件而采用綜合的防治措施。目前國內(nèi)外防治沖擊地壓的措施主要有煤巖體注水、鉆孔卸壓、深孔松動爆破、卸載誘導(dǎo)爆破、煤巖體掏槽卸壓、頂板預(yù)斷裂、巷道切槽卸壓、加固軟煤層、加強(qiáng)采掘支護(hù)、開采保護(hù)層、合理選擇開采方法和安排采掘設(shè)計(jì)及工藝進(jìn)度等。相對而言,煤層注水是目前防治沖擊地壓行之有效的方法,在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。必須指出的是,綜合防治措施的采用一般要根據(jù)本礦區(qū)煤層賦存的地質(zhì)條件和現(xiàn)有的技術(shù)水平來確定。對礦區(qū)區(qū)域性沖擊地壓進(jìn)行防治時(shí),應(yīng)當(dāng)從合理安排采掘設(shè)計(jì)、選擇合理的開采方法、開采保護(hù)層、頂?shù)装逄幚砗兔簩宇A(yù)注水等方面考慮。而對局部性的沖擊地壓應(yīng)以松動爆破,對煤巖體作開槽卸壓、鉆孔卸壓、加固軟分層等方面入手。建議在一般情況下,應(yīng)先對煤層進(jìn)行深孔松動爆破,再用已加潤濕劑的水溶液對煤層作反復(fù)的間歇性的高壓或靜壓注水,再輔以其它局部的解危措施。4.3 沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報(bào)概括起來,預(yù)測預(yù)報(bào)煤巖體發(fā)生沖擊地壓或巖爆工作的方法可分為人工法和地球物理法兩大類。在人工預(yù)測法中常用的有鉆屑量法、煤巖體沖擊傾向性鑒定、頂板及圍巖壓力和位移變化觀測法。地球物理預(yù)測法可靠性較高,其中聲發(fā)射(AE