烏東煤礦直立巖柱對沖擊地壓的影響：機理、監(jiān)測與防治策略一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源，在經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著不可或缺的地位。然而，煤礦開采過程中面臨著諸多復雜的地質(zhì)條件和安全隱患，沖擊地壓便是其中極具威脅性的一種動力災害。沖擊地壓，又稱巖爆，是指在井巷或工作面周圍巖體中，由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、急劇、猛烈的破壞現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等。這種災害具有突發(fā)性、瞬時震動性及破壞性等特點，發(fā)生時一般無明顯宏觀前兆，卻能以突然、急劇、猛烈的形式釋放煤巖體變形能，造成煤巖體被拋出、支護體損壞、片幫冒頂、巷道堵塞，甚至導致人員傷亡，對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重威脅。烏東煤礦作為國家能源集團新疆能源有限責任公司下屬的重點煤礦，在煤炭生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。然而，該煤礦的開采條件復雜，沖擊地壓事故頻發(fā)。烏東煤礦地質(zhì)構(gòu)造復雜，褶皺、斷層發(fā)育，這些地質(zhì)構(gòu)造使得地應力分布不均，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件。隨著開采深度的增加，地應力不斷增大，沖擊地壓的危險性也隨之增加。自開采以來，烏東煤礦已發(fā)生多次沖擊地壓事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來了嚴重影響，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。例如，[具體年份]發(fā)生的一次沖擊地壓事故，導致巷道嚴重變形，設備損壞，生產(chǎn)中斷，直接經(jīng)濟損失高達[X]萬元，同時造成[X]人傷亡。這些事故不僅影響了煤礦的正常生產(chǎn)，也給員工的生命安全和家庭帶來了沉重的打擊。在烏東煤礦的開采過程中，直立巖柱作為一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，廣泛存在于煤層中。直立巖柱是指在煤層開采過程中，由于地質(zhì)構(gòu)造或開采方式等原因，形成的垂直于煤層走向的柱狀巖體。它對煤層的開采和沖擊地壓的發(fā)生可能產(chǎn)生重要影響。直立巖柱的存在改變了煤層的應力分布狀態(tài)。在煤層開采過程中，巖柱周圍的應力會發(fā)生集中，形成高應力區(qū)域。當應力集中達到一定程度時，就可能引發(fā)沖擊地壓。直立巖柱的穩(wěn)定性也會影響沖擊地壓的發(fā)生。如果巖柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，會釋放出大量的能量，觸發(fā)沖擊地壓。因此，深入研究烏東煤礦直立巖柱對沖擊地壓的影響，對于揭示沖擊地壓的發(fā)生機理，制定有效的防治措施具有重要意義。研究直立巖柱對沖擊地壓的影響，有助于深入了解沖擊地壓的發(fā)生機理。通過對巖柱的力學特性、應力分布、變形破壞規(guī)律等方面的研究，可以揭示巖柱在沖擊地壓發(fā)生過程中的作用機制，為建立沖擊地壓的理論模型提供依據(jù)。這對于豐富和完善沖擊地壓理論體系，推動巖石力學和采礦工程學科的發(fā)展具有重要的理論意義。對烏東煤礦而言，研究直立巖柱與沖擊地壓的關(guān)系，能夠為沖擊地壓的預測和防治提供科學依據(jù)。通過對巖柱相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測和分析，可以更準確地預測沖擊地壓的發(fā)生可能性和發(fā)生位置，從而采取針對性的防治措施，如合理調(diào)整開采順序、優(yōu)化支護方式、進行卸壓處理等，降低沖擊地壓的發(fā)生風險，保障煤礦的安全生產(chǎn)。這對于提高烏東煤礦的生產(chǎn)效率，減少經(jīng)濟損失，保護員工的生命安全具有重要的現(xiàn)實意義。本研究對于其他類似地質(zhì)條件的煤礦也具有重要的參考價值。通過對烏東煤礦直立巖柱與沖擊地壓關(guān)系的研究，可以為其他煤礦在沖擊地壓防治方面提供借鑒和啟示，促進整個煤炭行業(yè)的安全發(fā)展。在我國煤炭資源豐富但地質(zhì)條件復雜的背景下，深入研究烏東煤礦直立巖柱對沖擊地壓的影響，不僅是保障烏東煤礦自身安全高效生產(chǎn)的迫切需求，也是推動煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，具有深遠的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1沖擊地壓研究進展沖擊地壓的研究歷史可以追溯到20世紀初，隨著煤炭開采深度和強度的增加，其危害日益凸顯，逐漸成為國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。國外對沖擊地壓的研究起步較早，20世紀50-90年代是研究的活躍期，主要集中在沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測與防治技術(shù)等方面。在發(fā)生機理研究上，提出了強度理論、剛度理論、沖擊傾向性理論、能量理論以及斷裂、損傷理論等。強度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中的原因提出了各種假說，如壓力拱理論和懸壁梁理論等，后期發(fā)展為以“礦體-圍巖”系統(tǒng)為研究對象，考慮系統(tǒng)極限平衡的近代強度理論。剛度理論由Cook等人在60年代根據(jù)剛性壓力機理論得出，認為試件剛度大于試驗機構(gòu)剛度時，煤巖會呈現(xiàn)突然的脆性破壞，70年代Black將其應用于礦柱研究，認為礦柱剛度大于圍巖剛度是產(chǎn)生巖爆的必要條件。沖擊傾向性理論認為煤巖介質(zhì)具有產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩裕菦_擊地壓發(fā)生的必要條件，波蘭和前蘇聯(lián)學者率先提出該理論，我國學者也做了大量工作，提出用煤樣的動態(tài)破壞時間、彈性能指數(shù)及沖擊能量指數(shù)三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的實驗方法。能量理論認為當?shù)V體與圍巖系統(tǒng)的力學平衡狀態(tài)破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時，就會發(fā)生沖擊地壓，剛性理論是能量理論的一種，認為礦山結(jié)構(gòu)（礦體）的剛度大于礦山負荷系（圍巖）的剛度時將發(fā)生沖擊地壓，但該理論存在局限性，在圍巖剛度大于煤體剛度的條件下也有沖擊地壓發(fā)生。在沖擊地壓監(jiān)測預警方面，國外主要集中在微震與地音監(jiān)測方面，并配合鉆屑法。微震監(jiān)測通過布置傳感器監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的微震信號，分析信號的特征參數(shù)來判斷沖擊地壓的危險性；地音監(jiān)測則是監(jiān)測巖體內(nèi)部的聲發(fā)射活動，以此來評估巖體的穩(wěn)定性。鉆屑法是通過在煤體中鉆孔，收集鉆出的煤粉量和煤粉特征，根據(jù)煤粉量的變化和是否出現(xiàn)異常煤粉來判斷煤體的應力狀態(tài)和沖擊危險性。在防治技術(shù)方面，國外采取了多種措施。在開采設計上，合理布置采區(qū)和工作面，優(yōu)化開采順序，避免形成高應力集中區(qū)域；采用卸壓開采方法，如開采保護層、進行煤層注水等，降低煤層的應力集中程度。在支護方面，研發(fā)了高強度、高韌性的支護材料和支護結(jié)構(gòu)，以增強巷道和工作面的穩(wěn)定性，抵抗沖擊地壓的破壞。我國對沖擊地壓的研究始于20世紀50年代，初期認識階段由于煤礦開采深度較淺、開采強度不高，沖擊地壓事故較少，對其認識和研究也相對不足。進入80年代，隨著礦井開采深度和采掘范圍的擴大，北京門頭溝煤礦、撫順龍鳳煤礦等多個煤礦陸續(xù)發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，截至1985年5月，沖擊地壓礦井數(shù)量達到32個，分布在10個省（區(qū)），此后我國對沖擊地壓的研究進入逐步探索階段。90年代，雖然煤炭市場走低，對沖擊地壓的投入不足，但相關(guān)研究仍在繼續(xù)。21世紀以來，煤炭行業(yè)發(fā)展，開采技術(shù)提高，沖擊地壓礦井顯著增多，國家和企業(yè)加大了對沖擊地壓監(jiān)測裝備和防治技術(shù)的研發(fā)投入，我國沖擊地壓研究進入快速發(fā)展階段。在發(fā)生機理研究方面，我國取得了一系列重要成果，提出了“三因素”機理、強度弱化減沖機理、應力控制理論、沖擊啟動理論和擾動響應失穩(wěn)理論等。“三因素”機理認為沖擊地壓的發(fā)生是由煤巖體的沖擊傾向性、開采區(qū)域的高應力和能量積聚以及外部擾動因素共同作用的結(jié)果；強度弱化減沖機理強調(diào)通過弱化煤巖體的強度，使其在較低的應力水平下發(fā)生破壞，從而減少沖擊地壓的能量釋放；應力控制理論提出通過調(diào)整開采順序、進行卸壓開采等方式，控制煤巖體中的應力分布，降低沖擊地壓的發(fā)生風險；沖擊啟動理論研究沖擊地壓發(fā)生的觸發(fā)條件和啟動機制；擾動響應失穩(wěn)理論從煤巖體對外部擾動的響應特性出發(fā)，分析沖擊地壓的發(fā)生過程。在監(jiān)測技術(shù)與裝備方面，我國在引進國外微震監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了沖擊地壓礦井監(jiān)測系統(tǒng)，目前全國90%以上的沖擊地壓礦井都裝備了微震監(jiān)測系統(tǒng)和采動應力監(jiān)測系統(tǒng)或應力在線監(jiān)測系統(tǒng)。采動應力監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測煤巖體在開采過程中的應力變化，實時掌握煤巖體的應力狀態(tài)，為沖擊地壓的預測提供重要依據(jù)。我國還利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，將微震、支架壓力、地音、電磁輻射、鉆屑等監(jiān)測系統(tǒng)進行標準化集成，形成了災害綜合預警平臺，實現(xiàn)了對沖擊地壓的多參數(shù)、全方位監(jiān)測和預警。在防治方法與技術(shù)上，我國采取了區(qū)域防范和局部解危相結(jié)合的策略。區(qū)域防范方法包括合理的開拓布置和開采方式選擇，如采用無煤柱開采、優(yōu)化采區(qū)劃分等，減少應力集中；進行煤層注水、水力壓裂等卸壓措施，降低煤巖體的應力和彈性能積聚。局部解危方法有鉆孔卸壓、爆破卸壓、加強支護等，在沖擊地壓危險區(qū)域通過鉆孔或爆破的方式釋放應力，采用高強度支護材料和合理的支護形式增強巷道的抗沖擊能力。我國還開發(fā)了分級分類的沖擊地壓巷道支護技術(shù)，根據(jù)不同的沖擊危險等級和地質(zhì)條件，采用相應的支護方式和支護參數(shù)，提高支護的針對性和有效性。在法律法規(guī)與標準體系建設方面，我國近年來開展了系統(tǒng)的制訂工作，《防治煤礦沖擊地壓細則》等規(guī)程及相關(guān)標準已制訂并實施，初步建成沖擊地壓標準體系，為沖擊地壓的防治提供了法律依據(jù)和技術(shù)規(guī)范。1.2.2直立巖柱與沖擊地壓關(guān)系研究現(xiàn)狀直立巖柱作為煤礦開采中一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其對沖擊地壓的影響逐漸受到關(guān)注。國內(nèi)外學者針對直立巖柱與沖擊地壓的關(guān)系開展了一定的研究工作。在理論分析方面，部分學者運用結(jié)構(gòu)力學、巖石力學等理論，研究直立巖柱的力學特性和穩(wěn)定性。通過建立巖柱的力學模型，分析巖柱在不同受力條件下的應力分布、變形規(guī)律以及破壞機制，探討巖柱穩(wěn)定性與沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)在聯(lián)系。有研究采用懸臂梁結(jié)構(gòu)力學模型理論分析烏東煤礦直立巖柱，確定B3巷道出現(xiàn)拉應力破壞，B3+6煤層出現(xiàn)頂?shù)装迨芾瓚π蜎_擊地壓。數(shù)值模擬也是研究直立巖柱對沖擊地壓影響的重要手段。學者們利用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，對含有直立巖柱的煤層開采過程進行模擬，分析開采過程中巖柱周圍的應力場、位移場變化，以及不同開采條件下沖擊地壓發(fā)生的可能性和危險程度。通過數(shù)值模擬可以直觀地展示巖柱在開采過程中的力學響應和對沖擊地壓的影響規(guī)律。如利用FLAC3D數(shù)值模擬得出，從+522m水平B1+2工作面開采后開始，B3+6煤層一側(cè)巖柱的最大主應力值比B1+2煤層一側(cè)巖柱的最大主應力值高1.75倍，在開采擾動下發(fā)生沖擊地壓的危險性比B1+2煤層高。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，一些煤礦通過布置應力傳感器、微震監(jiān)測設備等，對直立巖柱附近的應力變化、微震活動等進行實時監(jiān)測，獲取現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為研究直立巖柱與沖擊地壓的關(guān)系提供實際依據(jù)。然而，當前關(guān)于直立巖柱對沖擊地壓影響的研究仍存在一些不足與空白。在理論研究方面，雖然建立了一些力學模型，但由于煤巖體地質(zhì)條件復雜，模型的簡化可能導致與實際情況存在一定偏差，對巖柱與周圍煤巖體相互作用的復雜力學行為描述不夠準確，需要進一步完善理論模型，考慮更多的影響因素。在數(shù)值模擬方面，模擬參數(shù)的選取對結(jié)果影響較大，目前參數(shù)的確定方法還不夠完善，存在一定的主觀性，導致模擬結(jié)果的準確性和可靠性有待提高。不同數(shù)值模擬軟件之間的模擬結(jié)果也可能存在差異，缺乏統(tǒng)一的驗證和對比標準。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理方法還不夠成熟，如何從大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中準確提取與沖擊地壓相關(guān)的信息，建立有效的預警指標和模型，仍是需要解決的問題。現(xiàn)場監(jiān)測往往受到地質(zhì)條件、監(jiān)測設備性能等因素的限制，監(jiān)測范圍和精度有限，難以全面反映直立巖柱對沖擊地壓的影響。針對直立巖柱與沖擊地壓關(guān)系的綜合研究還相對較少，缺乏對理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的有機整合，難以形成系統(tǒng)的理論和技術(shù)體系，指導實際生產(chǎn)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于烏東煤礦直立巖柱對沖擊地壓的影響，旨在深入剖析直立巖柱的特性、作用機制以及其與沖擊地壓之間的內(nèi)在聯(lián)系，為烏東煤礦的安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：烏東煤礦直立巖柱特性研究：對烏東煤礦的地質(zhì)條件進行詳細勘察，全面收集礦井的地質(zhì)資料，包括地層結(jié)構(gòu)、巖石力學性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造分布等信息。在此基礎(chǔ)上，深入研究直立巖柱的形成原因、分布特征、形態(tài)尺寸等基本特性。通過現(xiàn)場觀測、地質(zhì)鉆探、物探等手段，獲取直立巖柱的實際數(shù)據(jù)，分析其在不同地質(zhì)區(qū)域的分布規(guī)律和變化特點。利用巖石力學實驗設備，對直立巖柱的巖石樣本進行物理力學性質(zhì)測試，如抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等，為后續(xù)的力學分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。直立巖柱對沖擊地壓的影響機制研究：基于巖石力學、材料力學等相關(guān)理論，構(gòu)建直立巖柱的力學分析模型，深入分析直立巖柱在不同開采條件下的應力分布、變形規(guī)律以及破壞機制。考慮煤層開采過程中的采動影響、地應力作用、巖體自重等因素，運用數(shù)值模擬軟件，模擬直立巖柱在開采擾動下的力學響應，揭示其對沖擊地壓發(fā)生的影響機制。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取直立巖柱附近的應力變化、微震活動、煤巖體變形等數(shù)據(jù)，實時掌握巖柱的力學狀態(tài)和變化趨勢。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，驗證和完善沖擊地壓影響機制的理論分析，明確直立巖柱在沖擊地壓發(fā)生過程中的作用方式和影響程度。基于直立巖柱的沖擊地壓評估模型建立：綜合考慮直立巖柱的特性、地質(zhì)條件、開采工藝等因素，篩選出對沖擊地壓影響顯著的關(guān)鍵指標，如巖柱的強度、剛度、尺寸，以及地應力大小、煤層厚度、開采深度等。運用數(shù)學統(tǒng)計方法、機器學習算法等，對大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行分析處理，建立基于直立巖柱的沖擊地壓危險性評估模型。通過對模型的訓練和驗證，優(yōu)化模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，提高模型的準確性和可靠性。利用建立的評估模型，對烏東煤礦不同區(qū)域的沖擊地壓危險性進行預測評估，劃分沖擊地壓危險等級，為礦井的安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)。考慮直立巖柱影響的沖擊地壓防治措施研究：根據(jù)直立巖柱對沖擊地壓的影響機制和評估模型的結(jié)果，針對性地提出有效的沖擊地壓防治措施。在開采設計方面，優(yōu)化采區(qū)布置和開采順序，合理確定采煤方法和工藝參數(shù)，避免在直立巖柱附近形成高應力集中區(qū)域。采用卸壓開采、煤層注水、水力壓裂等技術(shù)手段，降低煤層和巖柱的應力集中程度，釋放彈性能，減少沖擊地壓的發(fā)生風險。加強對直立巖柱的監(jiān)測和維護，及時掌握巖柱的穩(wěn)定性狀況。當發(fā)現(xiàn)巖柱存在失穩(wěn)跡象時，采取有效的加固措施，如錨索支護、注漿加固等，確保巖柱的穩(wěn)定性，防止其引發(fā)沖擊地壓。建立沖擊地壓預警系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和評估模型的預測結(jié)果，對沖擊地壓進行實時預警。當監(jiān)測到?jīng)_擊地壓危險信號時，及時采取應急措施，如停止作業(yè)、人員撤離等，保障人員生命安全。1.3.2研究方法為了全面、深入地研究烏東煤礦直立巖柱對沖擊地壓的影響，本研究將綜合運用多種研究方法，相互補充、相互驗證，以確保研究結(jié)果的科學性和可靠性。具體研究方法如下：文獻研究法：廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于沖擊地壓、直立巖柱以及相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻，包括學術(shù)論文、研究報告、專著等。對這些文獻進行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。在文獻研究過程中，重點關(guān)注直立巖柱對沖擊地壓影響的相關(guān)研究成果，總結(jié)前人的研究方法和經(jīng)驗教訓，為本文的研究提供參考和借鑒。通過對文獻的分析，明確本文研究的切入點和創(chuàng)新點，確定研究的重點和難點，為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。現(xiàn)場監(jiān)測法：在烏東煤礦現(xiàn)場布置一系列監(jiān)測設備，對直立巖柱附近的應力、位移、微震活動等參數(shù)進行實時監(jiān)測。采用應力傳感器、位移計、微震監(jiān)測系統(tǒng)等設備，獲取現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，了解直立巖柱在開采過程中的力學狀態(tài)變化以及沖擊地壓的發(fā)生前兆。在監(jiān)測過程中，合理選擇監(jiān)測位置和監(jiān)測時間，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性和有效性。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應的措施進行處理。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，揭示直立巖柱與沖擊地壓之間的內(nèi)在聯(lián)系，為研究沖擊地壓的發(fā)生機制提供實際依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立烏東煤礦的三維地質(zhì)模型和開采模型。模擬不同開采條件下直立巖柱的應力分布、變形規(guī)律以及沖擊地壓的發(fā)生過程，分析直立巖柱對沖擊地壓的影響。在數(shù)值模擬過程中，合理確定模型的參數(shù)和邊界條件，確保模擬結(jié)果的準確性和可靠性。通過改變模型的參數(shù)，如巖柱的尺寸、強度、開采順序等，進行多方案模擬對比分析，研究不同因素對沖擊地壓的影響程度，為優(yōu)化開采方案和防治措施提供理論支持。對模擬結(jié)果進行可視化處理，直觀地展示直立巖柱在開采過程中的力學響應和沖擊地壓的發(fā)生機制，便于分析和理解。相似材料模擬法：按照相似原理，制作烏東煤礦含直立巖柱的相似材料模型。通過模擬煤層開采過程，觀察模型中直立巖柱的變形破壞特征以及沖擊地壓的發(fā)生現(xiàn)象，研究直立巖柱對沖擊地壓的影響規(guī)律。在相似材料模擬過程中，選擇合適的相似材料和模擬設備，確保模型的相似性和實驗的可操作性。對模型進行加載和開采模擬，記錄模型的變形、破壞過程以及沖擊地壓的發(fā)生情況，獲取實驗數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，與數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證，進一步揭示直立巖柱對沖擊地壓的影響機制，為研究提供更直觀的實驗依據(jù)。二、烏東煤礦概況與沖擊地壓特征2.1烏東煤礦地質(zhì)與開采條件2.1.1地理位置與交通烏東煤礦隸屬國家能源集團新疆能源有限責任公司，位于烏魯木齊東北部34km，西北距米東區(qū)13km，行政區(qū)劃屬烏魯木齊米東區(qū)管轄。其地理位置優(yōu)越，處在準噶爾盆地南緣，博格達北麓的山前丘陵帶，這種獨特的地理環(huán)境對煤礦的開采產(chǎn)生了多方面的影響。從地形地貌來看，該區(qū)域地勢南高北低，地表標高在+739.2～+934.0m之間，最大相對高差達194.8m，一般高差為60m。小型溝谷縱橫交錯，大型溝谷以南北走向為主。復雜的地形增加了煤礦開采的難度，在礦井建設和設備運輸?shù)确矫嫘枰朔嗟牡匦握系K。由于區(qū)內(nèi)地層出露甚少，大部分為第四系黃土及亞砂土覆蓋，這對地質(zhì)勘探工作提出了更高的要求，需要采用更加先進的勘探技術(shù)來準確掌握地下地質(zhì)情況。烏東煤礦的交通條件十分便利，為煤炭的運輸和開采設備、物資的運輸提供了有力保障。礦區(qū)鐵路專用線與蘭新線接軌，能夠通過鐵路將煤炭運往全國各地，鐵路運輸具有運量大、成本低的優(yōu)勢，適合長距離、大批量的煤炭運輸，能夠滿足烏東煤礦大規(guī)模煤炭生產(chǎn)的運輸需求。瀝青路與烏（烏魯木齊）-奇（奇臺）公路相接，公路運輸具有靈活性高的特點，可實現(xiàn)煤炭的短途運輸以及開采設備、物資的及時調(diào)配。烏東煤礦距烏魯木齊國際機場16km，距烏魯木齊高鐵新客站23km，航空和高鐵交通的便捷性有助于煤礦與外界進行快速的人員往來和信息交流，便于引進先進的技術(shù)和管理經(jīng)驗，促進煤礦的發(fā)展。境內(nèi)有烏準鐵路米泉火車站和甘泉堡火車站，米泉火車站距城區(qū)不足5km，烏奎高速公路穿境而過，近年來，烏魯木齊東繞城、東二環(huán)、城北主干道、東進場高架路、西繞城等道路的相繼建成，實現(xiàn)了與中心城區(qū)的無縫連接，特別是京新高速（G7）的開通，使米東區(qū)成為首府的“北大門”，進一步優(yōu)化了烏東煤礦的交通網(wǎng)絡，提升了其運輸效率和經(jīng)濟輻射范圍。2.1.2地質(zhì)構(gòu)造特征烏東煤礦井田范圍內(nèi)存在八道灣向斜和七道灣背斜，這兩大褶皺構(gòu)造對煤層的賦存和開采產(chǎn)生了重要影響。褶皺構(gòu)造使得煤層的產(chǎn)狀發(fā)生變化，在八道灣向斜北翼，地面標高+739.2~+934.0m，地層產(chǎn)狀傾向155°~159°，傾角43°~51°，含煤地層總厚度164.29m，含煤系數(shù)為21.54%。這種復雜的產(chǎn)狀增加了開采的難度，在采煤過程中需要根據(jù)煤層的實際傾斜角度和傾向，合理選擇采煤方法和設備，以確保采煤效率和安全性。褶皺構(gòu)造還會導致地應力分布不均勻，在褶皺的軸部和翼部，地應力的大小和方向存在差異，容易形成應力集中區(qū)域，這對沖擊地壓的發(fā)生具有重要影響，是沖擊地壓防治工作中需要重點關(guān)注的因素。在斷裂構(gòu)造方面，礦井在開采過程中遇見斷層較少，斷層斷距在1～3米，斷層走向多為南東—北西向，傾角45°～65°。雖然斷層數(shù)量相對較少，但斷層的存在仍然改變了煤巖體的完整性和力學性質(zhì)。斷層附近的煤巖體結(jié)構(gòu)破碎，強度降低，在開采過程中容易發(fā)生頂板垮落、片幫等事故。斷層還可能成為地下水和瓦斯的運移通道，增加了礦井水害和瓦斯災害的風險。在烏東煤礦的開采過程中，需要對斷層進行詳細的探測和分析，提前制定相應的防治措施，如加強斷層附近的支護、做好防水和瓦斯治理工作等。礦井內(nèi)的節(jié)理也較為發(fā)育，節(jié)理的存在使煤巖體的力學性能變差，降低了其承載能力。在受到采動影響時，節(jié)理容易擴展和貫通，導致煤巖體的破壞。節(jié)理還會影響煤層的透氣性，對瓦斯的賦存和運移產(chǎn)生影響。在瓦斯抽采工作中，需要考慮節(jié)理的分布情況，合理布置抽采鉆孔，提高瓦斯抽采效率。地質(zhì)構(gòu)造對煤層的賦存和開采具有多方面的影響，在烏東煤礦的開采過程中，必須充分認識和掌握地質(zhì)構(gòu)造特征，采取有效的技術(shù)措施，確保煤礦的安全生產(chǎn)。2.1.3煤層特征烏東煤礦含煤地層屬中侏羅統(tǒng)西山窯組，全區(qū)呈北東一南西向帶狀分布。井田東西走向長6km，南北寬1.05km，井田面積約6.3km2，最深部標高為+300m。主要可采煤層有42#、43#、45#等，其中主采煤層43#和45#煤層平均厚度分別為28m和21m，煤層走向247°，傾向157°，傾角為45°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，僅含有少量夾矸，夾矸巖性以炭質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖。煤層的厚度和傾角對開采工藝的選擇具有決定性影響。該礦煤層厚度較大，屬于特厚煤層，采用水平分層放頂煤開采技術(shù)較為合適。這種開采技術(shù)能夠充分利用煤層厚度大的特點，提高煤炭資源回收率。具體來說，在開采過程中，將特厚煤層沿水平方向分成若干個分層，每個分層的厚度一般在2.5-3.5m左右，然后采用放頂煤開采方法，即采煤機割煤后，支架上方的頂煤在礦山壓力的作用下破碎，通過支架后部的放煤口放出，由刮板輸送機運出工作面。對于傾角為45°的煤層，在開采時需要考慮煤層的穩(wěn)定性和設備的適應性。為了防止采煤設備下滑，需要采取防滑措施，如在刮板輸送機上安裝防滑鏈、在支架上設置防滑裝置等。要確保人員在傾斜煤層上作業(yè)的安全，設置專門的行人通道和防護設施。煤質(zhì)特征也對煤礦開采和產(chǎn)品利用有著重要意義。烏東煤礦的煤質(zhì)優(yōu)良，具有發(fā)熱量高、灰分低、硫分低等特點。這種優(yōu)質(zhì)煤在市場上具有較強的競爭力，能夠滿足不同用戶的需求，為煤礦帶來良好的經(jīng)濟效益。在開采過程中，需要注意煤質(zhì)的管理，避免不同煤質(zhì)的煤層混合開采，確保煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。加強煤炭的洗選加工，進一步提高煤炭的質(zhì)量，降低灰分和硫分等雜質(zhì)的含量，提高煤炭的利用價值。2.1.4采掘工作面概況烏東煤礦的采掘工作面布置充分考慮了地質(zhì)條件和開采工藝的要求。在采區(qū)劃分上，根據(jù)煤層的分布和地質(zhì)構(gòu)造情況，將井田劃分為南區(qū)、北區(qū)和西區(qū)等多個采區(qū)，每個采區(qū)又進一步劃分成若干個采煤工作面和掘進工作面。這種劃分方式有利于實現(xiàn)集中生產(chǎn)，提高開采效率，便于進行通風、排水、運輸?shù)认到y(tǒng)的布置和管理。在采煤方法上，對于急傾斜特厚煤層，主要采用水平分層放頂煤采煤法。在+500mB3+6綜放面，通過將煤層劃分為多個水平分層，每個分層厚度約為3m，利用放頂煤支架進行采煤和放頂煤作業(yè)。在采煤過程中，采煤機沿著煤層走向割煤，割煤后及時移架支護頂板，然后打開放煤口放出頂煤。這種采煤方法能夠充分利用煤層厚度大的優(yōu)勢，提高煤炭采出率，但也對頂板管理和瓦斯治理提出了較高的要求。掘進工作面主要采用綜掘工藝，使用掘進機進行巷道掘進。在掘進過程中，通過合理控制掘進機的截割參數(shù)，確保巷道的成型質(zhì)量。同時，及時進行支護，采用錨桿、錨索、鋼帶等聯(lián)合支護方式，保證巷道的穩(wěn)定性。在+600m水平的掘進工作面，根據(jù)巷道的圍巖條件，確定錨桿的長度為2.2m，間距為0.8m，錨索長度為6m，間距為1.5m，有效地控制了巷道的變形。采掘工作面的推進速度與沖擊地壓的發(fā)生密切相關(guān)。當推進速度過快時，會導致煤巖體的應力來不及釋放，形成應力集中，增加沖擊地壓的發(fā)生風險。如果推進速度過慢，會影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。在烏東煤礦的開采過程中，需要根據(jù)煤巖體的應力監(jiān)測結(jié)果和沖擊地壓的預警情況，合理調(diào)整采掘工作面的推進速度。在應力集中區(qū)域，適當降低推進速度，采取卸壓措施，如煤層注水、鉆孔卸壓等，釋放煤巖體的應力，降低沖擊地壓的發(fā)生風險；在應力正常區(qū)域，保持合理的推進速度，確保生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性。2.2烏東煤礦沖擊地壓發(fā)生概況2.2.1沖擊地壓事故案例分析以[具體年份]發(fā)生在烏東煤礦南區(qū)+500mB3+6綜放面的一次沖擊地壓事故為例，此次事故發(fā)生在該工作面開采推進至[具體位置]時，時間為[具體時間]。當時，采煤作業(yè)正按照正常流程進行，突然，工作面及周圍巷道發(fā)生強烈震動，伴隨巨大聲響，如同爆炸一般。經(jīng)事后測定，此次沖擊地壓的震級達到了[X]級，屬于較強沖擊地壓。事故造成了嚴重的破壞。在工作面，煤巖體大量拋出，堆積在巷道內(nèi)，堵塞了通道，清理難度極大。部分采煤設備如刮板輸送機被扭曲變形，采煤機的零部件損壞，無法正常運行。支架也受到了嚴重的沖擊，許多支架被壓垮、變形，失去了支護能力，導致頂板出現(xiàn)垮落，進一步加劇了巷道的破壞。在巷道方面，幫鼓、底鼓現(xiàn)象十分明顯。巷道兩幫的煤巖體被擠出，導致巷道寬度變窄，影響人員通行和設備運輸。巷道底部也向上隆起，使巷道高度降低，部分區(qū)域甚至無法通過設備。據(jù)統(tǒng)計，此次事故造成該工作面及附近巷道共計[X]米受到不同程度的破壞，維修難度大，需要投入大量的人力、物力和時間。人員傷亡情況也較為嚴重，此次事故造成[X]人死亡，[X]人受傷。受傷人員中，部分是被拋出的煤巖體擊中，部分是在巷道垮塌時被掩埋，后經(jīng)緊急救援才得以脫險。此次事故不僅給遇難者家庭帶來了沉重的打擊，也對整個煤礦的生產(chǎn)和運營產(chǎn)生了極大的影響，導致該工作面停產(chǎn)整頓[X]天，經(jīng)濟損失巨大，包括設備維修更換費用、巷道修復費用、人員傷亡賠償費用以及停產(chǎn)期間的煤炭產(chǎn)量損失等，直接經(jīng)濟損失高達[X]萬元，間接經(jīng)濟損失更是難以估量。此次事故也引起了煤礦管理層和相關(guān)部門的高度重視，促使他們進一步加強對沖擊地壓的防治工作，采取更加有效的措施來保障煤礦的安全生產(chǎn)。2.2.2沖擊地壓顯現(xiàn)特征烏東煤礦沖擊地壓具有明顯的突發(fā)性。在沒有明顯宏觀前兆的情況下，沖擊地壓會突然發(fā)生。在[具體事故]中，采煤工作正常進行，沒有任何異常跡象，然而沖擊地壓卻瞬間爆發(fā)，導致現(xiàn)場人員和設備來不及做出有效應對。這種突發(fā)性使得沖擊地壓的預測和防范難度極大，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。由于沖擊地壓發(fā)生突然，難以提前察覺，導致在事故發(fā)生時，工作人員往往無法及時采取有效的防護措施，容易造成人員傷亡和設備損壞。其破壞性也十分嚴重。沖擊地壓發(fā)生時，煤巖體以突然、急劇、猛烈的形式釋放彈性能，產(chǎn)生強大的沖擊力。這股沖擊力能夠使煤巖體大量拋出，堵塞巷道，導致巷道無法正常通行和使用。沖擊地壓還會使支架等支護結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，支架被壓垮、扭曲，失去支護作用，進而引發(fā)頂板垮落等次生災害。在烏東煤礦的多次沖擊地壓事故中，都出現(xiàn)了巷道被嚴重破壞、設備被損壞的情況，嚴重影響了煤礦的正常生產(chǎn)，修復這些損壞的巷道和設備需要耗費大量的人力、物力和時間，給煤礦帶來了巨大的經(jīng)濟損失。烏東煤礦沖擊地壓還具有復雜性。其發(fā)生受到多種因素的綜合影響，包括地質(zhì)構(gòu)造、煤層特性、開采深度、開采順序等。在地質(zhì)構(gòu)造復雜的區(qū)域，如褶皺、斷層附近，地應力分布不均，容易形成高應力集中區(qū)，增加沖擊地壓的發(fā)生風險。不同的煤層特性，如煤層的硬度、厚度、傾角等，也會對沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生影響。開采深度的增加會導致地應力增大，使沖擊地壓的危險性增加。開采順序不合理，如先開采保護層等，也可能引發(fā)沖擊地壓。這種復雜性使得沖擊地壓的防治工作變得異常困難，需要綜合考慮多種因素，采取多種措施進行防治。由于沖擊地壓的發(fā)生受到多種因素的影響，而且這些因素之間相互作用、相互影響，使得準確預測沖擊地壓的發(fā)生變得十分困難，難以制定出全面有效的防治措施。2.2.3沖擊地壓發(fā)生的影響因素地質(zhì)因素對烏東煤礦沖擊地壓的發(fā)生有著重要影響。構(gòu)造應力是其中關(guān)鍵因素之一，在烏東煤礦井田范圍內(nèi)，存在八道灣向斜和七道灣背斜等褶皺構(gòu)造，以及少量斷層。這些地質(zhì)構(gòu)造使得地應力分布不均勻，在褶皺的軸部和斷層附近，地應力集中現(xiàn)象明顯。在八道灣向斜的軸部，由于巖層的彎曲變形，形成了高應力區(qū)域，當應力超過煤巖體的承載能力時，就容易引發(fā)沖擊地壓。構(gòu)造應力還會使煤巖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低其強度，增加沖擊地壓的發(fā)生風險。煤層特性也不容忽視。烏東煤礦的煤層硬度較大，脆性指標較高，在受到外力作用時，容易發(fā)生脆性破壞，積聚的彈性能能夠快速釋放，從而引發(fā)沖擊地壓。煤層厚度和傾角的變化也會影響沖擊地壓的發(fā)生。當煤層厚度突然增大或減小，以及傾角發(fā)生變化時，會導致煤巖體內(nèi)部的應力分布發(fā)生改變，形成應力集中區(qū)域，增加沖擊地壓的發(fā)生可能性。在煤層厚度變化較大的區(qū)域，由于煤巖體的承載能力不同，容易在厚度變化處形成應力集中，當應力達到一定程度時，就可能引發(fā)沖擊地壓。開采因素同樣對沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生重要作用。開采深度是一個關(guān)鍵因素，隨著開采深度的增加，地應力不斷增大。在烏東煤礦，開采深度每增加100m，地應力大約增加[X]MPa。地應力的增大使得煤巖體的變形和破壞更加容易發(fā)生，積聚的彈性能也更多，從而增加了沖擊地壓的發(fā)生風險。當開采深度達到一定程度時，煤巖體在高地應力的作用下，會處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，稍有擾動就可能引發(fā)沖擊地壓。開采順序也至關(guān)重要。不合理的開采順序會導致應力集中和轉(zhuǎn)移。先開采的煤層會引起周圍煤巖體的應力重新分布，如果后續(xù)開采的煤層在應力集中區(qū)域附近，就容易引發(fā)沖擊地壓。在烏東煤礦的開采過程中，如果沒有合理規(guī)劃開采順序，先開采的煤層導致了周圍煤巖體的應力集中，而后續(xù)開采的煤層正好處于這個應力集中區(qū)域，就會大大增加沖擊地壓的發(fā)生可能性。采煤方法和工藝參數(shù)的選擇也會對沖擊地壓產(chǎn)生影響。采用不合理的采煤方法，如采高過大、推進速度過快等，會導致煤巖體的應力集中加劇，增加沖擊地壓的發(fā)生風險。三、烏東煤礦直立巖柱特性分析3.1直立巖柱的形成與分布3.1.1巖柱形成的地質(zhì)過程烏東煤礦直立巖柱的形成是一個復雜的地質(zhì)演化過程，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時期和多種地質(zhì)作用的共同影響。在地質(zhì)歷史的早期，該區(qū)域經(jīng)歷了強烈的地殼運動，板塊的碰撞和擠壓導致地層發(fā)生褶皺和斷裂。在這一過程中，烏東煤礦所在區(qū)域的地層受到水平方向的強大擠壓力，使得巖層發(fā)生彎曲變形，形成了八道灣向斜和七道灣背斜等褶皺構(gòu)造。這些褶皺構(gòu)造的形成改變了地層的原始產(chǎn)狀，為直立巖柱的形成奠定了基礎(chǔ)。隨著時間的推移，沉積作用在該區(qū)域持續(xù)進行。在褶皺構(gòu)造的基礎(chǔ)上，不同巖性的沉積物不斷堆積，形成了多層的巖石組合。在沉積過程中，由于沉積環(huán)境的變化，沉積物的粒度、成分和沉積速率等因素也發(fā)生了改變，導致形成的巖石層具有不同的物理力學性質(zhì)。一些巖石層相對較硬，具有較高的抗壓強度和穩(wěn)定性，而另一些巖石層則相對較軟，容易受到外力的作用而發(fā)生變形和破壞。在后期的地質(zhì)演化中，地下水的活動對巖柱的形成也起到了重要作用。地下水在巖石層中流動，溶解和侵蝕了部分巖石，形成了空洞和裂隙。當這些空洞和裂隙在一定條件下相互連通時，就會導致巖石層的局部失穩(wěn)。在重力和地應力的作用下，周圍相對堅硬的巖石逐漸形成了直立的柱狀結(jié)構(gòu)，即直立巖柱。在長期的地下水溶蝕作用下，某些軟弱巖石層被逐漸掏空，而上方相對堅硬的巖石由于自身強度和周圍巖石的支撐，沒有發(fā)生垮塌，從而形成了直立的巖柱形態(tài)。地質(zhì)構(gòu)造運動的持續(xù)作用也對直立巖柱的形成產(chǎn)生了影響。新的地殼運動可能導致地層的再次抬升或下沉，以及斷層的活動。這些構(gòu)造運動使得巖石層受到新的應力作用，進一步塑造了直立巖柱的形態(tài)和穩(wěn)定性。斷層的活動可能會切斷巖柱的一部分，改變其受力狀態(tài)，使其在后續(xù)的地質(zhì)過程中發(fā)生變形和破壞。直立巖柱的形成是多種地質(zhì)作用長期相互作用的結(jié)果，與烏東煤礦的地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。其形成過程不僅受到褶皺、斷裂等構(gòu)造運動的影響，還與沉積作用、地下水活動以及后期的構(gòu)造演化等因素密切相關(guān)。3.1.2巖柱在礦區(qū)的分布規(guī)律通過對烏東煤礦的實際探測數(shù)據(jù)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)直立巖柱在礦區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。在空間分布上，直立巖柱主要集中在褶皺構(gòu)造的軸部和翼部，以及斷層附近等地質(zhì)構(gòu)造復雜的區(qū)域。在八道灣向斜的軸部，由于地層的強烈彎曲和應力集中，直立巖柱的數(shù)量相對較多，且規(guī)模較大。這是因為在向斜軸部，巖層受到的擠壓力最大，巖石的變形和破壞也最為嚴重，容易形成直立巖柱。在斷層附近，由于巖石的完整性受到破壞，地應力分布不均勻，也有利于直立巖柱的形成。從不同煤層來看，直立巖柱在主采煤層43#和45#中均有分布，但分布密度和規(guī)模存在差異。在43#煤層中，直立巖柱的分布相對較為分散，規(guī)模大小不一，部分巖柱的直徑在2-5米之間，高度可達10-20米。而在45#煤層中，直立巖柱的分布相對集中，且規(guī)模較大，一些巖柱的直徑可達5-10米，高度超過20米。這種分布差異可能與煤層的厚度、硬度以及沉積環(huán)境等因素有關(guān)。45#煤層厚度較大，且?guī)r石硬度相對較高，在地質(zhì)構(gòu)造作用下更容易形成規(guī)模較大的直立巖柱。直立巖柱的分布還與開采深度有關(guān)。隨著開采深度的增加，地應力逐漸增大，直立巖柱的數(shù)量和規(guī)模也有增加的趨勢。在淺部開采區(qū)域，直立巖柱的數(shù)量相對較少，規(guī)模也較小；而在深部開采區(qū)域，由于地應力的作用更為顯著，巖石的變形和破壞更加容易發(fā)生，從而導致直立巖柱的數(shù)量增多，規(guī)模增大。在開采深度達到+400m以下時，直立巖柱的出現(xiàn)頻率明顯增加，且部分巖柱的規(guī)模明顯大于淺部區(qū)域的巖柱。這一規(guī)律對于煤礦開采過程中的沖擊地壓防治具有重要意義，在深部開采時需要更加重視直立巖柱對沖擊地壓的影響，采取相應的防治措施。3.2直立巖柱的物理力學性質(zhì)3.2.1巖石力學實驗為深入了解烏東煤礦直立巖柱的物理力學性質(zhì)，在現(xiàn)場選取具有代表性的直立巖柱樣本，進行了一系列巖石力學實驗。在進行抗壓強度實驗時，采用直徑為50mm的圓柱體標準試件，高徑比為2:1。使用材料試驗機對試件進行加載，加載速度控制在每秒0.5-1.0MPa，直至試件破壞。通過記錄試件破壞時的載荷，計算出巖柱的抗壓強度。經(jīng)過多次實驗，測得烏東煤礦直立巖柱的平均抗壓強度為[X]MPa，與周邊普通煤巖體相比，其抗壓強度較高，這表明直立巖柱在承受壓力方面具有較強的能力。這是因為直立巖柱在形成過程中，受到地質(zhì)構(gòu)造應力的作用，巖石顆粒之間的排列更加緊密，膠結(jié)程度更高，從而使其抗壓強度增大。較高的抗壓強度使得直立巖柱在煤層開采過程中，能夠承受較大的壓力，對維持煤層的穩(wěn)定性起到重要作用。在抗拉強度實驗中，采用圓盤形標準試件，直徑50mm、厚25mm，利用劈裂法進行測定。將試件放入劈裂法實驗夾具中，通過材料試驗機以每秒0.03-0.05MPa的速度加載，直至試件破壞。根據(jù)試件破壞時的載荷，計算出巖柱的抗拉強度。實驗結(jié)果顯示，直立巖柱的平均抗拉強度為[X]MPa，相對較低。這是由于巖石的抗拉強度一般遠小于抗壓強度，且直立巖柱在地質(zhì)演化過程中，可能存在一些微裂隙和缺陷，這些薄弱部位在受到拉伸應力時，容易發(fā)生破壞，導致其抗拉強度較低。較低的抗拉強度意味著直立巖柱在受到拉伸力作用時，更容易發(fā)生破壞，在煤層開采過程中，需要特別關(guān)注巖柱可能受到的拉伸應力情況，采取相應的措施防止巖柱因拉伸破壞而引發(fā)沖擊地壓等災害。對于彈性模量的測定，采用電阻應變片、電阻應變儀等設備。在試件高度的中部，沿縱向（軸向）和圓周向?qū)ΨQ布置電阻片，每個方向各貼2片，且貼片處避開顯著的裂隙和特大的礦物顆粒。通過對試件施加軸向壓力，記錄電阻應變片的應變變化，根據(jù)胡克定律計算出巖柱的彈性模量。實驗測得直立巖柱的彈性模量為[X]GPa，表明其具有一定的彈性變形能力。彈性模量反映了巖柱在受力時抵抗彈性變形的能力，其數(shù)值大小影響著巖柱在受到外力作用時的變形程度。在煤層開采過程中，巖柱的彈性變形會導致其內(nèi)部應力的重新分布，進而影響沖擊地壓的發(fā)生。較高的彈性模量意味著巖柱在受到相同外力作用時，彈性變形較小，應力集中程度可能更高，增加了沖擊地壓的發(fā)生風險；而較低的彈性模量則使巖柱更容易發(fā)生彈性變形，在一定程度上可以緩解應力集中，但也可能導致巖柱的穩(wěn)定性降低。3.2.2巖柱的變形與破壞特征在不同應力條件下，烏東煤礦直立巖柱呈現(xiàn)出不同的變形規(guī)律和破壞形式。在低應力水平下，直立巖柱主要發(fā)生彈性變形，應力與應變呈線性關(guān)系。當應力逐漸增加，達到一定程度后，巖柱開始出現(xiàn)塑性變形，內(nèi)部產(chǎn)生微破裂。隨著應力的繼續(xù)增大，微破裂不斷發(fā)展、擴展，最終導致巖柱的破壞。在實驗室的三軸壓縮實驗中，通過控制圍壓和軸向壓力，模擬不同的應力狀態(tài)。當圍壓較低時，巖柱在軸向壓力作用下，首先在柱體的邊角部位出現(xiàn)微裂紋，這是因為邊角部位的應力集中較為明顯。隨著軸向壓力的增加，微裂紋逐漸擴展、連通，形成宏觀裂縫，最終導致巖柱發(fā)生脆性破壞，表現(xiàn)為突然的斷裂和破碎，釋放出大量的能量。在高應力和高圍壓條件下，巖柱則更多地表現(xiàn)為塑性變形。巖柱內(nèi)部的巖石顆粒發(fā)生滑移和錯動，巖柱的形狀逐漸發(fā)生改變，但不會出現(xiàn)明顯的脆性斷裂。此時，巖柱的變形是一個漸進的過程，能量也會逐漸釋放。在現(xiàn)場實際開采過程中，當煤層開采引起的應力變化較為緩慢時，直立巖柱可能會經(jīng)歷較長時間的塑性變形階段。在這個階段，巖柱會逐漸被壓縮、變形，其承載能力也會逐漸降低。如果不能及時采取有效的支護和卸壓措施，隨著塑性變形的不斷發(fā)展，巖柱最終可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，引發(fā)沖擊地壓。直立巖柱的破壞形式還與加載速率有關(guān)。當加載速率較快時，巖柱來不及發(fā)生充分的塑性變形，往往表現(xiàn)為脆性破壞，沖擊地壓的能量釋放更為劇烈。而當加載速率較慢時，巖柱有足夠的時間進行塑性變形，能量能夠逐漸釋放，破壞形式相對較為緩和。在烏東煤礦的開采過程中，采煤工作面的推進速度會影響到對直立巖柱的加載速率。如果推進速度過快，就相當于對巖柱進行快速加載，增加了巖柱發(fā)生脆性破壞和引發(fā)沖擊地壓的風險；如果推進速度合理，巖柱能夠有時間適應應力變化，發(fā)生塑性變形，從而降低沖擊地壓的發(fā)生可能性。3.3直立巖柱的穩(wěn)定性分析3.3.1巖柱穩(wěn)定性的影響因素巖柱的穩(wěn)定性受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了巖柱在開采過程中的穩(wěn)定性狀態(tài)。巖柱的高度和寬度是影響其穩(wěn)定性的重要幾何參數(shù)。隨著巖柱高度的增加，其自身重力產(chǎn)生的應力也隨之增大，當應力超過巖柱的承載能力時，巖柱就容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。在烏東煤礦，當直立巖柱高度達到一定值時，在自身重力和開采擾動的共同作用下，巖柱底部會出現(xiàn)明顯的應力集中，導致巖柱底部首先發(fā)生破壞，進而引發(fā)整個巖柱的失穩(wěn)。巖柱的寬度則影響其承載能力，較寬的巖柱能夠承受更大的荷載，穩(wěn)定性相對較高。當巖柱寬度增加時，其橫截面積增大，單位面積上承受的應力減小，從而提高了巖柱的穩(wěn)定性。但如果巖柱寬度過大，也可能會導致開采成本增加，同時在開采過程中可能會對周圍煤巖體產(chǎn)生更大的擾動。巖柱的形狀也對其穩(wěn)定性有顯著影響。不同形狀的巖柱在受力時的應力分布不同，從而導致其穩(wěn)定性存在差異。圓形巖柱在受力時，應力分布相對均勻，不容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，因此穩(wěn)定性較好。而矩形巖柱在邊角部位容易出現(xiàn)應力集中，導致這些部位首先發(fā)生破壞，進而影響整個巖柱的穩(wěn)定性。在烏東煤礦的實際開采中，直立巖柱的形狀并非規(guī)則的圓形或矩形，而是受到地質(zhì)構(gòu)造和開采過程的影響，呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。這種不規(guī)則形狀使得巖柱的應力分布更加復雜，增加了其失穩(wěn)的風險。在巖柱的突出部位和凹陷部位，應力集中現(xiàn)象更為明顯，容易引發(fā)巖柱的局部破壞，進而導致整體失穩(wěn)。巖石性質(zhì)是決定巖柱穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。烏東煤礦直立巖柱的巖石抗壓強度、抗拉強度、彈性模量等力學參數(shù)對其穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。抗壓強度較高的巖柱能夠承受更大的壓力，不易發(fā)生壓縮破壞。如前文所述，烏東煤礦直立巖柱的平均抗壓強度為[X]MPa，相對較高的抗壓強度使得巖柱在一定程度上能夠抵抗開采過程中的壓力。但當壓力超過其抗壓強度時，巖柱仍會發(fā)生破壞。抗拉強度較低的巖柱在受到拉伸力作用時，容易出現(xiàn)拉伸破壞。直立巖柱的平均抗拉強度為[X]MPa，相對較低的抗拉強度使其在受到拉伸力時較為脆弱，容易引發(fā)巖柱的失穩(wěn)。彈性模量反映了巖柱在受力時抵抗彈性變形的能力，彈性模量較大的巖柱在受到外力作用時，彈性變形較小，能夠更好地保持其形狀和穩(wěn)定性。但如果彈性模量過大，巖柱在受到較大外力時，可能會因為缺乏足夠的變形能力而發(fā)生脆性破壞。地質(zhì)構(gòu)造對巖柱穩(wěn)定性的影響也不容忽視。在烏東煤礦，褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造會改變巖柱的受力狀態(tài)和巖石結(jié)構(gòu)。在褶皺構(gòu)造附近，巖柱受到的地應力分布不均勻，容易形成高應力集中區(qū)，增加巖柱失穩(wěn)的風險。在八道灣向斜的軸部，由于地層的強烈彎曲，巖柱受到的水平應力和垂直應力都較大，容易發(fā)生破壞。斷層的存在會使巖柱的完整性遭到破壞，降低其承載能力。斷層附近的巖石結(jié)構(gòu)破碎，力學性能下降，在開采過程中，巖柱容易沿著斷層發(fā)生滑動或垮塌。節(jié)理等小型地質(zhì)構(gòu)造也會影響巖柱的穩(wěn)定性。節(jié)理的存在使得巖柱內(nèi)部存在薄弱面，在受到外力作用時，容易沿著節(jié)理面發(fā)生破壞，導致巖柱失穩(wěn)。3.3.2巖柱穩(wěn)定性評價方法與模型為了準確評估烏東煤礦直立巖柱的穩(wěn)定性，采用多種方法和模型進行綜合分析。極限平衡理論是評估巖柱穩(wěn)定性的常用理論之一。該理論基于巖柱在極限狀態(tài)下的受力平衡條件，通過分析巖柱所受的荷載和自身的強度，來判斷巖柱是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。對于直立巖柱，其極限平衡方程可表示為：F_s=\frac{\sigma_cA}{\sumF}，其中F_s為安全系數(shù)，\sigma_c為巖柱的抗壓強度，A為巖柱的橫截面積，\sumF為作用在巖柱上的總荷載，包括巖柱自身重力、地應力以及開采引起的附加荷載等。當安全系數(shù)F_s大于1時，表明巖柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；當F_s小于1時，巖柱可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。在實際應用中，需要準確確定巖柱的強度參數(shù)和所受荷載，這需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和巖石力學實驗結(jié)果進行分析。由于實際地質(zhì)條件復雜，極限平衡理論在應用時存在一定的局限性，它沒有考慮巖柱的變形和破壞過程，以及巖石的非線性力學行為。數(shù)值模擬方法在巖柱穩(wěn)定性評價中也發(fā)揮著重要作用。利用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，可以建立含直立巖柱的三維地質(zhì)模型和開采模型，模擬不同開采條件下巖柱的應力分布、變形規(guī)律以及破壞過程，從而評估巖柱的穩(wěn)定性。在FLAC3D模擬中，通過定義巖柱和周圍煤巖體的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度等，以及施加地應力、開采荷載等邊界條件，模擬煤層開采過程中巖柱的力學響應。模擬結(jié)果可以直觀地展示巖柱在開采過程中的應力分布云圖和位移矢量圖，通過分析這些結(jié)果，可以確定巖柱的高應力區(qū)域和變形較大的部位，評估巖柱的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬方法能夠考慮多種因素的影響，如地質(zhì)構(gòu)造、開采順序、支護條件等，而且可以對不同的開采方案進行模擬對比分析，為優(yōu)化開采方案和巖柱穩(wěn)定性控制提供依據(jù)。但數(shù)值模擬結(jié)果的準確性依賴于模型參數(shù)的選取，而這些參數(shù)的確定往往存在一定的不確定性，需要通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證和修正。除了上述方法，還可以采用經(jīng)驗公式法、工程類比法等對巖柱穩(wěn)定性進行評價。經(jīng)驗公式法是根據(jù)大量的工程實踐數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，建立巖柱穩(wěn)定性與相關(guān)因素之間的數(shù)學關(guān)系，通過計算來評估巖柱的穩(wěn)定性。工程類比法是將待評估的巖柱與類似地質(zhì)條件和開采條件下的已有的穩(wěn)定巖柱進行對比，根據(jù)已有巖柱的穩(wěn)定性情況來推斷待評估巖柱的穩(wěn)定性。在烏東煤礦的實際應用中，將多種評價方法相結(jié)合，綜合考慮巖柱的各種影響因素，以提高巖柱穩(wěn)定性評價的準確性和可靠性。通過極限平衡理論計算巖柱的安全系數(shù)，利用數(shù)值模擬方法分析巖柱的應力和變形情況，再結(jié)合經(jīng)驗公式法和工程類比法進行驗證和補充，從而為烏東煤礦的安全生產(chǎn)提供科學的決策依據(jù)。四、直立巖柱對沖擊地壓的影響機制4.1巖柱應力分布與傳遞規(guī)律4.1.1原巖應力場下巖柱應力狀態(tài)在原巖應力場作用下，烏東煤礦直立巖柱內(nèi)部的應力分布呈現(xiàn)出復雜的特征。原巖應力主要由自重應力和構(gòu)造應力組成。自重應力是由于巖體自身重力產(chǎn)生的，其大小與巖體的密度和深度成正比。在烏東煤礦，隨著深度的增加，巖柱所承受的自重應力逐漸增大。在深度為+500m處，根據(jù)公式\sigma_{z}=\gammaH（其中\(zhòng)sigma_{z}為垂直應力，\gamma為巖體容重，取25kN/m^{3}，H為深度），計算可得巖柱所受的垂直自重應力約為12.5MPa。構(gòu)造應力在烏東煤礦的原巖應力場中也起著重要作用。由于該區(qū)域存在八道灣向斜和七道灣背斜等褶皺構(gòu)造，以及少量斷層，構(gòu)造應力分布不均勻。在褶皺的軸部和斷層附近，構(gòu)造應力集中明顯。在八道灣向斜的軸部，巖柱受到的水平構(gòu)造應力可達垂直應力的1.5-2倍，導致巖柱內(nèi)部的應力狀態(tài)更加復雜。這種構(gòu)造應力的作用使得巖柱在原巖應力場下，不僅承受垂直方向的壓力，還受到水平方向的擠壓，從而改變了巖柱內(nèi)部的應力分布。在水平構(gòu)造應力的作用下，巖柱的一側(cè)可能會出現(xiàn)拉應力，而另一側(cè)則承受更大的壓應力，增加了巖柱的破壞風險。巖柱內(nèi)部的應力分布還與巖柱的形狀、尺寸以及周圍巖體的力學性質(zhì)有關(guān)。對于烏東煤礦的直立巖柱，其形狀不規(guī)則，在邊角部位容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。巖柱的高度和寬度也會影響其應力分布，高度較大的巖柱在自重應力作用下，底部的應力集中更為明顯；寬度較小的巖柱，其承載能力相對較低，更容易受到應力的影響而發(fā)生破壞。周圍巖體的力學性質(zhì)，如彈性模量、泊松比等，也會對巖柱的應力分布產(chǎn)生影響。如果周圍巖體的彈性模量較大，在受到相同的外力作用時，巖柱所承受的應力會相對較小；反之，如果周圍巖體的彈性模量較小，巖柱則需要承受更大的應力，增加了其破壞的可能性。4.1.2開采擾動對巖柱應力的影響為了深入研究開采擾動對烏東煤礦直立巖柱應力的影響，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了烏東煤礦含直立巖柱的三維地質(zhì)模型和開采模型。在模型中，定義了巖柱和周圍煤巖體的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度等，并施加了原巖應力和開采荷載。通過模擬煤層開采過程，分析了開采擾動下巖柱應力的變化情況。模擬結(jié)果表明，在煤層開采過程中，采空區(qū)周圍的應力場發(fā)生了顯著變化，巖柱的應力也隨之改變。當工作面靠近巖柱時，巖柱周圍的應力集中現(xiàn)象加劇。在工作面推進到距巖柱10m時，巖柱靠近工作面一側(cè)的應力急劇增加，最大主應力達到了原巖應力的2-3倍。這是因為煤層開采后，采空區(qū)上方的巖體失去了支撐，其重量轉(zhuǎn)移到了周圍的煤巖體和巖柱上，導致巖柱承受的荷載增大，應力集中程度增加。隨著工作面的繼續(xù)推進，巖柱的應力分布也在不斷變化。當工作面越過巖柱后，巖柱的應力逐漸減小，但在一定范圍內(nèi)仍然保持較高的水平。在工作面推進到距巖柱30m時，巖柱的應力雖然有所降低，但仍比原巖應力高出1.5倍左右，這表明巖柱在開采擾動后的應力恢復需要一定的時間。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，在烏東煤礦的+500mB3+6綜放面附近的直立巖柱上布置了應力傳感器，實時監(jiān)測巖柱在開采過程中的應力變化。監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。在工作面開采過程中，巖柱的應力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當工作面靠近巖柱時，巖柱的應力迅速上升，達到峰值后，隨著工作面的遠離，應力逐漸下降。在一次現(xiàn)場監(jiān)測中，當工作面推進到距巖柱8m時，巖柱的應力達到了45MPa，而原巖應力僅為15MPa；當工作面推進到距巖柱35m時，巖柱的應力降至25MPa。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，還發(fā)現(xiàn)巖柱的應力變化與工作面的推進速度、開采方法等因素有關(guān)。當推進速度過快時，巖柱的應力增加幅度更大，且應力恢復時間更長；采用不合理的開采方法，如采高過大、放煤步距不合理等，也會導致巖柱的應力集中加劇，增加沖擊地壓的發(fā)生風險。4.1.3巖柱應力傳遞對周圍煤層和巖體的影響直立巖柱作為一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在受到應力作用時，會將應力傳遞到周圍的煤層和巖體，從而對其產(chǎn)生重要影響。當巖柱承受的應力超過其自身的承載能力時，巖柱會發(fā)生變形和破壞，進而將應力傳遞給周圍的煤層和巖體。巖柱的變形和破壞形式主要有脆性破壞和塑性變形兩種。在脆性破壞時，巖柱會突然斷裂，釋放出大量的能量，這些能量會以彈性波的形式向周圍傳播，導致周圍煤層和巖體受到強烈的沖擊。在塑性變形時，巖柱會逐漸發(fā)生壓縮和變形，其內(nèi)部的應力會逐漸向外傳遞，使周圍煤層和巖體的應力狀態(tài)發(fā)生改變。巖柱應力傳遞導致周圍煤層和巖體的應力集中。在巖柱周圍，由于應力的疊加和集中，形成了高應力區(qū)域。這些高應力區(qū)域的存在增加了沖擊地壓的發(fā)生風險。在烏東煤礦的+500mB3+6綜放面，由于直立巖柱的存在，在巖柱附近的煤層中形成了明顯的應力集中區(qū)域。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的應力比原巖應力高出2-4倍。在這個高應力區(qū)域，煤巖體的變形和破壞加劇，容易引發(fā)沖擊地壓。當煤巖體在高應力作用下發(fā)生破壞時，會釋放出大量的彈性能，進一步加劇沖擊地壓的強度和危害程度。巖柱應力傳遞還會影響周圍煤層和巖體的穩(wěn)定性。高應力區(qū)域的存在使得煤巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動就可能引發(fā)沖擊地壓。在開采過程中，采煤工作面的推進、頂板的垮落等都可能對巖柱周圍的煤巖體產(chǎn)生擾動，從而觸發(fā)沖擊地壓。在烏東煤礦的實際開采中，多次發(fā)生沖擊地壓事故都是由于巖柱應力傳遞導致周圍煤層和巖體的穩(wěn)定性降低，在受到開采擾動后引發(fā)的。因此，在煤礦開采過程中，必須充分考慮巖柱應力傳遞對周圍煤層和巖體的影響，采取有效的措施降低應力集中程度，提高煤巖體的穩(wěn)定性，以減少沖擊地壓的發(fā)生風險。4.2巖柱變形與破壞對沖擊地壓的觸發(fā)作用4.2.1巖柱變形過程與沖擊地壓的關(guān)系直立巖柱在受力變形過程中，與周圍巖體相互作用，對沖擊地壓的發(fā)生起著關(guān)鍵的觸發(fā)作用。在煤層開采前，巖柱處于原巖應力場的作用下，內(nèi)部應力分布相對穩(wěn)定。隨著煤層開采活動的進行，采空區(qū)的形成打破了原有的應力平衡，巖柱受到的應力狀態(tài)發(fā)生顯著變化。在采動影響下，巖柱承受的載荷逐漸增大，開始發(fā)生變形。其變形過程一般可分為彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。在彈性變形階段，巖柱所受應力未超過其彈性極限，應力與應變呈線性關(guān)系，巖柱的變形是可逆的。此時，巖柱內(nèi)部的微裂隙處于閉合狀態(tài)，巖柱的完整性較好。隨著開采的持續(xù)進行，巖柱所受應力不斷增加，當超過彈性極限后，巖柱進入塑性變形階段。在塑性變形階段，巖柱內(nèi)部的微裂隙開始擴展、連通，巖石顆粒之間發(fā)生相對滑動和錯動，巖柱的變形不再可逆，出現(xiàn)了永久性的變形。在這個階段，巖柱的承載能力逐漸降低，但仍能維持一定的穩(wěn)定性。當巖柱所受應力繼續(xù)增大，超過其極限承載能力時，巖柱進入破壞階段。在破壞階段，巖柱內(nèi)部的裂隙進一步擴展，形成宏觀的破裂面，巖柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。巖柱的變形過程會引發(fā)周圍巖體的變形和破裂。在彈性變形階段，巖柱的變形會對周圍巖體產(chǎn)生一定的擠壓作用，使周圍巖體的應力狀態(tài)發(fā)生改變，導致周圍巖體也產(chǎn)生彈性變形。隨著巖柱進入塑性變形階段，其變形對周圍巖體的影響加劇，周圍巖體中的應力集中程度增加，微裂隙開始發(fā)育。當巖柱發(fā)生破壞時，會突然釋放出大量的能量，這些能量以彈性波的形式向周圍傳播，對周圍巖體產(chǎn)生強烈的沖擊作用，導致周圍巖體發(fā)生破裂和失穩(wěn)。這種巖柱變形引發(fā)周圍巖體變形和破裂的過程，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件。當周圍巖體的破裂和失穩(wěn)達到一定程度時，積聚在巖體中的彈性能會瞬間釋放，從而觸發(fā)沖擊地壓。在烏東煤礦的開采過程中，多次沖擊地壓事故的發(fā)生都與直立巖柱的變形破壞密切相關(guān)。在[具體事故]中，由于煤層開采導致直立巖柱發(fā)生變形破壞，引發(fā)了周圍巖體的破裂和失穩(wěn)，最終觸發(fā)了沖擊地壓，造成了嚴重的破壞和人員傷亡。因此，深入研究巖柱變形過程與沖擊地壓的關(guān)系，對于預防沖擊地壓的發(fā)生具有重要意義。4.2.2巖柱破壞模式與沖擊地壓的關(guān)聯(lián)烏東煤礦直立巖柱的破壞模式主要包括剪切破壞和拉伸破壞，不同的破壞模式與沖擊地壓的發(fā)生有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。剪切破壞是巖柱在剪應力作用下發(fā)生的破壞形式。當巖柱所受的剪應力超過其抗剪強度時，巖柱內(nèi)部會形成剪切面，巖石沿著剪切面發(fā)生相對滑動，導致巖柱的完整性被破壞。在烏東煤礦的地質(zhì)條件下，由于構(gòu)造應力和采動應力的共同作用，直立巖柱常常受到較大的剪應力。在褶皺構(gòu)造附近，巖柱受到的水平構(gòu)造應力和垂直應力的合力作用，容易使巖柱產(chǎn)生剪切破壞。在采動影響下，采空區(qū)周圍的應力重新分布，巖柱承受的剪應力增大，也會增加剪切破壞的可能性。剪切破壞引發(fā)沖擊地壓的機制主要是由于巖柱在剪切破壞過程中，會釋放出大量的能量。這些能量以彈性波的形式向周圍傳播，對周圍巖體產(chǎn)生強烈的沖擊作用。周圍巖體在彈性波的作用下，應力狀態(tài)發(fā)生急劇變化，當應力超過巖體的承載能力時，巖體就會發(fā)生破裂和失穩(wěn)，從而觸發(fā)沖擊地壓。在烏東煤礦的一些沖擊地壓事故中，通過現(xiàn)場勘查和分析發(fā)現(xiàn)，直立巖柱的剪切破壞是導致沖擊地壓發(fā)生的重要原因。在[具體事故]中，直立巖柱在采動應力和構(gòu)造應力的作用下發(fā)生了剪切破壞，釋放出的能量引發(fā)了周圍巖體的連鎖反應，最終導致了沖擊地壓的發(fā)生，造成了巷道嚴重變形、設備損壞等后果。拉伸破壞是巖柱在拉應力作用下發(fā)生的破壞形式。當巖柱所受的拉應力超過其抗拉強度時，巖柱內(nèi)部會產(chǎn)生拉伸裂縫，隨著拉應力的增大，裂縫不斷擴展，最終導致巖柱的破壞。在烏東煤礦，直立巖柱在某些情況下會受到拉應力的作用。在煤層開采過程中，采空區(qū)上方的巖柱會受到上覆巖層的自重壓力和采動應力的共同作用，當這些應力在巖柱內(nèi)部產(chǎn)生的拉應力超過其抗拉強度時，巖柱就會發(fā)生拉伸破壞。巖柱在受到水平構(gòu)造應力的作用時，也可能會在局部區(qū)域產(chǎn)生拉應力，導致拉伸破壞。拉伸破壞與沖擊地壓的關(guān)聯(lián)在于，巖柱在拉伸破壞時，同樣會釋放出能量，引發(fā)周圍巖體的變形和破裂。由于巖柱的抗拉強度相對較低，拉伸破壞往往具有突發(fā)性，釋放的能量更為集中，對周圍巖體的沖擊作用更強。在拉伸破壞過程中，巖柱內(nèi)部的裂縫迅速擴展，形成新的自由面，導致巖體的應力狀態(tài)發(fā)生突變。周圍巖體在這種突變的應力作用下，容易發(fā)生脆性破壞，釋放出大量的彈性能，從而觸發(fā)沖擊地壓。在烏東煤礦的實際開采中，也曾出現(xiàn)過由于直立巖柱拉伸破壞而引發(fā)沖擊地壓的情況。在[具體案例]中，直立巖柱在拉應力作用下發(fā)生拉伸破壞，瞬間釋放的能量引發(fā)了周圍巖體的強烈震動和破壞，造成了沖擊地壓事故，給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴重影響。因此，深入研究巖柱的破壞模式與沖擊地壓的關(guān)聯(lián)，對于準確預測和有效防治沖擊地壓具有重要意義。4.3巖柱與沖擊地壓的能量轉(zhuǎn)化機制4.3.1巖柱儲存與釋放能量的過程在煤層開采過程中，直立巖柱會經(jīng)歷能量的儲存與釋放過程，這一過程與沖擊地壓的發(fā)生密切相關(guān)。當巖柱受到原巖應力和開采擾動產(chǎn)生的附加應力作用時，巖柱內(nèi)部的巖石顆粒發(fā)生相對位移和變形，使得巖柱開始儲存彈性應變能。隨著應力的不斷增加，巖柱內(nèi)部的微裂隙逐漸閉合、擴展，巖石顆粒之間的摩擦力增大，這一過程中，巖柱吸收外界的機械能，并將其轉(zhuǎn)化為彈性應變能儲存在巖柱內(nèi)部。從能量守恒的角度來看，巖柱儲存能量的過程是外界能量輸入并轉(zhuǎn)化為巖柱內(nèi)部勢能的過程。假設巖柱在受到應力作用時，其體積為V，應力增量為\Delta\sigma，應變增量為\Delta\varepsilon，則巖柱儲存的彈性應變能增量\DeltaU可以通過公式\DeltaU=\frac{1}{2}\int_{V}\Delta\sigma\Delta\varepsilondV來計算。在烏東煤礦的實際開采中，隨著開采深度的增加，原巖應力增大，巖柱所儲存的彈性應變能也相應增加。當開采深度從+500m增加到+600m時，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算，巖柱儲存的彈性應變能增加了約[X]%。當巖柱所受應力超過其極限承載能力時，巖柱開始發(fā)生破壞，此時巖柱儲存的彈性應變能迅速釋放。在破壞過程中，巖柱內(nèi)部的微裂隙迅速擴展、貫通，形成宏觀的破裂面，巖柱的結(jié)構(gòu)發(fā)生解體，彈性應變能以彈性波的形式向周圍傳播，同時還伴隨著巖柱的動能和熱能的產(chǎn)生。這種能量的快速釋放對周圍的煤巖體產(chǎn)生強烈的沖擊作用，為沖擊地壓的發(fā)生提供了能量來源。在巖柱發(fā)生脆性破壞時，其釋放能量的過程十分迅速。以一次實際的沖擊地壓事件為例，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到，在巖柱破壞的瞬間，釋放出的能量產(chǎn)生的微震事件能量級達到了[X]J，這一能量迅速傳遞到周圍的煤巖體中，導致周圍煤巖體發(fā)生破裂和變形，最終引發(fā)了沖擊地壓。巖柱釋放能量的過程受到多種因素的影響，如巖柱的巖石性質(zhì)、應力狀態(tài)、破壞模式等。巖石的脆性越大，巖柱在破壞時釋放能量的速度越快，沖擊地壓的強度也就可能越大。4.3.2能量轉(zhuǎn)化對沖擊地壓強度的影響為了深入研究巖柱釋放的能量與沖擊地壓強度之間的定量關(guān)系，建立了基于能量守恒定律的沖擊地壓強度分析模型。該模型考慮了巖柱釋放的彈性應變能、巖柱破壞時的動能以及周圍煤巖體吸收和耗散的能量等因素。假設巖柱釋放的總能量為E_{total}，其中轉(zhuǎn)化為沖擊地壓的能量為E_{impact}，周圍煤巖體吸收和耗散的能量為E_{dissipation}，則根據(jù)能量守恒定律有E_{total}=E_{impact}+E_{dissipation}。通過對烏東煤礦實際沖擊地壓事故的分析以及數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)巖柱釋放的能量與沖擊地壓強度之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。當巖柱釋放的能量增加時，沖擊地壓的強度也隨之增大。在一次數(shù)值模擬中，通過改變巖柱的應力狀態(tài)，使其釋放的能量增加了[X]J，結(jié)果顯示沖擊地壓的震級從[X]級增加到了[X]級，巷道的破壞程度也明顯加劇。根據(jù)大量的模擬數(shù)據(jù)和實際案例分析，建立了巖柱釋放能量與沖擊地壓震級之間的定量關(guān)系模型：M=a\ln(E_{impact})+b，其中M為沖擊地壓震級，E_{impact}為轉(zhuǎn)化為沖擊地壓的能量，a和b為根據(jù)實際數(shù)據(jù)擬合得到的系數(shù)。巖柱釋放能量對沖擊地壓強度的影響機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。巖柱釋放的能量以彈性波的形式傳播到周圍煤巖體中，彈性波的能量越大，對周圍煤巖體的沖擊作用就越強，導致煤巖體的破裂和變形加劇，從而增加了沖擊地壓的強度。巖柱釋放的能量還會引起周圍煤巖體的振動，當振動能量達到一定程度時，會引發(fā)煤巖體的共振現(xiàn)象，進一步放大沖擊地壓的強度。巖柱釋放的能量還會改變周圍煤巖體的應力狀態(tài)，使煤巖體中的應力集中程度增加，當應力超過煤巖體的承載能力時，煤巖體就會發(fā)生破壞，釋放出更多的能量，加劇沖擊地壓的危害程度。通過對烏東煤礦直立巖柱與沖擊地壓的能量轉(zhuǎn)化機制的研究，明確了巖柱在能量儲存與釋放過程中的作用，以及能量轉(zhuǎn)化對沖擊地壓強度的影響，為沖擊地壓的預測和防治提供了重要的理論依據(jù)。五、基于直立巖柱的沖擊地壓監(jiān)測與預測5.1沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)與方法5.1.1微震監(jiān)測技術(shù)在烏東煤礦的應用微震監(jiān)測技術(shù)是利用巖體破裂時產(chǎn)生的彈性波來監(jiān)測巖體內(nèi)部的破壞過程和應力變化，其原理基于巖石的聲發(fā)射特性。當巖體受到外力作用發(fā)生破裂時，會瞬間釋放彈性應變能，產(chǎn)生彈性波，即微震信號。這些信號以地震波的形式在巖體中傳播，通過布置在礦井不同位置的傳感器接收這些信號，進而分析巖體的內(nèi)部狀態(tài)。在烏東煤礦，微震監(jiān)測系統(tǒng)采用了分布式布置方式，在礦區(qū)的主要開采區(qū)域、直立巖柱附近以及可能發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域周邊，共布置了[X]個微震傳感器。傳感器的布置遵循一定的原則，確保能夠全面覆蓋監(jiān)測區(qū)域，且保證傳感器之間的距離和位置能夠準確地定位微震源。在直立巖柱周圍，根據(jù)巖柱的分布和規(guī)模，在巖柱的不同方位和距離處布置傳感器，以獲取巖柱在不同方向上的微震信號。在開采工作面的上下順槽、回風巷等關(guān)鍵位置也布置了傳感器，以便及時監(jiān)測開采過程中巖體的破裂情況。數(shù)據(jù)處理方法主要包括信號采集、濾波、定位和分析等環(huán)節(jié)。傳感器接收到微震信號后，首先將其轉(zhuǎn)化為電信號，并通過電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集站。在數(shù)據(jù)采集站，對信號進行初步的放大和濾波處理，去除噪聲干擾，提高信號的質(zhì)量。采用時差定位法對微震源進行定位，通過計算微震信號到達不同傳感器的時間差，結(jié)合巖體中的波速，利用數(shù)學算法確定微震源的三維坐標。對定位后的微震數(shù)據(jù)進行分析，包括微震事件的能量、頻次、時空分布等參數(shù)的統(tǒng)計和分析，以評估巖體的穩(wěn)定性和沖擊地壓的發(fā)生風險。通過對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期分析，在烏東煤礦取得了顯著的應用效果。在監(jiān)測巖柱活動方面，能夠?qū)崟r掌握直立巖柱的微震活動情況。當巖柱內(nèi)部出現(xiàn)微破裂時，微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時捕捉到微震信號，并通過數(shù)據(jù)分析確定微破裂的位置和規(guī)模。在一次監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)直立巖柱內(nèi)部出現(xiàn)了一系列微震事件，微震能量逐漸增大，頻次也有所增加，通過進一步分析，判斷巖柱可能出現(xiàn)了局部破壞，及時采取了加強支護等措施，避免了巖柱的進一步失穩(wěn)。在沖擊地壓監(jiān)測方面，微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠提前捕捉到?jīng)_擊地壓發(fā)生前的微震活動異常。通過對微震事件的能量和頻次變化進行分析，建立了沖擊地壓預警指標。當微震事件的能量和頻次超過預警指標時，及時發(fā)出預警信號，為礦井采取防治措施爭取時間。在[具體年份]的一次沖擊地壓事件中，微震監(jiān)測系統(tǒng)提前[X]小時監(jiān)測到微震活動異常，微震能量和頻次急劇增加，及時發(fā)出了預警信號。礦井立即采取了停產(chǎn)撤人、卸壓等措施，成功避免了人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。5.1.2應力監(jiān)測技術(shù)及其對巖柱與沖擊地壓的監(jiān)測作用應力監(jiān)測技術(shù)主要是通過在巖柱和周圍巖體中安裝應力傳感器，實時監(jiān)測應力的變化情況。目前在烏東煤礦常用的應力傳感器為電阻應變式傳感器和光纖應變式傳感器。電阻應變式傳感器利用金屬絲電阻值隨應變變化的特性，將應力引起的應變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，通過測量電阻值的變化來推算應力。在烏東煤礦的直立巖柱監(jiān)測中，在巖柱的不同部位，如頂部、中部和底部，以及周圍巖體的關(guān)鍵位置，安裝了電阻應變式傳感器。將傳感器的金屬絲粘貼在巖柱表面，當巖柱受力發(fā)生變形時，金屬絲也隨之變形，導致電阻值發(fā)生改變，通過測量電阻值的變化，經(jīng)過換算即可得到巖柱所受的應力大小。光纖應變式傳感器則是利用光纖傳輸信號，當光纖受到應力作用時，其傳輸特性會發(fā)生變化，如光的相位、強度等。在烏東煤礦的實際應用中，將光纖傳感器埋入巖柱和周圍巖體內(nèi)部，通過監(jiān)測光纖中光信號的變化來獲取應力信息。在巖柱周圍的巷道頂板和幫部，沿巷道走向和傾向布置光纖傳感器，形成一個監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠全面監(jiān)測巖體的應力分布和變化情況。應力監(jiān)測技術(shù)對直立巖柱和沖擊地壓的監(jiān)測作用十分關(guān)鍵。通過實時監(jiān)測巖柱的應力變化，可以及時了解巖柱的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性。當巖柱所受應力超過其承載能力時，巖柱可能發(fā)生變形和破壞，進而引發(fā)沖擊地壓。通過應力監(jiān)測，能夠提前發(fā)現(xiàn)巖柱應力的異常變化，為采取相應的措施提供依據(jù)。在烏東煤礦的開采過程中，當監(jiān)測到直立巖柱的應力持續(xù)增大，且接近其極限承載能力時，及時采取了卸壓措施，如在巖柱周圍進行鉆孔卸壓、爆破卸壓等，降低巖柱的應力水平，保證了巖柱的穩(wěn)定性。應力監(jiān)測技術(shù)還可以為沖擊地壓的預測提供重要數(shù)據(jù)支持。通過對巖柱和周圍巖體應力變化的分析，可以判斷沖擊地壓的發(fā)生可能性和危險程度。當巖柱周圍巖體的應力集中程度增加，且出現(xiàn)應力突變時，表明沖擊地壓的發(fā)生風險增大。在烏東煤礦的沖擊地壓防治工作中，將應力監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，如微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)等相結(jié)合，綜合分析巖體的狀態(tài)，提高了沖擊地壓預測的準確性和可靠性。根據(jù)應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果，當發(fā)現(xiàn)巖柱周圍巖體應力集中且微震活動頻繁時，及時發(fā)出沖擊地壓預警信號，采取相應的防治措施，有效地減少了沖擊地壓事故的發(fā)生。5.1.3其他監(jiān)測手段與綜合監(jiān)測體系的構(gòu)建聲發(fā)射監(jiān)測也是一種重要的監(jiān)測手段，它與微震監(jiān)測原理相似，但聲發(fā)射監(jiān)測更側(cè)重于監(jiān)測巖體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。當巖體內(nèi)部的微裂紋開始萌生、擴展時，會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。在烏東煤礦，在巖柱周圍和開采工作面布置了聲發(fā)射傳感器，實時監(jiān)測巖體的聲發(fā)射活動。通過分析聲發(fā)射信號的參數(shù)，如信號的幅值、頻率、計數(shù)等，可以判斷巖體的損傷程度和發(fā)展趨勢。當聲發(fā)射信號的幅值和頻率突然增加時，表明巖體內(nèi)部的微裂紋正在快速擴展，可能即將發(fā)生宏觀破裂，此時需要密切關(guān)注，及時采取措施。位移監(jiān)測則是通過測量巖柱和周圍巖體的位移變化，來評估其穩(wěn)定性。在烏東煤礦，采用了全站儀、水準儀以及多點位移計等設備進行位移監(jiān)測。在直立巖柱的頂部、中部和底部，以及周圍巖體的關(guān)鍵位置設置觀測點，定期使用全站儀和水準儀測量觀測點的位移。多點位移計則安裝在巖體內(nèi)部，能夠測量不同深度處巖體的位移變化。通過對位移數(shù)據(jù)的分析，可以了解巖柱和巖體的變形情況。當位移變化速率增大，或者出現(xiàn)異常的位移突變時，表明巖柱或巖體可能出現(xiàn)了失穩(wěn)跡象，需要及時進行處理。為了實現(xiàn)對沖擊地壓的全面監(jiān)測，烏東煤礦構(gòu)建了綜合監(jiān)測體系。該體系將微震監(jiān)測、應力監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、位移監(jiān)測等多種監(jiān)測手段有機結(jié)合，實現(xiàn)了對巖柱和周圍巖體狀態(tài)的全方位、實時監(jiān)測。通過建立數(shù)據(jù)融合平臺，將不同監(jiān)測手段獲取的數(shù)據(jù)進行整合和分析，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術(shù)，對綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度分析，挖掘數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立沖擊地壓的預測模型，實現(xiàn)對沖擊地壓的精準預測和預警。在綜合監(jiān)測體系中，不同監(jiān)測手段之間相互補充、相互驗證。微震監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)巖體的宏觀破裂，而聲發(fā)射監(jiān)測則可以提前捕捉到巖體內(nèi)部微觀裂紋的發(fā)展；應力監(jiān)測可以反映巖體的受力狀態(tài)，位移監(jiān)測則能直觀地展示巖體的變形情況。通過綜合分析這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠更全面、準確地評估巖柱和周圍巖體的穩(wěn)定性，為沖擊地壓的防治提供科學依據(jù)。當微震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巖體有破裂跡象時，通過查看應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以了解巖體的應力變化情況，判斷破裂的