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冲击矿压与震动的机理及预报研究 中国矿业大学 窦林名 何学秋 王恩元 重 庆 大 学 曹树刚 摘要 本文分析了煤矿冲击矿压与矿山震动之间的关系,提出了矿山震动的机理及震 动模型,给出了矿山震动中心的定位方法以及矿山震动能量的计算方法。在此基础上,提出 了冲击矿压危险性评价与预测预报的微震法。实践检验结果,证明效果良好。 关键词 冲击矿压 震动 危险性评价 预报 1 震动与冲击矿压 从煤矿发生的动力现象震动来看,岩体中发生的震动都是由于地下开采引起的,是岩体 断裂破坏的结果。从记录的地震图来看,震动发生的时间很短,从几秒到几十秒,震动传播 的距离有长有短。有些震动传播的距离很远,强烈的在地表都能感觉到。 冲击矿压是煤岩体中聚积的弹性能震动动力释放、动力冲击造成的。冲击矿压可能出现 在震动中心。若在震动中心没有发生动力过程,则不会在震中发生冲击矿压,而在有动力过 程的地点发生。即冲击矿压的地点可能是震动中心,也可能是发生在距震中很远的地方。因 此震动和冲击矿压的基本关系为 1冲击矿压是矿山震动的事件集合之一;2冲击矿压是岩体震动集合中的子集; 3每一次冲击矿压的发生都与岩体震动有关,但并非每一次岩体震动都会引发冲击矿压。 图1 冲击矿压和震动的次数 与震动能量级之间的关系 从冲击矿压与岩体震动的关系来看,发生 冲击矿压的最低能量为1E03J,大部分是从 1E05J开始的。在能量级别为1E06J 时,发生的 冲击矿压最多。但并非每次1EJ的震动都有冲 击矿压发生。 图1表示发生震动、 冲击矿压发生 的次数与震动释放的能量级之间的关系。 2 震动发生的机理 在开采应力影响下,岩体的弹性特性决定 使机头下降,机器越上调,下沉越严重,最后任其下沉,达极限后再慢爬坡进行。 6进行地质编录工作困难,后盾后底部仅有 3m 2 的开口暴露处。所以在机械运行中,无 法判断围岩情况。 作者简介 贾春年, 1964年生。1985年毕业于阜新矿业学院采矿系, 1988年考入中国矿业大学研究生部学习,研究 方向为矿山压力。曾从事煤矿安全培训教学等工作,现在山西引黄工程任施工监理工程师,已发表论文多篇。 收稿日期1999- 01- 06;责任编辑晓南 991矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 着岩体的动态变化,而且与岩体的震动参数相关。图2表示了几种由于采矿引发的震动。 图2 由采矿引发的断裂和震动模型 211 震动位移方程 地震波源是某个封闭的区域,其内部为非弹性变形,外部只有地震波传播。如果是在距 波源较远,如大于几个波长的地方,则可将该波源的区域处理为点。图3为地震波的点源模 型。 图3 地震波的点源模型 在这种情况下,岩石介质中的 弹性波在作用力ft的作用下,从 零t 0 迅速增加到稳定值。如该 力作用x轴方向,这时,当t≥0时, 位移场x,y,z方向可由下式表 示 u 1 4Π Θ 5 2 -7 5x 2 27 Τ 1 4Π Θ 5 2 -7 5x5y 1 w 1 4Π Θ 5 2 -7 5x5z 式中 Θ密度; ,7球形波函数; 1 r Ft- r ΤΑ 7 1 r Ft- r ΤΚ 2 Ft是与力源f t的变化有关的函数。 ft d2Ft dt2 3 借助上式,可分析在震源不同力系的作用情况。考虑波源的发射特征,并通过地震观察 确认,地震学中最常用的是双力带力矩的模型。用Mt代替ft , 远波场中不考虑1r2、 1r3,并用球形坐标r,, 表示,则 纵波 ur 1 4Π Θ 1 Τ 3 Α 1 rM ’t- r ΤΑ sin 2 sin2 横波 u 1 4Π Θ 1 Τ 3 Β 1 rM ’t- r ΤΒ sin cossin24 横波 u 1 4Π Θ 1 Τ 3 Β 1 rM ’t- r ΤΒ sin sin2 由上式可见,对于纵波和横波,其位移场是变化的。存在两个相互垂直的平面,一是断 002 1999.№3- 4 矿山压力与顶板管理 层的剪切面,一是垂直于断层面的法向面,在该两个平面上,纵波的振幅为零。纵波的最大 振幅在 45,向外为正,向内为负。而横波却恰好旋转了45 。图4为双力带力矩的模型 的震动纵横波位移图。 图4 双力带力矩的模型的震动纵横波位移图 212 震动中心位置的确定 矿山微震观测的主要任务之一是确定震动中心的位置。而岩体震动中心位置的确定主要 是根据微震网各个观测站观察、记录到的地震波为基础的。采矿中,确定矿山震动中心位置 的近似方法主要有 强度法。以人的感觉或环境破坏的程度,作出等震线,其最高值的中心即为震动源。 方位角法。在微震观测中,布置两个三维地震仪观测站,根据地震波纵波首次进入的 振幅,来预计其运动方向和近似确定中心位置。 震动中心定位法有 1纵横波首次进入时间差法。根据纵横波传播时间的不同,而确定其中心位置。即 ts-tps ΤΑ-ΤΒ ΤΑ-ΤΒ 5 式中 ts,tp横波,纵波的首次进入时间;ΤΒ,ΤΑ横波,纵波的传播速度; s震源到观测站的距离。 2纵波首次进入时间法。根据纵波从震动中心传播到各个观测站首次进入时间的不同, 确定震动中心的位置。即 siΤΑti-t06 式中 si震源到i个观测站的距离;t0震动发生的时刻;ti纵波首次进入第i个观 测站的时间。 3相对定位法。即在震源附近,采用人工激发如炸药爆炸等的方法,进行修正,以 便精确定位。 213 震动能量的估算 1Gutenberg- Richter法。根据质点的振动传播理论,并认为质点以正弦的形式振动, 则其能量可由下式计算 E 2Π 3Θ Τ kr 2ekrA kfk 2Σ k 7 式中 Σ波组的持续时间;A, f波的振幅和频率;Θ地震波的阻尼系数; k表示纵波或横波; 102矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 r距震中的距离。 2能量密度法。根据观测点测量的能量密度来计算震动能量。认为,震动能量可由某 个封闭球表面的能量密度参数来计算。即 Εr 2Π 3Θ 2Τ kAkfk 2Σ k8 ΕR ΕrFr Fr 2 r 2ner 2 r - 1 如取球半径R 500m ,从震源释放的能量为 E 106Π ΕrFr9 3震动持续时间法 logEBlogtF10 tL2-L1 式中 L1震动波进入的时间;L2震动波结束的时间。 4地震图积分法 E 4Π Θ Τkr2er ∫ t2 t1 Τt 2dt 11 式中 Τt振动速度; t1,t2i波组的时间间隔。 5里氏震级法 logEaBlogML12 3 冲击矿压危险性的评价 311 指标的选取 对冲击矿压的危险性评价,主要是根据矿山震动能量的大小进行。其选用的指标如下 1发生的某个能量等级的能量E和最大能量Emax ; 即e1 logE , e2 logEmax ; 2 5m 推进度内平均释放能量总和∑E5,e3 log∑E5; 3振动卸压放炮激发的能量Estrz , e4 logEstrz ; 4巷道中的震动后果观察; 5 5m 推进度的总平均能量∑E 5 与推进 5m 释放的总能量∑Esr 5 之比, e5 2E5 2Esr5 312 冲击矿压危险状态的评价 采掘工作面冲击矿压的危险性及危险性预报可由下式来进行 Λs∨ n i 1{Λ eiei } 13 其中 当 ai≤eibi时 Λeiei ei-ai bi-ai 14 当 eiai时 Λeiei 0 当 ei≥bi时 Λeiei 1 式中 ai,bi系数,根据是采面还是巷道及采用的支护方式,采煤方法等来确定。图5表 示了采用微震法对某矿535b垮落法工作面、535a充填法工作面、535a切眼及535a风巷的冲 202 1999.№3- 4 矿山压力与顶板管理 击矿压危险性评价的危险状态值。结果表明,其危险性评价及防治的效果良好。 图5 冲击矿压危险性的变化情况 -- 535a面;-■- 535b面;-▲- 535a斜巷;-- 535a切眼 4 总结与结论 1岩体中发生的震动都是由于地下开采引起的,是岩体断裂破坏的结果。 2每次发生冲击矿压都与岩体震动有关,但并不是每次岩体震动都会引发冲击矿压。 3岩体中力作用的结果,将产生两种变形,以两种不同的波,即纵波和横波,波速为 ΤΑ和 ΤΒ传播。 参考文献 1 Konopko WStan o przyczyny zagrozenia tapaniam i w kopalniach wegla kam iennego Gornoslaskiego zaglebia we2 glowego. Bezpieczenstwo Pracy w Gornictw ie, No.3, 1984 2 徐芝纶.弹性力学.人民教育出版社, 1983 3 M arcak H. , ZuberekW. M.Geofizyka gornicza.STW , Katow ice, 1994 4 DubinskiJ. M etoda sejsmologii gorniczej-podstawy pom iarowe i interpretacyjne. W iadomosci, No.5, 1997 5 Dou L inm ing, B.Drzezla.Zmodyfikowana kompleksowa metoda oceny stanu zagrozenia tapaniam iw kopalniach wegla kam iennego. Przeglad Gorniczy, No.11, 1998 6 Dou L inm ing.modyfikacja klasyfikacji stanow zagrozenia tapaniam iw kopalniach wegla.Praca Doktorska, U ni wersity Silesia, 1998 收稿日期1999- 07- 20;责任编辑尤里 作者简介 窦林名, 1963年生,中国矿业大学副教授,博士。1986年毕业于中国矿业大学,获硕士学位。1994年至 1998年在波兰西里西亚工业大学进修学习,获博士学位。从事矿山压力,冲击矿压的预测预报、危险性评价及防治,采场 控制设计,顶板灾害防治,支护质量与顶板动态监测,采矿地球物理方法等方面的研究与实践工作。完成支护质量与顶 板动态监测 、 冲击地压危险性评价等科研课题多项,发表论文20多篇,参加中国煤矿采场围岩控制等书的编写工 作。 302矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 top cavingm ining to more complicated geolog2 ical conditions . The stability control of support at top caving face with steep seamW u Yongping etc . The paper analyzes factors effecting on stability of support at top caving face w ith steep seam , then proposes stability control measures of individual sup2 port and support system at coal face, finally one suc2 cessful case is demonstrated. The analysis of ground pressure of longwall top coal caving face with soft surrounding rock W ang Bo etc . A ccording to the field investigation at Dayang coal m ine,the paper describes behavior of ground pressure of longwall top coal caving facew ith soft sur2 rounding rock and movement of overlying strata. The i mprovement of working characteristic of top caving supportZhaiXingxian etc . The paper introduces a new top caving support adopted at Changcun coalm ine, and describes the fea2 tures of practical working resistance and working characteristic of the support. The discussion oflonwall top caving m in ing with pillarlessYang Runquan etc. XinjiNo.1 coalm ine is a new modern coalm ine featuring shorter constructing ti me,less investment and high efficiency. M ore than one thousand tonnes coal have been m ining out since production. One i m2 portant measure conducted in the production is to re2 duce the coalpillar in order to get higher rate of recov2 ery. Thispaper describes consequent problem s such as ground pressure, ground water and gas due to pillar2 less extraction.The production show s that the mea2 sures adopted in XinjiNo.1 is successful in overcom2 ing the problem smentioned above. Bolt- mesh support techn ique for roadway in top caving faceCheng Xuewei etc . Based on both numerical and physical si mulation, this paper analyzes the distribution of stresses , defor2 mation and failure of gateway in top caving face. Tak2 ing 2307 face at Badin coalm ine as an example, the paper also discusses the gateway layout along stope, gateway design and support.The experience show s the bolt- mesh support for gateway is a favorite one. The dynam ic behaviour of the rock surrounding roadway using bolt supportL iuM ingdong etc . The paper introduces the experi ment using bolt to support the gateway located in coal seam in 11061 face at Guohaishan coal m ine.The convergence of gateway, movement of surrounding rock of gateway, stress distribution along bolt and force acting on bolt plate are discussed in detail, which is helpful for gate2 way support design at si m ilar geological conditions . Application of pre-stressed long bloting Hao Haijing etc . The m ixed support of initial cut of coal face w ith 12m span using both bolting and pre-stressed long bolting show s that pre-stressed bolt is powerful in some special geological conditions, featuring quick in2 stalling, more quarantee and low cost. Support techn ique of inclined shaft crossing sur- face watering soilGou Panfeng etc . The paper reports the support technique of in2 clined shaft crossing surface soilw ith swelling andwa2 tering, in this case the stability of whole support sys2 tem is key factor for successful control . The engineering geological features of Jurassic red rock and shafting techn iqueinitM eng Xinghua etc . The shafting at Deizoung coal m ine w ill cross Jurassic soft red rock.The paper discusses the engi2 neering geological featuresof Jurassic red rock accord2 ing to the drilling and field investigation, analyzes the mechanical properties of the rock and softening fea2 tures of the waterishlogged rock effecting onthe shafting. The mechan is m of rock burst and seis m ic waves and its preventationDou L ingm ing etc . The paper analyzes the relation between m ine burst and seism ic waves,proposes a mathematical model to describe it.A ccording to this model,the center of m ine burst can be located and energy of burst can be calculated.The technique of uation and predication for rock burst also discussed in the pa2 per, which was been conducted in underground prac2 tice uation of tendency inds of coal or rock burstW ang Hongtu etc . The paper summarizes recent research and devel2 opment on coalor rock burst nationw ide, and review s tendency inds of m ine burst adopted in engineer2 ing. D iscussion on indeterm inacy in m in ing engineer- ing and its applicationW ang Jiacheng M ining engineering is a big engineering of rock excavation, in which there are a lot of factors can not be exactly determ ined, such as strength of rock, dis2 tribution of faults and fissures, thicknessof rock stra2 tum etc.In order to uate the quality ofm ining en2 gineering properly, the indeterm inacy has to be taken into account in the design, and relative philosophy for uation and index system should be set up. 姜跃东 译