围岩-煤体 系统失稳破坏及冲击地压预测的探讨.pdf

攀2 卷第6 勰 2 0 0 0 年1 1 月 中基矿妲大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r t yo t M i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o t ．2 9N o ．6 N O V ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 0 ～1 9 6 4 2 0 0 0 0 60 6 3 3 ．0 4 “围岩一煤体“ 系统失稳破坏及 冲击地压预测的探讨 李新元 开滦集翊公司技术中心，河北唐山0 6 3 0 0 0 摘要根据“嘲岩一蝶体”系统表开采迁程中力学结构和力学状况的运动变化特征，分析了顶槭岩 髌时壤体缓慢如载和瞬耀加载的睡释非罔方式，研究了媾阏加裁鲢“爨岩一壤体”系统蚨稳定状态 到失去稳定的物理、力学过程。提出了冲击地压发生的判别准则，在现场取得了较为成功的应用． 关键镯净击鲍匾；蘸鏊；系统失稳f 鞭测 中图分类号；T D3 2 4文献标识码A 冲击地压是煤矿生产中遇到的严重灾害之一． 随着开采深度的不断增加和开采范嗣的日益扩大， { 唾I 击媲压蟪危害睡趋严重，势已或海我髫煤矿生产 中亟待解决的岩石力学研究课题．目前，国内外关 予冲蠢缝燕发生鹃杌琏主要有强度理论、能爨理 论、刚度理论、冲遗倾向理论、煤岩失稳理论等[ “， 这些理论从各个角度对冲击地压的发生进行了探 | 孝，毽舞存在摄太是袋缝嘲，不毙滚足褒爨跨齑戆 压预测与防治的要求，不能对冲击地压可能发雄的 丑寸蠲和位登做出淹董判断．尽管有鹩理论给糖了 数学辩析式，但由于参数难予获得，从而无法应用． 其主要原因为1 “围岩一煤体”是一个力学系统， 存在瀑岩秘矮l 俸两转赍囊，每一种奔曩静失稳都可 能引起系统失稳，丽上述理论大多仅研究了煤体失 稳对系统失稳的彩晌，投有或很少研究萄岩失稳的 条件及其对系统失稳的作用；2 “强岩一煤体”鬟统 在采场推进时处于动态变化之中，上述理论则未研 究萁力学拭态静变拖及其对冲击戆压发生魏影响， 本文根据“嘲岩一煤体”豢统在开采过程中的运动变 化特征，分析了潜岩对煤俸酌加载作用方式，研究 了系统扶稳定到失去稳定的物理力学过程，提嫩了 冲击地压发生的判别准则，在现场取得了成功的应 耀。 1Z 作磷开采过程中煤体的夹持作用 在一定的采场空间内，开采前煤岩体结构承受 原始应力的佟用，包括由自重引起的自重虞力、构 造活动引起的构造应力、采空区内煤糟几何形状及 挂凌不均匀；l 起熬缭掏应力，以及出子地骥睡史形 成在采空区煤岩体内残存的应力，这般都构成了煤 岩体的淼始应力水平，是煤岩体失稳薇坏的应力蒺 础。 随着工作面的开采，柱图1 a 所示的采场中，煤 搭还将受到怒藤支承压力妁痒耀≤趣线1 ，瓣鞋￡ 巷也将受到侧向支承压力的作用 曲线2 ．侧向支 承压力与超前支承蕊力稽互迭加，造成工作面上蒋 比下巷的应力集中襁度意． 在原始应力和采动应力作用下，较坚硬的顶底 板霹将潆薄夹拷。攥搏夹掩翟礴了深郄堞侮蠡身绶 煤体一围糟交界处的卸载变形，使煤体更加压实，承 受甍高的压力，积聚较多的弹性能． 沿走向方向，如图1 b ，受坚硬顶擞悬爨下沉作 用。煤体将被爽持．患顶越长，夹持力越大，系统聚 积鹣弹瞧撬越走。 沿倾斜方向，离采场煤壁越近，夹持力越大，反 之蘸小，如Ⅲ一Ⅱ割蠲眈Ⅱ一Ⅱ剖面夹持力小．在煤 壁边缘，形成松驰区C ，极限应力平囊区B 朔弹性 区A ，如图1 “极限应力平衡区是支承压力超过煤 静抗压强度蘑形戒静，毽宅不其备嶷銮软纯静特 点，而是随着坚硬顶扳的爽持、腹力的增高，其弹臆 性也随龙增加，并积聚弹饿能． 收糯日期} 2 0 0 0 ⋯0 42 1 作者蔫赍，孝囊蠢 1 s 5 。 ，男，帮她喾毒诧帝人。拜潦 襄曩 骞壤责任公司技术中心嘉级工程帮，工学硬士，扶事矿出压力强其控裁瓣 靠 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 { “ 图1支承压力分布与煤搏爽持 F i g ．1A h u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a n dc o a l b e dh o l d i n g 坚硬顶板发生断裂时，表现为弹性基础板的 “反弹”与“压缩““，煤体的炙持作用降低，围岩一煤 俸两静摩擦系数减小，煤体涪层萄卸载、移动的麓 力增强，并释放积聚的弹性艉。 2“围岩一煤体”系统失稳破螺的枫理与冲 击地压的发生 2 ．1 围浩的加载方式 在超前成力影响范围内，煤体应力将随坚硬顶 菝静蠲韵往断餮弼发麟变幸l ．如匿2 所忝，隧着工 作霹推遴，任意一点Ⅳ的应力淤羞热线a ；增大，当 顶扳断裂时，围岩释放的能鼍作用在煤体上，Ⅳ点 爨2 任意一点_ Ⅳ瓣皮先变化 F i g ．2 V a r i a t i o no fs t r e s sa tp o i n tNa sn f u n c t i o no f 是e ∥sa d v a n c i n gd i s t a n c e 豹瘗为瞬蠲舞褰 魏6 ，莰 ，赫裂过程绩索嚣，波力 下降；随黄继续开采，Ⅳ点皮力淤曲线n 增大，直 至断裂，以此类推．m ，啦砘曲线的曲率P 不同n ， R 。 R 。 ⋯，瞬间加载幅值b 的变纯为b 。 6 2 1 ． 式中；8 2 u 为系统势能的二次变分；△E 为变形系统 在失稳过程中所释放的能量 未考虑外力所做的 功 ，△E A E Y A E M ；A G 为煤 岩 体发生动态破 裂、滑移等损耗的能量；一为顶板岩体内的最大拉 应力；足为岩体的抗拉强度． 式 4 中，前2 式为冲击地压发生的充分条件， 第3 式为冲击地压发生的必要条件． “围岩一煤体”系统失稳破坏的充分必要条件准 确地描述了在采场推进过程中围岩、煤体的力学结 构和力学状态的运动变化特点，具有共同的物理基 础和力学基础．充分条件描述了煤体在应变软化区 内系统的失稳，这个过程是瞬间完成的，因此冲击 地压具有突然爆发的特点．充分条件还说明了冲击 地压发生的条件已经充分满足，因而人们不能根据 充分条件对冲击地压进行预测预报．必要条件则描 述了顶板岩层的断裂失稳及其对“围岩一煤体”系统 的作用．它可以解决以下问题1 顶板断裂步距、 断裂位置可通过数值模拟进行理论计算叫} 在现 场，可通过“支架载荷．地音法”进行观测o ] ，因此， 利用必要条件可以对可能发生的冲击地压在时间 上进行预测，以便提前采取有效的治理措施．2 顶板断裂时应力变化的范围为工作面前方支承压 力增压区内，因此冲击地压多发生在工作面前方， 大量实践已经证明了这一点．利用它，可以对冲击 地压发生的区域 位置 进行判断，并及时采取预防 措施． 3 现场应用。3 开滦唐山矿业公司5 。煤层3 6 5 4 J _ 作面，走向 长3 9 3 m ，倾斜长13 8 m ，煤层厚2 ．8 4 m ，埋藏深度 7 5 8 1 T I ．直接顶为中细砂岩，厚5 m ，抗压强度为 1 0 1 M P a ；老顶为中粒砂岩，厚1 0 m ，抗压强度为 1 4 3 M P a ，底板为泥岩，厚2 ．O m ．现场钻屑检测表 明，最大峰值钻屑量为3 0 ．2 k g ／m ，煤层具有严重冲 击危险倾向． 在生产过程中，根据“围岩煤体”系统失稳的 判别准则，采用支架载荷一地音联合观测方法预测 顶板发生断裂的时间．现场观测表明，当工作面开 采至1 3 d 时，采面顶板拉绺，有淋水、片邦、冒顶现 象发生，支架载荷增阻速率和地音参数明显增高， 预测顶板将进人初次断裂失稳阶段，并在巷道超前 5 0 m 范围内采取了松动卸压爆破、加固巷道支护 等措施．开采至第1 6 d 时，在风道超前2 0 m 范围内 发生了冲击，震感强烈，拱型支架梁腿错动2 0 ～ 3 5 0 m m ，多处卡缆崩断，煤尘飞扬．由于预测较为 准确。并采取了有效治理措施，使得这次冲击未对 生产造成严重影响． 据统计．该工作面观测期间，共发生断裂失稳 1 2 次，有4 次发生了冲击，说明顶板断裂失稳是发生 冲击地压的必要条件．必要条件满足了，充分条件 不满足，也不会发生冲击；只有这两个条件都满足 了，才会发生冲击地压．但是，利用必要条件，尽可 能地预测顶板断裂失稳的位置和时刻，对采取有效 治理措施，降低冲击地压危险程度具有重要意义． 4 主要结论 根据对“围岩一煤体”系统在开采过程中的力学 结构和力学状态的运动变化规律的研究，认为冲击 地压发生机理为随着工作面的开采，上覆坚硬顶 板悬露弯曲下沉，煤 岩 体应力增大，煤体夹持作 用增强，系统积聚的弹性能增加，当顶板岩体内的 应力超过其抗拉强度时，顶板断裂失稳．在断裂瞬 间，岩体释放大量能量，以较大的冲击载荷和加载 速率作用在煤体上，使煤体迅速超过其峰值强度， 进入应变软化状态，并与围岩形成非稳定的平衡系 统f 顶板断裂反弹，使得煤体的夹持作用降低，围岩 万方数据 6 3 6中国矿业大学学报第2 9 卷 一煤体间的摩擦系数大幅度减小，煤体沿层面卸载、 移动的能力增强；当“围岩煤体”系统释放的能量 大于煤体破碎、移动所需要的能量时，该系统突然 失稳，产生有危害性的破坏，即冲击地压． 冲击地压发生的判别准则准确地描述了“围岩 一煤体”系统从稳定状态到失去稳定的整个过程．利 用必要条件可以预测可能发生冲击地压的时间和 位置，在现场取得了较为成功的应用． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高。刘昕成．矿山压力及其控制[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，1 9 9 6 ．1 0 7 1 13 ，1 2 21 2 5 ，2 3 82 4 2 ． [ 2 ] 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c o a lm a s ss y s t e mr o A l c h e sa nu n s t a b l es t a t ef r o mas t a b l eo n ed u et ot h ei n s t a n t a n e o u sl o a d ，w a si n v e s t i g a t e d ， a n dt h ec r i t e r i ao fp r e d i c t i n gr o c kb u r s tw e r ep u tf o r w a r d ．T h e s ec r i t e r i ah a v eb e e na p p l i e ds u c e e s s f u n yi nt h e p r e d i c t i o no fr o c kb u r s ti nT a n g s h a nC o a lM i n e ． K e yw o r d s r o c kb u r s t } f r a c t u r e ；s y s t e mu n s t a b i l i t y ；p r e d i c t i o n 万方数据