开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析.pdf

第 33 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.33 Supp.1 2014 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2014 收稿日期收稿日期2012–11–27；修回日期修回日期2013–01–11 基金项目基金项目国家自然科学基金青年资助项目51204090；国家重点基础研究发展计划973项目2010CB226803 作者简介作者简介李利萍1983–，女，2005 年毕业于辽宁工程技术大学工程力学专业，现为博士研究生、讲师，主要从事深部岩体力学特性方面的教学 与研究工作。E-mailllpah 开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型 冲击地压的影响分析冲击地压的影响分析 李利萍 1，潘一山1，王晓纯2，唐巨鹏1 1. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 北方工业大学 机电工程学院，北京 100041 摘要摘要随开采深度增加，冲击地压发生的频度和强度愈趋严重，而现有深部冲击地压机制的研究尚不明了。基于 深部开采实际情况，提出超低摩擦型冲击地压这一新概念，引入岩体超低摩擦效应，以深部块系煤岩体为研究对 象，考虑垂直冲击荷载和垂直地应力作用，建立超低摩擦型冲击地压块体模型，推导得到了块系煤岩体接触界面 法向动力荷载随时间变化关系表达式。研究结果表明垂直冲击荷载作用下深部块体接触界面法向荷载随时间呈 周期性波动变化，冲击地压的发生存在临界深度区域，即 400～600，800～1 000，1 200 m 时接触界面法向动力 荷载波动周期较小，波动频率较快，与现场观测结果和已有结论基本一致，说明所建模型较合理；开采深度不同， 接触界面法向荷载随时间变化而急剧变化，800～1 200 m 深度对应接触界面法向荷载随时间变化率的最大值与深 度之间满足三次多项式关系；随冲击荷载强度增大，接触界面法向荷载最大降幅先减小后增加，最后趋于恒定， 且冲击荷载强度为 1 MPa 时，接触界面法向荷载最大降幅最小，接触界面的摩擦力由静摩擦变为动摩擦，如遇水 平扰动，煤岩体将突然滑出和抛出，产生岩体超低摩擦效应，极易诱发冲击地压。 关键词关键词采矿工程；超低摩擦效应；冲击地压；开采深度；临界深度区域；垂直冲击荷载 中图分类号中图分类号TD 324 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152014增 1–3225–06 INFLUENCE ANALYSIS OF EXPLOIT DEPTH AND VERTICAL IMPACT LOAD ON ANOMALOUSLY LOW FRICTION ROCKBURST LI Liping1，PAN Yishan1，WANG Xiaochun2，TANG Jupeng1 1. School of Mechanics and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin，Liaoning 123000， China； 2. School of Mechanical and Electrical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100041，China Abstract The frequency and intensity of rockburst are more and more serious with the increasing of exploit depth. But the mechanism of rockburst in deep mine is not clear. Based on the actual situation of deep exploit，the anomalously low friction rockburst is put forward，and the anomalously low friction effect is introduced. With the vertical impact load and crustal stress，theoretical block model of anomalously low friction rockburst is established， and the variation of normally dynamic load on interface of coal rock mass is deduced. The study indicates that the normally dynamic load on interface of deep rock mass periodically changes under the vertical impulse load，and the generating of rockburst has critical depth zone， when the depths are 400–600， 800–1 000， 1 200 m， the wave period of normally dynamic load on interface is smaller，the frequency of wave is much faster，which is corresponding with the result of spot observe and the existing conclusion，and verifies the rationality of model. The normally 3226 岩石力学与工程学报 2014年 dynamic load on interface changes sharply with different exploit depths， and cubic polynomial is satisfied between the maximal variance ratio of normally dynamic load on interface and exploit depth at 800–1 200 m. With the increasing of the intensity of impulse load，the maximal change amplitude of normal load reduces firstly and increases subsequently，and reaches to constant value at last. When the intensity of impulse load is 1 MPa，the maximal change amplitude of normal load is least，the static friction on interface changes to dynamic friction，the coal mass will slide and the anomalously low friction effect will be generated，thus the rockburst would be induced easily. Key wordsmining engineering；anomalously low friction effect；rockburst；exploit depth；critical depth zone； vertical impact load 1 引引 言言 目前，浅部资源逐渐减少和枯竭，使得越来越 多的煤矿进入深部开采，因此国内外相关学者对涉 及的科学问题开展了大量研究工作，并逐渐认识到 由于开采深度的不断增加，深部较浅部地质条件更 加复杂，工程地质灾害冲击地压或岩爆、煤与瓦斯 突出、突水等更趋严重和频繁。冲击地压作为我国 严重的煤岩动力灾害，发生时间短，瞬时将破碎煤 岩体抛出，充填巷道达数百米乃至千米，常伴有煤 岩体爆裂、弹射、滑出、抛出或崩出、巨响及气浪 等现象，直接威胁着煤矿安全生产。目前，我国煤 矿大多已进入深部开采，冲击地压发生的频度和强 度愈趋严重[1]。迄今为止，关于冲击地压发生机制 有强度理论、能量理论、刚度理论、失稳理论、冲 击倾向理论等。强度理论认为煤岩体破坏的原因， 实际上是煤岩体的强度问题[2-3]，并从经验统计得到 冲击地压与地应力及岩体强度的近似规律[4]；能量 理论认为冲击地压发生时所需能量不仅与破坏岩体 有关，还与围岩有关。冲击地压发生后，原有岩体– 围岩系统的平衡状态被打破，转变为新的平衡状态， 因而提出岩体–围岩系统的力学平衡状态被打破 时，若其释放的能量大于所消耗的能量则发生冲击 地压[5-6]；刚度理论最早由 И. М. Петухов[7]提出，如 果峰值强度后岩石的刚度大于压力机的刚度，则储 存在压力机岩石系统的能量将大于峰值强度后岩石 所做的功，岩石将会发生不可控制的猛烈破坏，即 发生冲击地压。N. G. W. Cook 等[8]将岩石试样在强 度极限附近发生突然破坏的刚度条件作为矿柱发生 冲击地压的条件，当矿体刚度大于围岩刚度则发生 冲击地压；失稳理论的提出是基于冲击地压是材料 失稳的思想[9-12]，当势能二次变分小于零，系统势 能具有极大值， 系统为不稳定平衡， 此时如遇扰动， 变形系统发生失稳导致冲击地压发生；冲击倾向理 论认为产生冲击地压的煤岩体一般都具有一定的冲 击倾向度[13-15]，采用相应的指标或指标组加以度量， 产生冲击倾向的条件是介质实际的冲击倾向度大于 所规定的极限值。现有的冲击地压理论，一定程度 上可以解释冲击地压发生机制，但由于深部与浅部 显著不同，对深部冲击地压研究还远未达到机制清 晰、规律明确的程度。 实质上，深部煤岩体在长期高地应力作用下， 通常为含有节理裂隙的块系结构。在集中采掘活动 引起的冲击荷载反复强烈扰动下，采场和巷道周围 的块系煤岩体不断发生震动、变形和破坏，形成断 续结构。当冲击荷载作用达到临界条件时，震动使 得块系煤岩体所受正压力为拉力，由于块系煤岩体 与顶板接触面间刚度较小，块系煤岩体很容易在周 围荷载作用下突然发生层间滑动，瞬间使得顶板、 块系煤岩体沿接触结构面滑移速度非线性增加，摩 擦阻力减弱、甚至极弱，产生超低摩擦效应，导致 块系煤岩体发生超低摩擦滑动失稳，从而诱发冲击 地压，煤体发生破坏并整体向采掘空间滑出和抛出。 因此基于深部开采现场大量观察到的摩擦特 征，引入岩体超低摩擦效应，提出超低摩擦型冲击 地压。以深部块系煤岩体为研究对象，考虑垂直冲 击荷载和垂直地应力作用，以深部层状煤岩体与煤 层间产生的超低摩擦效应为工程背景，建立基于块 系岩体变形与运动特性的超低摩擦型冲击地压块体 模型，研究深部超低摩擦型冲击地压发生机制，以 期对冲击地压预测与防治提供参考。 2 超低摩擦型冲击地压块体模型超低摩擦型冲击地压块体模型 岩体超低摩擦效应理论由俄罗斯学者 M. V. Kurlenya 和 V. N. Oparin [16-17]提出，认为当动力冲量 作用于岩块介质时，在某个能级上相邻 2 个块之间 第 33 卷 增 1 李利萍等开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析 3227 存在摩擦“消失”效应，并通过块体模型实验验证 了超低摩擦现象的存在。钱七虎[18]指出岩体超低 摩擦效应是深部开采中的关键科学问题。由于岩体 超低摩擦效应，岩体平衡关系和约束条件被破坏， 更易发生平动和转动，继而引发岩爆、冲击地压等 动力灾害。王明洋等[19]应用有阻尼块系震动模型， 得到垂直冲击荷载作用下块体接触界面法向动力特 性，从理论上对超低摩擦现象给予了解释；王洪亮 等[20]通过理论分析和数值计算，得到了与俄罗斯学 者相一致的结论；吴 昊等[21]基于深部岩体超低摩 擦试验，建立了块系岩体一维动力模型，得出了工 作块体水平位移的解析表达式；许琼萍等[22]对块系 岩石在垂直冲击荷载和水平拉力作用下的动态特性 进行了试验研究，确定了产生摩擦减弱效应和超低 摩擦效应的特征值条件；崔永权等[23]进行了侧向应 力扰动对断层摩擦影响的试验研究，认为应力降增 加意味着侧向小幅扰动可能会引起“低摩擦”现象 出现。纵观以上研究发现，国内外学者在深部岩体 超低摩擦效应理论分析方面仍存在不足，现有理论 模型均为一维块体模型，且仅考虑了垂直冲击荷载 作用，未考虑上覆岩层压力即不同开采深度对块体 接触界面法向动力特性影响。事实上，冲击地压的 发生机制与块体接触界面法向动力特性密切相关[24]。 因此本文在现有研究基础上，建立了考虑上覆岩层 压力的超低摩擦型冲击地压块体模型，如图 1 所示。 图 1 超低摩擦型冲击地压块体模型 Fig.1 Block model of anomalously low friction rockburst 模型在前人研究基础上，考虑垂直冲击荷载和 垂直地应力作用，假设岩块 B 为刚体，岩块 A 为变 形体，接触界面为单一弱面，块体 A 的长、宽、高 尺寸分别为 1 ， 2 ， 3 ，密度为 A ，质量 A m  A123   ，块体 A 与质量为 0 m的刚性岩块 B 的接 触面积为 12 S，在块体 A 上作用有冲击荷载 pt pft和上覆岩层压力 H1212 h  ，为上 覆岩层容重，h为块体距地面深度。 由于岩块之间界面具有存储和耗散能量能力，可 由弹簧与阻尼器实现，即用刚体位移与速度来表征 001 Rc u tcu t 1 式中 0 c， 1 c分别为界面接触刚度系数和波阻抗； u t为块体的刚体位移；t为时间。则块体A的全 部位移为 Y xtu tpX x y t， 2 式中 2 / 2X xxEA，EA为块体压缩刚度；yt 为由冲击荷载作用产生随时间变化的位移函数。 将式2代入杆的波动方程，并按照Бубнова- Галеркина方法进行变换，得 22 m yyf tu t p       3 式中m为块体的单位长度， 030 /mmA， 0  为块体B的密度； 222 3 10/3 t c， 3 1.83 / t c， t c 为块体中的压缩弹性波速[25]， 0 / t cE。 块体界面满足的平衡条件为 3 x0012 0 X EApy tRm uh x        丨 4 令 110 /rcm， 2 0000 /rcm， 22 10 /， 30 /u tp U t c， 123 /Mhp ，冲击荷载取为 /pf tppt。其中 U t 为刚体运动函数，为 一常数，得到动力函数 U t 和位移函数 y t 的解析 表达式 1 0 e1 st rt U tBM r   5 e1 st t y tC    6 式中B，C为任意常数。 由于岩爆或冲击地压主要发生在宏观裂隙不发 育或无裂隙的花岗岩、厚层砂岩、石灰岩及片麻岩 等高强度的岩石中[26]，因此考虑深部块系岩体特征 尺寸，将模型中岩块A假设为立方体， 12  3 2 m，煤体密度为 0  2.73103 kg/m3，岩块间 刚度系数 0 c 1.641011，岩石波阻抗 1 c 9.56106 kgm －2s－1，弹性模量 E 41 GPa。 3 开采深度影响分析开采深度影响分析 我国部分矿井深度已超过800 m，少部分矿井 深度达到1 000～1 300 m[27]。结合我国矿山深部开采 实际情况，深度分别取为800，900，1 000，1 200 m， 岩块 A 岩块 B 单一弱面 冲击荷载 P tpf t 上覆岩层压力 H h 刚体位移 u t 被压缩弹簧弹力 0 R 3228 岩石力学与工程学报 2014年 得到接触界面法向荷载随时间变化关系，如图2 所示。可以看出，当深度分别为800，900，1 000， 1 200 m时，冲击荷载作用下深部块体接触界面法 向荷载均随时间呈周期性波动， 且深度为900 m时， 波动周期较小，波动频率较大，一个周期内振动次 数较多，接触界面法向荷载急剧变化，岩块接触界 面摩擦力随即也发生急剧变化，极易诱发超低摩擦 型冲击地压的发生。通过对比，深度为1 200 m时， 接触界面法向荷载波动周期较1 000 m深度增大， 波动频率减小。 a 深度为 800 和 900 m b 深度为 1 000 和 1 200 m 图 2 接触界面法向荷载随时间变化曲线 Fig.2 Time-variation curves of normal load on interface 开采深度不同时，接触界面法向荷载随时间变 化率发生急剧变化，分析各深度对应接触界面法向 荷载随时间变化率的最大值，并通过多项式拟合得 到图3所示曲线。可以看出，当开采深度为800～ 1 200 m时，接触界面法向荷载随时间变化率最大 值 U t  与深度x之间近似满足三次多项式关系，拟 合公式及误差为 图 3 接触界面法向荷载变化率最大值与开采深度关系 Fig.3 Relationship between depth and maximal variance ratio of normal load on interface 362 2100.006 36.296 62 048.2U txxx    2 0.982 7R  7 从大量现场观测结果发现，冲击地压这一矿山 动力灾害并不是在任何开采深度下都会频繁发生， 而是存在于冲击地压发生临界深度区域。由于各个 矿井所处的地质构造复杂，很难用一个确切的数值 来界定。根据本文所建块体模型，分析不同开采深 度时接触界面法向荷载波动周期，得到开采深度为 300～1 500 m时接触界面法向荷载波动周期规律， 如图4所示。 图 4 接触界面法向荷载波动周期与开采深度关系 Fig.4 Relationship between depth and wave period of normal load on interface 从图4中可以看出当深度在400～600，800～ 1 000，1 200 m时，接触界面法向荷载波动周期较 小，波动频率较大，3个区域如遇水平扰动，极有 可能发生超低摩擦型冲击地压，因此可以将400～ 600，800～1 000，1 200 m作为冲击地压发生的临 界区域。潘一山等[28]研究也发现，400～600 m开 采深度时，发生冲击地压次数比较频繁。本文所得 400～600 m开采深度冲击地压发生临界区域与现 场监测数据基本一致，如华丰矿、门头沟矿、老虎 第 33 卷 增 1 李利萍等开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析 3229 台矿冲击地压频繁发生的临界深度分别为525， 400，630 m。根据刘思妤等[26]的研究，采深已达 1 257 m的辽宁红透山铜矿在采深达到400 m时出 现岩爆或冲击地压，700 m后逐渐频繁，1 077 m中 段最为强烈，但该中段以下却很少有岩爆或冲击地 压发生，这也和本文研究结论基本吻合，证明了所 建模型的合理性。 4 冲击荷载强度影响分析冲击荷载强度影响分析 冲击荷载是诱发超低摩擦型冲击地压的重要 致因。为了研究冲击荷载强度对超低摩擦型冲击地 压的影响规律，改变冲击荷载强度，探求块体接触 界面法向荷载与冲击荷载强度之间的关系，如图5 所示。 图 5 接触界面法向荷载降幅最大值随冲击荷载强度变化曲线 Fig.5 Variation curve of maximal change of normal load on interface with intensity of impact load 从图5可以看出，随着冲击荷载强度增加，块 体接触界面法向荷载最大降幅先减小后增大，最后 趋向于恒定。这是因为冲击荷载开始施加时，岩块 被压缩，产生弹性变形，且随冲击荷载强度增大被 逐渐压密，法向荷载最大降幅随之减小，此时块体 接触界面摩擦力减小，块系煤岩体将产生滑动，接 触界面摩擦力由静摩擦变为动摩擦；随冲击荷载强 度继续增大，块系煤岩体将产生塑性变形，且塑性 区域不断扩大，接触界面法向荷载最大降幅也随之 增大，当块系煤岩体应力超过其抗压强度极限后， 煤岩体被压碎。当冲击荷载强度约为1 MPa时，接 触界面法向荷载最大降幅最小，此时接触界面将产 生滑动，如遇水平扰动，煤岩体将滑出或抛出，产 生岩体超低摩擦效应，从而诱发超低摩擦型冲击地 压。分析认为，该冲击荷载强度可能是本文理论模 型条件下发生超低摩擦型冲击地压的临界值。 5 结结 论论 基于深部开采实际情况，建立了超低摩擦型冲 击地压块体模型，分析开采深度及冲击荷载强度对 超低摩擦型冲击地压的影响规律。研究结果表明 1 开采深度不同时，冲击荷载作用下深部块 体接触界面法向荷载随时间均呈周期性波动。由本 文所建深部块系介质块体模型理论分析得出，400～ 600，800～1 000，1 200 m是冲击地压发生的临界 深度区域，与现有研究结论和现场监测结果基本一 致，说明所建模型较合理。 2 随冲击荷载强度增大，法向荷载最大降幅 先减小后增加，最后趋向于稳定。基于本文模型， 分析给出冲击荷载强度值为1 MPa是发生超低摩擦 型冲击地压的临界值。 本文在已有模型基础上，考虑了垂直冲击荷载 和垂直地应力作用，但没有考虑水平应力扰动的影 响，实际上水平应力扰动也是诱发超低摩擦型冲击 地压的重要因素之一，因此今后将开展这方面研究 工作。 参考文献参考文献References [1] 姜耀东， 赵毅鑫， 刘文岗， 等. 煤岩冲击失稳的机制和实验研究[M]. 北京科学出版社，200954–90.JIANG Yaodong，ZHAO Yixin， LIU Wengang，et al. 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