五龙矿冲击地压危险区域划分研究及图形显示.doc

精品论文推荐五龙矿冲击地压危险区域划分研究及图形显示芦东平，李义贤 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000） e-mail：lemon_摘要：冲击地压是采矿诱发的矿井地震，是矿井的一大自然灾害。在冲 击 地 压的监测与防治研究中 ，有关煤层冲击地压发生作用和影响的研究尚存在许多 不 足 。本 文 根据阜新五龙矿特有的地质条件、赋煤状况、煤层冲击倾向性及应力集中区对五龙矿冲击地压危险区进行了划分研究。用ansys建立模型进行应力分析，通过模拟开采3311，3l1，213工作面得到了推采距离为100、200、300及400 m 时的顶底板y向应力等值线 图，指出顶板y 向应力大小是判断冲击地压是否发生的重要因素，当开采l00 m 和400 m 时工作面迎头位置产生高应力集中区，极易发生冲击地压事故。对3311综放面的模拟分析：应力主要集中在工作面的前方、上层遗留煤柱下方.数值模拟结果表明：阜新五龙矿属于煤体 压缩型冲击地压，同时伴有火成岩墙侵入影响数值模拟结果表明：阜新五龙矿属于煤体压缩型冲击地压，同时伴有火成岩墙侵入影响.关键词：冲击地压；危险区域；数值模拟 中图分类号：td1. 引言冲击地压即岩爆，它是煤体、岩体（顶底板）、断层在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释 放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象。煤、岩体内所积聚 的能量以动能的急剧破坏，引起介质的震动，破坏巷道、工作面，造成顶板下沉、底板鼓起， 颠覆生产设备、破坏支架等，并造成人员伤亡。它是人工采矿活动引起的破坏性地震，在煤 矿的采场工作面、巷道等位置都会发生。冲击地压发生时表现为大范围岩体突然破坏，抛向 洞室空间，围岩释放大量能量，使井下几米到几百米的洞室瞬间破坏，造成支架折损，巷道 堵塞，伴随着震动和声响，在煤（岩）体边缘可能出现裂缝，震动时还可能发生粉尘飞扬， 并伴有煤（岩）喷出或散落在巷中，形成大量的煤尘和冲击波，以致造成人员伤亡、矿井工 作面破坏甚至关井和波及地面，被抛出的煤和岩体从几吨到几百吨，记录到的震级最大已超 过里氏五级，持续时间从几秒到几十秒。由于震源浅，冲击地压烈度大于同级天然地震烈度， 因此是人为引起的严重的自然灾害1。阜新五龙矿自 1959 发生首次冲击地压事故到现在共发生 7 次较大的事故。2002 年初 连 续发生 冲击 地压， 造成 人员伤 亡， 设备损 坏， 巷道破 坏， 其破坏 程度 十分严 重， 直接影响 到煤炭 生产， 威胁到井 下工作 人员 的人身 安全。 特别是 2003 年 3 月28 日发生一次 2.3 级冲击地压造成 1 人死亡 4 人负伤，此次冲击地压事故的发生造成了严重 的人员和财产损失，使生产一度处于停顿状态。冲击地压作为一种采矿诱发的动力现象受矿山地质构造、煤岩性质、矿山开采特点等诸多因素影响，因而发生冲击地压的条件和规律因矿山地质条件而异。它的发生绝非偶然，具有一定的必然性。五龙矿冲击地压灾害具有发生 突然、破坏性强、相同位置重复发生、煤柱影响显著等自身的特点。因此有必要通过理论分 析和数值计算深入研究五龙矿特殊的冲击地压内在规律和本质特征，划分出易于发生冲击地 压的区域，定为相对危险区域，对该矿冲击地压的有效预测和防治，保证采矿生产的顺利进 行，以达到对冲击地压早预防、早规避的目的，具有十分重要的理论价值和现实意义。纵观 已有对五龙矿冲击地压危险区域的划分研究，都还只停留在对单一工作面的划分，无法从全 局上揭示五龙矿冲击地压的本质和内在联系。- 4 -本文将利用 ansys 有限元软件对五龙矿现有的 3 个主要工作面做模拟开采，通过数值模拟的结果来定位危险区域所在。同时也期望在多工作面模拟的研究下，找出整个五龙矿各 工作面冲击地压的内在本质和相互联系。研究结果可以作为该矿冲击地压防治的指导。2. 冲击地压发生机理及分类2.1 冲击地压发生机理冲击地压和煤层、岩层的物理性质有关，一般情况下，煤岩坚硬，胶结致密、强度大、 富弹性，较容易发生冲击地压。同时，冲击地压还与矿井地质条件和开采条件有关。一般说 来，矿井愈深，覆盖岩层的压力愈大，发生冲击地压的机会愈多。目前发生冲击地压的地区 都在垂深 400 m 以上。不合理的巷道布置造成压力叠加，甚至成为一些矿井冲击地压发生的 直接原因2。冲击地压的形成和发生的条件是很复杂的，作为一种矿山岩体破坏现象，有其 特殊的宏观和微观特征。首先是煤岩中应力超过其极限强度，以煤岩破坏为先导；其次是煤 层和围岩在集中应力作用下，吸收能量积聚应变能；另一个是“诱发”因素导致其突变破坏， 瞬间释放应变能。冲击地压发生必须具各的条件如下：1）煤层及围岩具有冲击倾向性 煤岩受力易发生破坏，其类型以镜煤和亮煤为主。煤层硬度大、湿度小、抗压强度高，则易发生冲击地压。实践证明：中硬和硬煤，抗压强度在 200kg/cm2 以上具有冲击危。2）回采工作面附近存在较大的能量集中冲击地压多发生在回采工作面前方 15-50m 处，属于回采工作面前方支承压力区，煤层 积聚巨大弹性应变能，当其超过煤层的极限强度时，便产生冲击地压，当走向支承压力与倾 向支承压力叠加时，产生的冲击地压更为猛烈和频繁。掘进工作面引起冲击地压的能量主要 来源有：掘进面处于构造应力集中区，原岩构造应力巨大；掘进面处于煤柱或采场前方支承 压力高峰区，引起弹性变形能的突然释放，均易形成冲击地压。3）采场存在释放能量的空间 采场煤体之中存在着巨大的弹性变形能，其附近又存在一定的空间(巷道或工作面)，当煤体达到极限强度以上即可爆发冲击地压。若没有释放能量的空间，弹性能将随着采场的移 动和受力条件的改变，可能逐渐缓解以至恢复到常压状态。掘巷多、切割量大的采煤方法(如 短壁采煤)，发生冲击地压的机会多。4）巷道布置不合理“煤体围岩”系统处于非稳定状态，煤体裂隙失稳扩展到极限位置时，煤体就发生冲 击地压。诱发冲击地压发生的条件及特点决定了其瞬时破坏的强度及危害程度，因而对冲击地压 发生条件和特点的认识是冲击地压研究的极为重要的步骤。煤矿冲击地压发生条件具有如下 特点：1） 煤质脆硬，单轴抗压强度达 30mpa,弹性模量达 10gpa 以上。可能发生冲击地压的 岩石有致密的石灰岩、白云质灰岩、白云岩、角砾状灰岩、粗砾状花岗岩及安山岩等。2）采深较大，在 200700m 之间。3）大多数冲击地压发生在煤柱上。4）多数冲击地压发生在地质异常区，如向斜轴部，背斜区等。5）地应力水平较高。只有当岩体上的应力超过其强度后，煤岩体才能进入应变软化阶段，产生失稳破坏。因此，在高地应力的地区容易发生冲击地压。6）地温较大。由于高地应力可以是大采深引起的，这可能是构造应力引起的，也可能 是地温度较大引起的。因此地温也是一个决定冲击地压是否发生的关键因素。7）弹性模量和单轴压缩应力应变曲线软化段曲线的斜率的绝对值的比值较小。这是一 个崭新的冲击地压倾向性判别指标，当这一比值为零时，即岩石超过峰值强度后就迅速破坏， 岩石极脆，此时临界软化区深度即为圆形洞室的半径。即在荷载的作用下，周边刚有软化区 时，就能发生冲击地压。若这一比值较大，则不能发生冲击地压。2.2 冲击地压分类煤矿冲击地压按不同的分类原则有各种类型。冲击地压可根据应力状态、显现强度和发 生的不同地点和位置进行分类。由于煤体结构较岩体松散、强度低、各向异性更明显，所以 冲击地压大多数是煤体冲击型。一般按力源(冲击地点的动力来源也即源动力)可分为垂直压 力为主的重力型，水平压力为主的构造型两种。在对冲击地压的划分上，重力型和水平压力 为主的构造型也被统称为煤体压缩型冲击地压，如图 2-1。图2-1 煤体压缩型冲击地压波形图fig.2-1 oscillogram of coalmass compress type rockburst重力型冲击地压主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响。如枣庄、抚顺、开滦 等局发生的冲击地压；构造型冲击地压主要受构造应力(构造应力远远超过岩层自重应力)作 用。如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。按照当煤矿开采达到一定采深、面积以后， 由于顶底板岩层的活动参与了失稳破坏，冲击地压就具有了新的性质。按冲击源（释放能量 的破裂点）所在位置可分为煤体冲击型、顶（底）板岩层冲击型、断层错动型三大类。顶底 板岩层冲击地压又可分为两种类型：岩层弹性冲击地压和岩层断裂冲击地压。另外在煤、岩 层的交界面上的失稳破坏-煤、岩体共同参与冲击，我们可以称之为煤体顶板型冲击。这 样，煤矿冲击可分为四类六型，详见表2-1。表 2-1 冲击地压分类说明表table.2-1 rockburst classification explanation table冲击地压类型煤体压缩型冲击地压煤体重力型；煤体构造型煤体顶板型顶底板岩层冲击地压顶板弹性型；顶板断裂型断层位错型根据煤岩体的受力状态及地质条件，我国冲击地压主要分为三类：煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲击地压和断层错动型冲击地压。1）煤体压缩型冲击地压：这种类型的冲击地压是煤矿中最常见的冲击地压，约占总数 的 80%以上。煤体受压后，若其承载能力随煤体变形的增加而迅速降低，导致煤岩系统失 稳，就会发生冲击地压。煤体压缩型冲击地压多发生在厚煤层开采的采煤工作面和回采巷道 中。震级一般不超过 2 级，但冲击地压发生后，突出的煤量较多，易造成设备破坏和人员伤 亡。发生深度一般不大于 500 m，且符合 gutenberg -richter 公式： log n = a bm ，式中： n 为大于某一震级的冲击地压次数；m 为震级；a，b 为常数。2）顶板断裂型：主要由顶板岩石拉伸失稳而产生。多发生于工作面顶板为坚硬、致密、 完整且厚的岩体中采空区的大面积空顶部位。牵涉范围大，释放能量大，发生强度高，一般震级在23级之间。b值较小，为1.52.0。3）断层错动型：主要由断层围岩体剪切失稳造成，多发生在采掘活动接近断层时，受 采矿活动影响而使断层突然破裂错动。当采掘工作面推进至断层附近时，引起断层本身的突 然错动，猛烈释放能量的现象。其受力特点是断层承受相对较大的剪应力作用，易发生在雨 季。随着老矿区的开拓，地质、开采条件越来越复杂，发生这种类型冲击地压的可能性要增 加。其发生深度一般为8001000m3。2.3 本章小结本章从诱发冲击地压发生的角度，系统地阐述了冲击地压发生的机理，并按照不同的划 分原则对冲击地压进行了分类。同时结合我国冲击地压的实际情况，对我国冲击地压的种类 进行了分类，将我国冲击地压分为以下主要三类：煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲击地 压和断层错动型冲击地压，为下一步对五龙矿冲击地压类型定位工作打下理论基础。3. 五龙矿冲击地压概述3.1 五龙矿矿井概况五龙矿位于阜新西南 10km 处，阜新煤田中部，地理坐标为：经度1213810 ，纬度415755 。是我国第一个五年计划期间 156 个重点建设工程项目之一，由原苏联列宁格勒 设计院设计，于 1952 年 6 月 5 日破土动工，1957 年 6 月 11 日移交生产。矿井的设计储量 为 19110 万吨，可采量 14764 万吨，设计生产能力为年产 150 万吨，实际生产能力年产 180 万吨。井田边界：五龙矿境界东起 2 号桥东侧保护煤柱线，西至 f2 断，北起-100m 标高， 南至 -780m 标高和各煤 层可采边界 线，平均走 向 2.615km ，倾斜长 4.5km ，面 积11.7675km 2 。井田内的煤属中灰，特低硫的长焰煤，-515m 以下有一部分气煤。均为优质 动力煤。矿井采用立井多水平分区式开采。截止 2002 年末剩余储量如下：五龙立井区：地质量 11707.0 万吨，可采量 5767.5 万吨，煤柱量 3170.8 万吨。 刘家区：地质量 16963.2 万吨。合计：地质量 28797.7 万吨，可采量 5767.5 万吨，煤柱 3170.8 万吨。 现开采区域：五龙矿现开采区域为南至 iii 带岩墙及可采边界线，北至-365 水平以下，西至平安二号断层，东至 ii 带岩墙。3.2 五龙矿矿井地质概述1、煤系地层(1) 侏罗系上统：(a) 沙海组：为薄层状粉砂岩、泥岩。(b) 阜新组中含水泉、孙家湾、中间、太平、高德五个煤层群。 (2) 白垩系下统： 孙家湾组为区内含煤地质的盖层。主要为粉砂岩、泥岩、砂砾岩及中粗砾砂岩，厚约400500m。(3) 第四系： 冲击沉积层：主要为白莹土、亚沙土，冲击砂砾面层。 煤层发育趋势：呈北厚南薄，西厚东薄。富煤带位于王营高德向斜一带，向斜轴轴部煤层增厚，轴南极剧分叉，变薄、尖灭。- 17 -煤层为单斜构造，走向 n 352、岩浆岩侵入 78e ，倾向 se12 55 ，倾角 524，平均 12。第三纪玄武岩的侵入，对井田煤层破坏严重，主要的侵入岩体有三组：第一组为岩墙， 其中带生产的 ne 向支墙；第二组为 nne 向岩墙，该组岩墙在煤层中产生次生床。第三 组为深部岩床。岩浆岩产状见表 3-1。表 3-1 岩浆岩产状表table.3-1 the table of magma rock produce situation名称走向倾向倾角/厚度/m控制长度/m确定依据二带岩墙n 84 91nw7085201402250-215 大巷、-365 孙顶大巷二带支墙n 88nw65902.53.52200212、213 区二井皮带下山三带岩墙n 82 8570851080400四井三支一墙n 67 73507025200西山石门、二井西盲斜三支二墙n 67 7250700.22.01500二井三支三墙n 60 7550702850二井三支四墙n 60 7550702800二井ne 一号墙n 3 1960850.16.51500东一、二石门ne 二号墙n11 2455750.74.71800东一、二石门ne 三号墙n18 2855750.5602800东一、二石门ne 四号墙n53656750.12.42500孙顶大巷主岩床n 4121517.51074500东新井、三水平轨道下山3、断层井田内共有七条断层，由西向东依次为平安二号、三号、四号、五号、六号断层（生产 实践证实五条）。平安二号为井田境界，三、四、五号断层在-365 水平以上已尖灭，断层 产状见表 3-2。4、水文地质 井田基岩地下含部不均，采区实践证明，火层岩及岩石裂隙带的富水性差距悬殊。岩石裂隙发育的地方透水性强，含水多，出水量大，反之则少，局部无水。本井田一、二水平矿井水来源主要受平安各斜井及大气降水的第四系含水层补给。二水平以下地下水主要受基岩裂隙及上部一、二水平渗入或流入补给。平均涌水理约 500 立方米/小时。表 3-2 断层产状表table.3-2 the table of faultage produce situation名称性质走向倾向落差/m平安二号正n 30 40w506020170平安三号正n 0 40w55600200平安四号正n 25 35w5565060平安五号正n 0 15w55610100平安六号正n 5 10w55605103.3 五龙矿冲击地压发生情况分析近年来，随着开采深度的不断增加及接触到复杂的地质构造，五龙矿的开采区域已接近 或达到产生冲击地压的构造应力场和重力场的“临界深度”，因此造成冲击地压频繁发生，破 坏强度逐渐加大，具有如下的显著特点：1、小震级的冲击地压发生较为频繁，但破坏性不大，偶有片帮和煤块抛射现象；2、震级较大的强烈冲击地压，虽然井下破坏严重，但地面震感不十分明显；3、多数冲击地压发生前，没有宏观征兆而突然发生，破坏性较大，有时造成严重片帮、 冒顶和底鼓、摧毁支架、堵塞巷道及颠翻设备；4、冲击地压发生过程短暂，持续时间一般为几秒或十几秒；5、冲击地压发生在同一区域或较近区域。五龙矿从 1972 年2004 年有较大影响的冲击地压事故统计如下：1972 年，24 区共发生三起冲击地压，造成死亡 7 人事故，该采区煤层为太平上层，采 煤方式为水砂充填方式。1992 年，-480 反井施工后，发生煤炮，造成死亡 2 人事故。该煤层为中间层焦煤。1998 年，235 区扒砂子过程中，发生冲击地压，造成死亡 2 人事故，该煤层为太平上层。2002 年，在 3311 综放面运输顺槽掘进施工中，发生冲击地压事故，死亡 8 人。2003 年 3 月 28 日：巷道严重变形 50m ，皮带被掀翻，串车被颠覆掉道。u 形棚支架压 缩最大量1.0m 且多处变形，底鼓1.0m ，两帮位移1.0m2002 年和 2003 年发生的冲击地压时间间隔较短，发生地点相近，具有一定的典型性。 对这两次冲击地压事故作对比分析如下：1 破坏情况：2002 年 4 月 18 日事故发生后经现场勘察结果，设备及支架损坏严重，从运顺拉门往里53m 96m 为波及范围，皮带被掀翻，铁轨、水管、风管多处扭曲折断，风筒破坏严重， 上帮片帮，、外移、锚杆多处被拉断或弯曲，托盘被拉掉；从 96m 158m 范围内为严重区 域，造成顶底板合拢。2003 年 3 月 28 日：巷道严重变形 50m ，皮带被掀翻，串车被颠覆掉 道。u 形棚支架压缩最大量1.0m 且多处变形，底鼓1.0m ，两帮位移1.0m （最大）。2 位置关系：两次冲击事故的发生地点相距只有 50m ，3311 采区剖面图见图 3-1，位置关系见图 3-2。图 3-1 3311 采区剖面图fig.3-1 the 3311 sectional drawing of mining area图 3-2 两次事故的位置关系fig.3-2 the position relations between the two accident3 冲击地压发生类型： 两次冲击地压均属煤体压缩型冲击地压，是以重力为主并有构造应力参与的冲击地压。4 人员伤亡情况：最近的两次有人员伤亡的冲击地压事故中，2002 年 4 月 28 日冲击事故死亡 8 人，2003年 3 月 28 日冲击事故死亡 1 人，伤 4 人，均属较危害的冲击事故。值得注意的是 2003 年发生的冲击地压，几乎与 2002 年发生冲击地压时在同一位置，同是在 3311 综放面，回采距二号面采终线 10 米时，在运顺发生冲击地压事故。 综合以上事故分析，我们发现：五龙矿发生的冲击地压虽遍布矿井各个区域，但主要集中在 24 区 3311 综放工作面，其分布具有以下特点：1）冲击地压发生的次数随采深增大而增加；2）上层遗留的煤柱区是冲击地压事故的重灾区域，例如：2002 年和 2003 年两次冲击 地压事故发生位置几乎在同一地点，且均属于煤体压缩型以重力为主构造应力参与的冲击地 压，一次发生在掘进过程中，一次发生在回采过程中，都是在上层煤柱下方的边缘处。分析 其发生原因，可得出如下结论：1 事故点周围地质构造较复杂1）工作面位于三带火层岩墙（ 60m ）与变焦线之间，北西向 70m ，有较大的残存煤 岩构造应力；2）煤层结构复杂，分层变化剧烈；3）直接底板（太下一、二与太下三）的夹石不稳定。2 事故地点位于上层煤柱（221 的煤柱下），垂距 90m ；太上层（105m ）还有两条煤 柱，三条煤柱共同对本层开采层造成应力影响。3 2003 年 3 月 28 日发生冲击事故的工作面前 43m 处属开采附加应力升高区。3.4 五龙矿冲击地压类型及机理根据前面对五龙矿冲击地压发生情况和特点的总结分析，确定其冲击地压类型为煤体压 缩型冲击地压。煤体压缩型冲击地压是矿井中最常见的一种冲击地压，如煤柱冲击地压、厚煤层中采 区巷道冲击地压以及发生在采煤工作面的冲击地压，都是煤体压缩型冲击地压。它是煤岩结 构在压性载荷作用下而失稳破坏的动力现象。采动影响下发生的煤岩体变形过程是很缓慢 的，可以视为准静态过程，在冲击地压发生前的煤岩体可以视为处于准静态平衡状态。图 3-3 典型岩石类材料压缩全程应力应变曲线fig.3-3 the typical rock class material reduces the entire journey stress典型的岩石类材料全程应力应变曲线如图 3-3 所示。曲线一般可分为四个区。oa 区内， 由于岩石原生裂纹压密，曲线向上稍凹。在 ab 阶段，随着岩石载荷增加，在原有裂纹压密 的同时，岩石不断产生新的裂纹，二者基本相当，使 ab 段呈线弹性性质。一般在峰值强度 的三分之二处，开始了 bc 段。在此阶段内，若对岩石进行卸载至零，则残留永久变形，即 此阶段材料已进入塑性变形阶段，但一般情况下该阶段较短。到达峰值强度后，岩石承载能力随变形增加而降低。如果在普通实验机上，由于刚度不足，在刚达到峰值强度或稍过岩石就会发生突然破坏，类似冲击地压发生。而在刚性实验机上，停止加载则变形停止。虽然承 载能力随变形增加而降低，但要使岩石试件继续变形还需继续做功。由以上可见，在未达到 峰值强度前的弹性阶段和应变硬化阶段，岩石承载能力随变形增加而增加，是稳定材料。在 超过峰值强度后，岩石产生应变软化，承载能力随变形增加而降低。根据塑性力学中稳定材 料的 drucker 准则，此时岩石已变成非稳定材料4。冲击地压是否发生，取决于煤岩结构平衡状态的稳定性质，因此煤岩结构平衡状态稳定性准则也是冲击地压的发生启动准则。 从能量角度讲，岩体结构平衡状态的稳定性，取决于系统总势能的性质。当结构平衡状态总势能为极小时，平衡是稳定的，反之是非稳定的。设煤岩变形系统在外载荷面力向量p和体力向量f的作用下，产生的应力向量为 ，应变向量为 ，产生的塑性软化区大 小为vs ，其余的弹性区大小为ve ，此时系统处于平衡状态，则其总势能为 = t ddv + t ddv - ft dudv - pt dudv(3-1)vevsve+vs式中 为面力p的作用边界，u 为位移向量，式中第一、第二项为应变能，第三、 第四项分别为体力和面力的外力功势能。则岩体结构失稳即冲击地压发生启动准则为 = 0 2 0(3-2)(3-3)式(3-2)，总势能的一阶变分等于零是泛函极值条件，也是变形系统的平衡条件。式(3-3)， 总势能的二阶变分小于零是势能有极大值条件。在某些简单情况下，若能找到描述系统的一个状态参量 u ，则此时总势能 由泛函退 化为函数，上面二次变分式退化为二阶导数即 (u) 0(3-4)式(3-2)、(3-3)在可计算出结构总势能的简单情况下，用来判别冲击地压的发生启动是很 方便的。但是，在一般情况下总势能 很难计算，下面给出式(3-3)的另一表述。设在某一平衡状态上，给岩体结构施加一个微小的且不违背几何约束条件的虚位移而得 到一个新的状态。根据稳定性的能量准则，若外载所做虚功大于应变内能的增加，则系统平 衡状态是非稳定的，即失稳准则为： f t udv + p t ud + t dv + + t dv(3-5)ve +vs ve vs式中左端为外载荷所做虚功，右端为应变内能的增量，u, , 分别为虚位 移、虚应力和虚应变向量。由于所研究的岩体结构处于平衡状态，满足虚功方程，即外力在虚位移上所做的虚功等于应力在虚应变上所做的虚功为： ft udv + pt ud = t dv + t dv(3-6)ve +vsvevs由此可得由应力增量和应变增量表述的冲击地压发生启动准则 t dv + t dv 0(3-7)v ev s下面对冲击地压启动准则作进一步讨论， 设在弹性区ve 岩石本构关系为：在塑性软化区vs = d e 内岩石本构关系为 = d ep (3-8)(3-9)式中 d e ， d ep 分别为弹性矩阵和弹塑性矩阵。代入式(3-7)有 t d e dv + t d ep dv 0vevs(3-10)上式中弹性矩阵是正定的，所以第一项恒大于零，要使式(3-10)满足，只有第二项小于 零才有可能，而只有局部煤岩体进入峰值强度后变形，呈应变软化，其本构矩阵 d ep 才能 是负定的。因此局部煤岩体应力达到和超过峰值强度呈应变软化是冲击地压启动的必要条件，这和冲击地压强度理论是一致的。当煤岩体结构出现应变软化区时，式(3-10)中第二项为负。但要使式(3-10)满足，第二项 的绝对值必须大于第一项，这时才能发生冲击地压。所以煤岩结构产生应变软化区只是发生 冲击地压的必要条件，而不是充分条件。这也解释了为什么大多数井下煤岩体结构，虽然其 局部应力超过峰值强度，产生了塑性应变软化区， 但又能稳定地工作而不发生冲击地压。 分析式(3-10)可见，产生足够大的塑性软化区是式(3-10)满足进而发生冲击地压的一个条件，此外弹塑性矩阵 d ep 对式(3-10)第二项影响较大。在一维情况下，d ep 即为岩石峰值 强度后下降段的模量，其绝对值越大，越容易发生冲击地压，即冲击地压与煤的固有性质有关，这与冲击倾向性理论是一致的。李雅普诺夫的稳定性理论，是研究干扰性因素对系统运动（平衡）的影响。所谓干扰因 素就是在描述系统方程时与基本力相比甚小而未曾加以考虑的力。这些力通常是不曾确切知 道的，它们可以是洞室的开挖、工作面的推进、开采、顶板岩层微裂纹的突然断裂、地震和 放炮等，这些扰动因素在实际工程中是不可避免的。事实上，微小的干扰因素对不同的系统， 或对同一系统在不同的平衡状态下，所产生的响应是不同的。若一个处于静态 或动态平衡的系统受到一个任意微小扰动后，与不受干扰的状态相差很小，即扰动状态始终 保持在原形态附近一个小邻域内，则这个系统是稳定的。反之，系统在某些情况下，干扰对 其的影响就很显著，以至于无论干扰多么小，受扰动系统的状态与未受扰动系统的状态可能相差极大，则这个系统是非稳定的。pp性化弹软区区顶板a煤层软化区 煤层弹性区图 3-4 巷道的软化区和弹性区图 3-5 工作面的软化区和弹性区fig.3-4 the tunnel softened area and elastic rangefig.3-5 the working surface softened area and对于煤岩体结构，在外载荷 p 作用下，产生的塑性软化变形区特征深度为 ，产生的特征位移为 u ，u 可以是顶板下沉量或巷道收敛位移，如图 3-4 和图 3-5 所示。假设某时刻 岩体结构处于平衡状态，对于外载荷 p 的一个微小扰动 p ，或者是巷道开挖 a 一个微小 扰动，工作面开采进 a 的一个微小扰动，这时煤岩体塑性软化变形区由 增加到 + ， 位移由 u 增加到 u + u 。若响应 或 u 是有界的或有限的，则此时平衡状态是稳定的， 扰动消失后又处于新的平衡状态。即对于任意给定小数 0，总有 0 存在，使得当扰动 p或 a 满足条件：p ， a (3-11)则响应 或 u 总可以满足下面不等式 ， u (3-12)若煤岩体结构处于非稳定平衡状态，则无论扰动 p 或 a 多么小，都会导致塑性软化 变形区或特征位移的无限增长，即： = d = pdp或(3-13a)u = du = pdp或(3-13b) = d = ada或(3-13c)u = du = (3-13d)ada上式即为冲击地压发生启动的扰动响应判别准则5。3.5 五龙矿冲击地压发展趋势五龙矿特殊的地质条件和赋煤状况决定了该矿的冲击地压发生类型及诱发原因。五龙矿2002 年和 2003 年的两次冲击地压的发生均是在重力作用下并有构造应力参与所诱发的煤体 压缩型失稳破坏，因此属于煤体压缩型冲击地压。随着向深部开采，未来五龙矿特殊的地质 构造即岩浆岩的侵入造成的构造应力，将比浅部有更明显的影响，冲击地压的强度也会增加， 破坏范围还会加大。还因为开采范围的加大，深部顶板性质的变异，在综采放顶煤工作面推 进速度快的情况下，在断层附近开采时，将对断层的应力变化影响很大，有可能诱发高震级 的断层错动型冲击地压。4. 五龙矿冲击地压危险区域划分4.1 冲击地压危险区域划分原则冲击地压是一种发生在煤岩体的地质灾害，冲击地压的发生与冲击地点的力源直接相 关，所以确定矿井高应力区是判定冲击地压危险区域的首要前提6。1）开采前依据矿井地质构造环境，圈定因地质构造形成的高应力区。一般情况下，断层、火成岩侵入体附近；向背斜急转轴及附近；煤层厚度及夹石层厚度急剧变化区等处，易于残存构造应力，成为地质构造形成的高应力区域。2）矿井开采所形成的现开采层上方留有整体煤柱或有重叠煤柱的区域，这样的区域常 为垂直应力集中区。3）开采后顶板冒落不充分地区的附近区域。4）开采中发生过冲击地压的地区附近 200 米的煤层。由于受到先前冲击的扰动，有可 能有能量积蓄和缓慢破坏发生。5）未被解放层解放的冲击地压危险煤层。4.2 五龙矿冲击地压危险区域划分研究煤层冲击倾向性是指煤体能够聚集弹性应变能并在超过其本身的强度后突然释放出来 的各种物理力学性质的总和。冲击倾向性是煤岩的固有属性，决定了其产生冲击破坏的能力， 是冲击地压发生强度的决定因素之一，是发生冲击地压的内因，也是必要条件。五龙矿现生 产水平采深距地表 900 多米，已达到和超过冲击地压发生的临界开采深度。五龙矿发生冲击 地压的事实说明其煤层具有冲击倾向性。五龙矿存在较多的残留煤柱和残留区段，在对煤柱进行开采以及当下方工作面经过上方 煤柱时都会面临有垂直应力集中区域的问题。例如 2002 年和 2003 年两次冲击地压事故发生 位置均是由上层遗留煤柱造成的应力集中，一次发生在掘进过程中，一次发生在回采过程中， 但两次几乎发生在同一地点。除了煤柱能形成应力集中外，构造问题也是不容忽视的。由于 煤层成单斜构造，在向背斜急转轴及其附近，是应力集中的区域。五龙矿井田内共有 7 条断 层，断层落差较大，因此在断层附近形成了局部构造应力区。岩浆岩侵入煤层中形成了火成岩墙附近也极易形成应力集中，五龙矿现主要采区内的火成岩墙有二带 岩墙和三带岩墙及其支墙，在其附近开采也存在应力集中区域。另外五龙矿煤层厚度及夹石 厚度急剧变化区也有残存构造应力存在。将五龙矿采掘区平面图正在进行开采的区域进行了截取。根据以上划分原则，圈出了冲击地压发生的危险区域，如图 4-1 所示。4.3 工作面数值模拟图 4-1 五龙矿采掘工程平面图fig.4-1 the plane figure of the mining work4.3.1 五龙矿 3311 综放面冲击地压数值模拟1 做如下简化建立数学模型1）五龙矿太平上层的倾角较小（11 13 ），可以忽略；2）221 区开采遗留两个煤柱，因对模拟的结果影响不大，建模时看成一个煤柱；3）太平下一、二、三层看成一层。 建立模型7-9，如图 4-2 所示。模拟范围取长、高均为 100m；由下至上分别是：砂砾岩层 85m、太平下层 13m、太平 上层 12m、砂岩 90m、中间下层 2m、细砂岩 15m、中间上层 7m、粉砂岩 766m；两边分别 留 27m、26.5m 作为约束，g 取 9.8n/s2，其主要参数见表 4-1 所列。表 4-1 主要参数表table.4-1 the main parameter table材料弹性模量/gpa泊松比密度/103kgm-3粉砂岩60.152.47细砂岩80.152.47砾岩80.152.47煤20.151.7中间上采空细砂岩中间层采空中间下砂岩太平上太平下太平上砂砾太平下(a)模拟范围(b)局部放大图图 4-2 ansys 计算模型图fig.4-2 the ansys illustraton of model2）计算结果分析(a) 整体(b) 局部放大图图 4-3 3311 综放面未开采时的应力等值线图fig.4-3 the contour chart of 3311 working face when the coal has not been exploited3311 综放面在未开采时的应力场如图 4-3 所示，由图 4-3 (b)可以看出：太平上层没开 采时，上层（中间上、下层）采空区两侧煤柱及采空区中部应力集中，从而形成应力异常区， 可见在这些位置有发生煤体冲击地压的可能。(a) 开采 100m 时(b) 开采 200m 时(c) 开采 300m 时(d) 开采 400m 时(e) 开采 465m 时(f) 开采 500m 时图 4-4 3311 综放面在开采到不同位置时的应力等值线图fig.4-4 the contour chart of 3311 working face exploit to different place由图 4-4 中的(a)(f)可见：随着太平上层的开采距离不断深入，应力集中的位置与范围 也在发生着变化。开采 100m 时工作面前方有应力集中区出现，开采 200m 和 300m 时应力 集中区反而呈减小趋势，开采 400m 时工作面又出现应力集中区，且其范围逐渐扩大，至 500m 时与上层煤柱形成的应力集中区域贯通。应力集中区变化和特点为：多发生在开采工作面煤 壁或巷道周围附近，由于应力超过强度极限，煤岩变成了应变软化的非稳定材料，而深部受 采动影响较小的区域是稳定材料，如图中的蓝色区域。所以煤岩结构一般可分为两个区域， 深部区域是稳定材料，靠近开采工作面及煤柱两端的区域是非稳定材料，这两部分的大小是 随着采掘进行而变化的。随着开采范围的扩大，煤岩体进入峰值强度变形的区域加大，应变 软化程度加深，使得煤岩结构由稳定的平衡向非稳定平衡过渡。当成为非稳定平衡时，在外 部扰动下，整个煤层系统原有平衡状态失稳而发生冲击地压。例如：2003 年 3 月 28 日发生 的冲击地压是由工作面采煤机落煤的扰动引起的冲击事故。从以上数值分析可以得到如下结论：1）上层遗留煤柱是下煤层开采发生冲击地压的重要影响因素，开采时应提前采取措施， 加强防范。如五龙矿 3311 工作面在 2002 年和 2003 年接连在同一位置不同开采阶段（掘进 和回采）发生两次冲击地压事故。其发生均受到了上层煤柱的影响，正是由于上层煤柱形成 的应力集中导致重力为主要力源、构造应力参与的煤体压缩型冲击地压的发生。2）下层煤层开采时，随开采距离增加，应力集中区也在不断发生变化，工作面的应力 值在开采 100m 时开始增加，200m 和 300m 时反而减小，465m 时又有所显现，500m 时与 上层煤柱形成的应力集中区域贯通，从而达到最大。数值模拟结果表明：当有上层煤柱留设 时开采下层煤层，在开采初期工作面发生冲击地压的可能性较大，在开采中期发生冲击地压 可能性不大，但在开采后期又应该进入重点防范冲击地压的阶段。4.3.2 五龙矿 311 工作面冲击地压数值模拟1 五龙矿 311 工作面地质情况工作面范围：该工作面位于-600 钢带机以南，东到该面设计采终线，西到工作面切眼， 南到三带岩墙变焦线，可采走向 404m，工作面长 109m，地表标高 200-220m，埋藏深度700-760m，地表为海洲矿排矸场、排矸线路和部分民房。 上下关系：该工作面上覆水泉层的六八层为采空区。 工作面的地质构造：煤层倾角比较小，sn 方向倾角为 3-7，se 方向煤层倾角 15-30左右。工作面的煤层：该工作面开采的煤层为孙家湾层群的孙五层孙六层，煤层厚度分别为7m 和 10m，分组夹石厚度为 0.6-1.4m，建摸时忽略不计。2 建立计算模型沿巷道走向：取标高-550m 和-330m 为上下边界，东西走向分别取距切眼 90m 和采终线90 为左右边界。即：孙家湾层模型两侧各取 90m 为约束。水泉层模型两侧各取 90m 作为约 束。垂直巷道走向：取标高-550m 和-330m 为上下边界，巷道向两侧延伸共 180m 为左右边界。图 4-5 沿巷道走向的模型图fig.4-5 the model along the tunnel图 4-6 回采 100m 时垂直巷道走向模型图fig.4-6 the model along the tunnel when the coal has been exploited 100 meter图 4-7 回采接近采终线时垂直巷道走向模型图fig.4-7 the model along the tunnel when approaching finishing line建模过程中所用参数如下表：表 4-2 模型中用到的主要参数表tablet.4-2 the main parameter used in the model弹性模量 pa泊松比密度/kg.m-3砂 岩400000.32450煤90000.21750灰绿岩1000000.225503 计算结果分析以下是分别对沿巷道走向和垂直巷道走向煤层开采 100、200、300、400m 时的模型进 行分析：图 4-8 开始回采时沿巷道走向的垂直应力图fig.4-8 the vertical stress figure along the tunnel when the coal will be exploited从图 4-8 中可以看出应力最大值出现在水泉层的两端，由于水泉层采空，其两端的应力 状况较原岩应力发生较大的变化，出现应力集中区，并逐渐延伸到孙家湾层，因此 311 面两 端应力值较大，开采时，应使采面尽量向里靠拢以避开其影响。图 4-9 回采 100m 沿巷道走向的垂直应力图fig.4-9 the vertical stress figure along the tunnel when the coal has been exploited 100 meter从图 4-9 中可以看出在回采 100m 时，应力最大值仍出现在水泉层两端，随开采的进行， 孙家湾层应力较大部分内移，但采面仍处于安全状态。图 4-10 回采 100m 时垂直巷道走向的垂直应力图fig.4-10 the vertical stress figure along the tunnel when the coal has been exploited 100 meter从图 4-10 中可以看出应力较大值出现在水泉层的两端和孙家湾层的瓦斯道，且巷道两 侧的应力值较大，但向里应力值偏小，处于安全状态。这主要是由于开挖巷道使周围的原岩 能量释放造成巷道的应力集中。而瓦斯道离巷道距离很近，受瓦斯道和巷道之间煤垛的影响 使应力集中。图 4-11 回采 200m 时沿巷道走向的垂直应力图fig.4-11 the vertical stress figure along the tunnel when the coal has been exploited 200 meter- 18 -图 4