（采矿工程专业论文）基于matlab人工神经网络预测预报冲击地压的研究.pdf

山东科技火学硕士学位论文 摘要 摘要 冲击地压是种由于采矿、掘进等工程活动诱发的地震，它是威胁煤矿安全生产的一 大隐患。由于地质构造、地质运动及所受各种采矿活动扰动的复杂性，使得冲击地压的 定量预测成为一个比较困难的问题。理论研究表明，冲击地压实质为一种矿山岩体的动 力现象，是矿山开采带来的一种动力学灾害。本文从冲击地压的机理出发，考虑冲击地 压的综合影响因素及其动力学特点，基于m a t l a b 人工神经网络工具箱构建b p 神经 网络，采用m a t l a b 的r a n d 函数在各级评价标准内按随机均匀分布方式线性插生 成训练样本，采用函数t r a i n b p ( ) 、t r a i n b p m 0 、t r a i n l m ( ) 来训练b p 网络，建立了能 够准确预测的神经网络预测模型，并制成了相应的预测软件。进行了冲击地压非线性系 统的预测预报的研究。并采用一个矿山实测得到的情况相对照，进行了神经网络方法的 实用性验证，结果表明：使用m a t l a b 神经网络工具箱可以快速、高效地构建b p 神 经网络，不但提供的大量网络构建函数、快速学习算法和友好的图形界面大大缩短了神 经网络的建模时间，使网络设计者摆脱繁琐的编程工作，将研究重点转移到如何优化网 络配置、提高网络学习效率、推广能力和仿真效果上来；而且，其预测性能也较好，基 本上与实际相吻合，可以用来准确预测冲击地压。 关键词：冲击地压；m a t l a b 神经鼹络；预测预报： 山东科技天学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t a sag r e a th i d d e nd a n g e ro ft h r e a t e n i n gt h es a f e t yi np r o d u c t i o no ft h ec o l l i e r y ，r o c k b u r s t i se a r t h q u a k et h a tc a u s e db yp r o j e c ta c t i v i t ys u c ha sm i n i n g ，t u n n e l i n ge t c b e c a u s eg e o l o g i c a l s t r u c t u r e ，g e o l o g ym o v e m e n ta n dc o m p l e x i t yo f v a r i o u sk i n d so f m i n i n ga e t i v i t yp e r t u r b a t i o n s ， i t sm o r ed i f f i c n i tp r o b l e mt oq u a n t i t a t i v ep r e d i c t e do nr o c k b u r s t n e o r e t i c a lr e s e a r c h e s i n d i c a t e ，a so n em i n ep o w e rp h e n o m e n o ne s s e n t i a l ，i ti sak i n do fd y n a m i c sc a l a m i t yb r o u g h t b yt h em i n ee x p l o i t s t h i st e x tp r o c e e d sf r o mr o c k b u r s tm e c h a n i s m ，c o n s i d e r i n gc o m p r e h e n s i v ei n f l u e n c ef a c t o r a n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c ，s t r u c t u r e db pn e u r a ln e t w o r kb a s e do nm a t l a ba r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kt o o l b o x ，a d o p t i n gt r a i n g d mf u n c t i o n ( m o m e n t u mg r a d i e n td r o pt h eb a c k p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ) ，t r a i n l mf u n c t i o na n dt r a i n b rf u n c t i o nt r a i nb pn e t w o r k ，n e u r a ln e t w o r kc a nb e p r e d i c t e da c c u r a t e l yt os e tu pp r e d i c tm o d e l s ，m a d ec o r r e s p o n d i n gp r e d i c t i o ns o f t w a r e k e e p n o n - l i n e a rr e s e a r c ho np r e d i c t so f s y s t e m a d o p to n em i n es i t u a t i o nt os u r v e yc o n t r a s t ，c a r r yo nn e u r a l n e t w o r kp r a c t i c a b i l i t y v e r i f i c a t i o no fm e t h o d t h er e s u l ts h o w s ：u s em a t l a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o xt oc o n s t r u c t b pn e u r a ln e t w o r kf a s t ，h i g h - e f f i c i e n t l y , n o to n l yal a r g ea m o u n to f n e t w o r ks t r u c t i o nf i m c t i o n t h a t o f f e r ，s t u d ya l g o r i t h ma n df r i e n d l yf i g u r ei n t e r f a c es h o r t e nn e u r a lm o d e l i n gt i m eo f n e t w o r kg r e a t l yf a s t , e n a b l en e t w o r kd e s i g n e r sg e t t i n gr i do ft h et e d i o u sp r o g r a m m i n gw o r k ， w i l ls t u d yt h a tt r a n s f e r st oh o wt oo p t i m i z en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，i m p r o v et h el e a r n i n g e f f i c i e n c yo f t h en e t w o r k ，p o p u l a r i z ea b i l i t ya n da r t i f i c i a lr e s u l tt oc o m eu pe s p e c i a l l y ；a n d ，i t p r e d i c t sp e r f o r m a n c eb e t t e r , i d e n t i c a lw i t hr e a l i t yb a s i c a l l y , c a np r e d i c tr o c k b u r s ta c c u r a t e l y k e y w o r d s ：r o c k b u r s t ；m a t l a b sa n n ；p r e d i c t i o n ；f o r e c a s t i l - 东科控大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 冲击地压属于矿山动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。它是指在高地应力 作用条件下，造成煤矿井巷或回采工作面的煤岩体形成弹性能的瞬时释放而产生破坏的 矿井动力现象，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象。它往往造 成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏， 甚至引起地表塌陷而造成局部地震。 冲击地压现象是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，其显现往往是突然发生、瞬时 结束。显现轻者造成巷道围岩急剧变形、支架损坏，重者严重摧毁矿井设施，并可能造 成重大人身伤亡事故。冲击地压的发生机理以及预测预报和防治技术一直是国内外地质 界和采矿界研究的重点课题之一，但仍未从根本上解决。随着我国煤矿开采深度逐年增 加，冲击地压显现现象日趋频繁，严重干扰了正常的生产活动，许多矿井因此遭受惨重 损失。我国的徐州、北京、大同、抚顺、北票、兖州、枣庄、新汶等诸多矿区都面i 晦冲 击地压的威胁问题。 冲击地压理论自创立至今深受采矿界和力学界的关注，近几年来，随着煤矿采深的 不断增加，冲击地压问题越来越成为井下主要灾害性事故之一。由于煤层结构的复杂性 和煤的特殊性，尽管国内外许多学者在对冲击地压发生机理的认识和监测手段方面经过 几十年的研究形成了几种不同的理论学说，取得了重要进展，进而形成了不同的冲击地 压认识理论。目前，国内外关于冲击地压发生的机理主要有强度理论、能量理论、刚度 理论、冲击倾向理论、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 探讨，但都存在很大局限性，不能满足工程需要的有关冲击地压预测与防治的要求，各 种理论学说的应用还不能对冲击地压可能发生的时间和位置做出及时和定量的判断，没 有从根本上解决冲击地压预测预报问题，仍然是采矿业急待攻关研究的课题。尽管有的 理论给出了数学解析式，但由于参数难于准确和量化获得，从而无法应用。 前人对冲击地压预测预报方法主要有经验类比分析法、钻屑法、地音监测法、电脉 冲预测法、红外辐射预测法、微震监测法和含水率测定等方法，这些方法虽然能够取得 一些特定条件下的工程效果，但是尚有不完善之处，还存在着诸多模糊性因素，如其它 山东科技大学硕士学位论文绪论 岩体力学变化引起的岩性变化而带来的测定信号结果之间的分辨等问题。它们没有综合 考虑影响冲击地压的主要因素，存在很大的局限性。而且冲击地压的冲击危险性指标的 确定也相当困难。由此可见，采用单一的冲击地压危险性指标有可能会给预测预报造成 很： ：误差，严重影响着煤矿企业的安全生产。在以某种方法为主的基础上，结合其他方 法对煤矿顶底板及煤层发生冲击地压的可能性进行鉴定，具有十分重要的现实意义。 为了更好地采用不同理论观点的分析适用条件，在前人研究得出的几种不同理论的 基础上，对其进行分析，采用神经网络法，通过计算机实现了对各种理论的模拟，根据 现场实测数据可对其进行比较，并优化各种参数，进而指导实际的矿井开采。神经网络 理论对于判断冲击地压问题的现状和未来、选择适宜的防治措施是至关重要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 冲击地压作为岩石力学中的复杂疑难问题之一，是国内外许多岩石力学工作者的重 要研究内容，特别是冲击地压发生机理问题，更是过去几十年来国内外有关专家与学者 共同关注的焦点。就世界范围而言，由于冲击地压问题的复杂性，冲击地压发生机理的 研究进展仍比较缓慢，人们对冲击地压机理的认识从强度理论进而发展到能量理论、刚 度理论、冲击倾向理论，以及由这些理论演变而来的联合理论。世界各国如波兰、捷克、 德国、美国、加拿大、俄罗斯、南非、法国、日本等对冲击地压的危险性评价、冲击地 压防治等方面的研究都非常重视，并取得了很大的突破，使煤矿冲击地压的发生减少到 了最低水平。 在冲击地压的危险性评价方面，世界各国特别是波兰( 7 0 以上为冲击地压矿井) 采用 的方法有综合评价方法，其中包括分析认识法、地震法、地音法以及小直径钻孔法。把 这些方法应用于可能发生的冲击地压的地点进行危险性评价，为采取相应的防治措施打 下基础。地音的研究从3 0 年代开始。首先是由欧伯特( o b e r t ) 在锌矿和铅矿测量地震波传 播时开始，其后在美国的密歇根( m i c h i g a n ) 铜矿进行。随后地音的研究在美国、日本、 南非、波兰、德国、俄罗斯、捷克等国家展开。研究表明，岩体中随机发射的地音信号 与岩体中的压力水平及其增长有关，以此来评价岩体中的应力状态。地音研究的目的就 2 ! ：至型垫查兰塑圭堂堡鲨三! 三堕笙 是确定岩体中的应力状态以及预测采掘面及周围岩体突然、猛烈的破坏，达到预测预报 冲击地压的发生。 近年来，各国学者研究了煤岩体变形破坏过程中产生的电磁辐射现象，提供了一种 新的预测冲击地压等矿井灾害动力现象的方法。研究表明，在煤岩受载破裂后和受载时 能引起电磁辐射信号，因此电磁辐射信息能综合反映煤岩损伤破坏的状况。所以，近几 年有人把电磁辐射法用于预测冲击地压。 近十年来又创立了变形系统失稳理论。这些理论从不同角度和侧面描述了冲击地压 发生的力学机制和材料属性，为冲击地压灾害的预测与防治提供了有力的理论基础。 ng w c o o k 、e h o e k 、s a l a m o n 等针对南非金矿冲击地压问题，分析了岩体中应变能的 猛烈释放和非猛烈释放、应力一变形的弹性和非弹性行为。c o o k 通过采用常规试验测定 岩样压缩强度时得到了岩样的破坏是一种非稳定的过程，并依此将冲击地压看作是稳定 性问题。j o s e p h 通过对深部开采煤岩层应力状态的分析，提出了能量集中存贮因素和冲 击敏感因素等概念，认为高主应力( q ) 和高差应力( q c r 3 ) 不能反映煤岩体应力存贮的 能力，只表示应力集中程度，而c r 3 才是反映能量存贮的因素，是冲击敏感因素。 n 。l i g h t f o o t 、a m l i n k o v 、i v a ng w o n g 等采用微震监测、电磁辐射监测等方法对冲击地 压进行监测研究，来揭示冲击她压的本质。 1 2 2 国内研究现状 近3 0 年来，随着数学力学方法在冲击地压研究中的应用，利用非线性动力学、断 裂力学、损伤力学和分形几何学、突变和混沌等理论方法，为冲击地压发生机理的研究 开辟了新途径，取得了大量的成果。 谢和平在微震事件分布的基础上利用损伤力学、分形几何学对冲击地压的发生机理 进行分析，认为冲击地压是微裂隙向宏观裂隙发展的损伤破坏过程，分形维数随岩石微 裂隙的发展而减小，当减至最小值时岩体产生冲击；潘一山、王来贵等一方面采用分形 几何方法，研究煤体在受振后裂隙的变化规律，提出了用煤体振动方法控制冲击地压的 机理；另一方面，通过对断层冲击地压的分析，提出了变形系统扰动响应稳定性判断准 则，解释了断层冲击地压的间歇性；缪协兴、安野等利用断裂力学原理，建立了岩( 煤) 壁中滑移裂纹扩展的冲击地压模型；尹光志、鲜学福通过现场实测研究，认为地应力的 3 山东科技人学碗i 学位论文 绪论 大小和方向对冲击地压的发生具有显著影响；周晓军、鲜学福利用煤岩体发生失稳破坏 时的应变软化特征，以粘弹性本构模型和微元统计损伤本构模型对煤岩体变形失稳的条 件进行了研究；谭云亮、宋维源等根据非线性科学理论，对冲击地压的发生机理进行研 究，提出了较为准确的预报冲击地压发生方法：潘岳采用突变理论分析了断层冲击地压 问题，提出了煤岩体系统失稳破裂的l 临界条件和弹性能释放量表达式：齐庆新、刘天泉 等在现场观测的基础上，通过实验室试验，验证了冲击地压的粘滑失稳机理，提出了煤 岩体结构破坏的“三因素”准则。随着现代数学、力学理论如断裂力学、突变、分形、 分叉( 岔) 、混沌等的发展，使冲击地压问题的理论研究取得了定的进展，但避还只是 刚刚开始，新的理论体系尚未形成。 冲击地压作为一种地质灾害，既具有自然属性，又具有人为因素。是自然动力活动 与人类社会经济活动相互作用的结果。人们对冲击地压研究或者说防治的晟终目的是确 僳冲击地压现象或事件不对人类造成不能承受的危害。因此近二十年来，冲击地压预 测预报在岩土工程和采矿业中日益得到重视。国外对冲击地压的研究起步较早，在美国、 加拿大、前苏联、波兰等国家已有不少较为成熟的应用实例。相对而言国内这方面的研 究起步较晚，研究尚不系统。 1 3 论文研究内容和目标 论文主要研究内容如下： 冲击地压发生是多方面因素造成的，它与煤岩的物理力学性质、开采深度、矿山压 力以及地质构造、采掘： 艺条件和工作面形态等有饕密切的关系。就目前已经获取的研 究成果现状来看，冲击地压发的研究应以预测预报为重点。归纳矿山冲击地压现象分析 可知，影响冲击地压发生的因素主要有两大类：内在因素和诱发因素。 一、内在囚素；是指末受开挖影响时，煤岩体本身的力学性质和煤岩所处的原岩应 力场。煤岩体岩性、煤岩体结构构造特征( 断层、褶皱、节理和坚硬，软弱夹层的发育程 度) 、煤岩体强度、含水率、原岩应力场等都是冲击地压的内在因素。其中主要是煤岩体 岩性和原岩应力场。 二、诱发因索：主要是指有关于生产的工艺和技术。采矿方法、采场巷道的形状和 结构参数、聚掘工作面推进方向和速度、回采顺序以及支护形式等都影响到冲击地压的 结构参数、采掘工作面推进方向和速度、回采顺序以及支护形式等都影响到冲击地压的 发生程度。 当堑型垫盔兰堡：兰兰堡堡苎塑丝 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的发展，新的理论、新的算法层出不穷，神 经网络与遗传算法理论的应用越来越广泛，它提供给不同领域的科研人员新的开发工具 使用。m a t l a b 集数值分析、矩阵运算、信号处理和图像处理、显示于一体，构成了一 个方便灵活的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所求解的问题用户只需简单地 列出数学表达式，其结果便以数值或图形的方式显示出来。m a t l a b 为用户提供了脚本 式的语言，同时提供了大量的功能函数，这些函数的灵活运用会使研究人员避免大量重 复性的劳动，尽快地“站在巨人的肩上”开展本领域的研究工作。对于冲击地压方法研 究和数据处理来说，由于获得的信息都是数字化的，利用一定量的数据对神经网络进行 训练，可以通过向神经网络输入一致的数据达到对未知数据进行预测的目的。因而应用 m a t l a b 人工神经网络方法在灾害预测领域具有一定的积极意义，可咀很方便地解决与 预测相关的问题。 为此，本文建立了冲击地压神经网络预测模型，以避免人为给定网络结构参数的弊 端，并使网络达到最佳的逼近效果，以保证冲击地压预测的可靠性，应用m a t l a b 图 形设计工具进行了可视化界面设计，使界面具有友好交互性，开发了冲击地压预测系统。 采取的技术路线： ( 1 ) 仔细分析影响冲击地压的矿山地质因素和开采技术因素是冲击地压危险性预测 预报的前提和基础。基于各个影响因素之间存在着复杂的非线性关系，以及经验和传统 数学模型难以精确预测冲击地压危险性，尤其是确定冲击危险性指标，提出以自适应神 经网络模型对冲击地压危险性进行预铡的方法，该模型不仅能够模拟各影响因素之间的 错综复杂的关系，而且不需要提前确定冲击危险性指标，从而消除了一般冲击地压危险 性预测预报方法的人为因素的影响； ( 2 ) 经过训练的神经网络模型就像一个聚类分析器，它可以自动识别、提取隐藏在 输入数据中的规律和联系，并将每个样本正确分类。通过离线训练和在线学习，网络模 型可以不断改进和提高自己的性能，使预测能力不断增强，具有实时性和较好的实用性： ( 3 1 多学科、多领域相互渗透，进一步完善冲击地压的理论体系，不断丰富研究方 法，深入研究冲击地压的孕育、发生机制，克服冲击地压分析中的不确定性： f 4 ) 完善冲击地压预测预报方法，在冲击地压预测预报中重视冲击地压预测预报结 果的决策性和实用性，不断融入先进技术，向自动化、智能化、系统化方向发展，提高 辨识的准确性，使冲击地压预测预报不断向模型化、定量化方向发展： 山东科技大学钡士学位论文 绪论 1 4 课题创新点 课题主要创新点如下： ( 1 ) 考虑到冲击地压发生的内在机理的复杂性，突出影响因素与冲击时间的非线性， 在分析了冲击地压的主要影响因素的基础上，依据功能强大的m a t l a b 神经网络工具 箱，采取b p 人工神经网络模型，通过训练得到了冲击因素和冲击事件之间的关系，为 冲击地压预测预报提供了新的途径； ( 2 ) 将神经网络技术与冲击地压危险性预测预报结合起来，为冲击地压与人工智能 等高新技术的结合奠定了基础，也进一步拓宽了神经网络技术的应用领域； ( 3 ) 选用功能强大的m a t l a b 软件，借助其完善的功能完成界面的设计、训练的功 能和各后台程序与用户接口，从而完成了集查询、训练、预测为一体界面友好、操作简 单的设计。 ( 4 ) 分析冲击地压的影响因素，确定采掘面周围采矿自然、地质动力及开采技术条 件的每个因素对冲击地压的影响程度，分析了矿山岩体动力现象发生系统的能量来源、 形成条件和显现特征。以及确定各个因素对冲击地压危险状态影响的指数，将其综合起 来，就可建立冲击地压危险状态等级评定的自然、地质动力因素综合指数法，并通过岩 体内的应力、岩体特性、煤层特征等地质因素和开采技术因素来确定冲击地压危险状态。 山东科技，：学硕士学位论文冲击地压发生、发展过程的影响因素及机理 2 冲击地压发生、发展过程的影响因素及机理 冲击地压自1 7 3 8 年在英国莱比锡煤矿坑道中首次发现以来，到现在已有2 6 0 多年，包括我国在内的2 0 多个国家和地区都受到冲击地压的威胁。冲击地压是世 界范围内矿井中最严重的自然灾害之一，在煤矿中的岩石巷道、金属矿、水利水 电洞室及铁路隧道等均有发生，冲击地压已成为采矿工程普遍关注的一种地质灾 害。尤其是在我国这样一个能源耗费大的国家，灾害尤其严重。近年来，随着矿 井增深与开采范围的扩大，以及对煤矿“孤岛”区域的开采，煤矿冲击地压频繁 发生，出现的冲击矿井数和冲击次数也逐渐增多，冲击地压发生时产生的冲击波 和强烈地震直接危及井下人员、设备的安全和矿山结构，造成煤岩突出，使工作 面和巷道遭到严重破坏，并伴随着强烈的声响，产生大量的粉尘及强大的冲击波， 这种强大的灾害动力现象给煤矿生产造成了难以估量的损失，造成了重大的人员 伤亡。深井地压问题已经摆在我们的面前。井下矿山的现状及存在的冲击地压问 题已成为采矿设计、采矿方法试验和矿山开采过程中的第一重要问题。冲击地压 问题作为岩体力学中最困难的课题之一，一直是国内外学术界和工程界关注的重 要研究课题，是世界采矿业面临的共同问题。 由于冲击地压问题的复杂性，冲击地压发生机理十分复杂，目前就世界范围 来讲，是一个正在深入研究的问题，时至今日，人们对冲击地压发生规律和发生 机理的了解和掌握还仅仅停留在对冲击地压发生条件和过程进行描述与论证的层 面上。在我国，自2 0 世纪7 0 年代末开始研究冲击地压问题，并作为国家“六五”、 “七五”科技攻关项目进行了有针对性的重点研究，在充分吸收国外理论研究成 果的基础上，在冲击地压发生机理和预测与防治方面取得了一定的成绩，初步控 制了冲击地压灾害的发生。 我国发生冲击地压的历史较短，除煤矿冲击地压发生频率相对较高外，金属 矿山和各种隧道的冲击地压的频率一般较低。目前已从很多方面对冲击地压现象 进行了分析，提出各种假设和判据。虽然加强基础研究和矿井监测，使人们对冲 击地压有了较深刻地认识，掌握了对冲击地压控制和缓解方法，但在一些假设和 判据中仅考虑个别影响因素，这样会产生片面性和局限性，而考虑所有因素又会 使问题复杂化。同时，采矿工程中有关因素本身通常只具有相对的准确度，它们 山。乐科技大学碗十学位论文 冲击地压发生、发展过程的影响因素及机型 与冲击地压的关系往往不能以简单的是与否进行评价。只能使冲击地压的发生率 减少，而不能完全消除及正确有效地加以预报。尽管冲击地压机理的研究已有8 0 多年，由于目前对煤岩体在受力下的细观破裂和破坏的机理认识不深入，特别是 煤岩体内部微观裂纹的扩展与冲击地压之间的关系尚不清楚，所以还未能确切地 掌握冲击地压发生的机理。因而，远没有达到有效的预报和预防。目前，对于冲 击地压的预测、预报研究大多数停留在简单的统计研究、单因素的预测或者是围 绕着坚硬脆性岩石的失稳破坏机理研究中，对有冲击地压危险巷道的支护机理和 技术、有冲击地压危害的采矿理论和技术等研究的较少，因而，结果也不十分理 想。要解决以上问题应当始终围绕着如何正确反映和预测煤岩力学性质和行为， 从而对煤岩体有更为深入的研究。 冲击地压是开采过程中诱发并伴有微震活动和弹性能突然释放的煤岩体结 构破坏过程。是指承受高压的脆性煤体或岩体极限平衡状态遭到破坏，向自由空 间突然释放能量的动力现象，是人工采矿活动所引起的破坏性地震，通常是指在 一定条件的高地应力作用下，煤矿井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能的 瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象，常造成井巷的严重破坏和人员的重大伤亡。 冲击地压是由于地下开采引发的，它的发生必然同开采量、开采位置以及开采所 处的工程环境有关。一方面，冲击地压事件本身有在空间上的发生和演化的过程： 同时，冲击地压事件同开采活动及开采活动所处的地质构造空间也发生相互关系。 采掘活动会引起自然应力场的变化，使岩体中的应力重新分布。在某些条件下， 积聚在岩体中的弹性应变能一旦超过岩体的弹性临界状态就会引起岩石的非线性 变形，剧烈时可产生冲击地压。我国冲击地压除了突然性、瞬时震动性和破坏性 等显现特征以外，从显现情况和发生条件来看，还具有以下特点： ( 1 ) 类型多种多样，灾害严重程度不同： f 2 1 发生条件极为复杂； r 3 ) 发展趋势是事故矿井数量逐渐增多，灾害的危险程度日盏严重。 任何动力现象都有其孕育、发生、发展和结束的过程。地壳中的岩体本身存 在着一个极其复杂的自然应力场。冲击地压作为一种复杂的矿山动力现象，其形 成的力学环境、发生的地点、宏观和微观上的显现形态多种多样，冲击破坏强度 和所造成的破坏程度也各不相同。由于冲击地压发生的机理存在不同的理论，客 观上不同的矿井的冲击地压的成因和显现特征也不同。因此，不能用同一机理去 8 曼查兰! 垫查鲎婴土兰焦堡苎 、冲重垫堡垄竺：垄垦型堡竺墅堕望鲞些塑堡 解释不同的冲击地压的成因和现象，更不能用单一方法去预钡4 冲击地压。 概括起来，影响冲击地压的主要因素有地质方面的因素f 如开采深度、煤层的 物理力学特性、顶板岩层的结构特征、地质构造等) ，也有开采技术方面的因素( 如 上覆煤层的停采线、残采区、采空区、煤柱、老巷、开采区域的大小等) 。根据有 关统计已发生的冲击地压事故，分析冲击地压的影响因素，可以确定采掘面周围 采矿条件的每个因素对冲击地压的影响程度，以及确定各个因素对冲击地压危险 状态影响的程度，将其综合起来，就可建立冲击地压危险状态评定的方法，从而 为冲击地压的预测预报打下基础。 2 1 影响冲击地压的主要采矿自然因素 2 1 1 开采深度 从我国目前发生较严重矿井的冲击统计资料看，我国煤矿发生冲击地压的始 发深度为2 0 0 6 0 0m ，随着开采深度增加和开采范围的扩大，冲击地压危险增加， 表现为冲击频度的增多和冲击强度的增加，发生冲击地压的矿井也逐渐增多。5 0 年代之前只有2 个矿井发生冲击地压，5 0 年代增加到7 个，6 0 年代增加为1 2 个， 7 0 年代增加为2 2 个，8 0 年代增大到5 0 多个。1 9 8 5 年我国冲击地压煤矿仅有5 2 个，主要分布在北京、枣庄、抚顺、大同、天池等局矿，开采深度平均仅为6 0 0 7 5 0m ；而截止2 0 0 1 年底，仅新发生冲击地压的矿井就多达近7 0 个，分布范围扩 大到开滦、新汶、徐州、义马、鹤岗、淮南、大屯、韩城、兖州等局矿，开采深 度也达到7 5 0 1 1 5 0m ；仅1 9 9 7 年至2 0 0 1 年底，先后在大同、抚顺、北京、徐 州、新汶、开滦等局因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达1 0 余起，死 伤人数达百余人。我国部分矿井发生冲击地压的始发深度和国外几个主要采矿国 家的冲击地压始发深度见表2 1 。 表2 1 冲击地压频度和强度与开采深度关系 t a b l e2 一r o e k b u r s tf r e q u e n c ya n dm i n i n gd e p t h 矿名称 始发深度h o m 矿名称 始发深度h o m 矿名称 始发深度h o m 天池煤矿 2 4 0龙凤矿3 0 0南非3 0 0 门头沟矿 2 0 0 唐山矿 5 4 0加拿犬1 8 0 城子矿 3 7 0砚石台矿2 3 5前苏联2 0 0 f 房山矿 5 2 0 忻州窑矿 2 4 0波兰2 4 0 胜利矿 2 5 0 台吉矿 5 5 0德国3 0 0 陶庄矿 4 8 0 西安矿 3 4 0英国6 0 0 生变竺塾查兰堡主堂堡笙苎 鲨童些堕垄竺：茎垦整堡塑墅婴型童墨! ! 堡 下表为四川天池矿冲击次数与开采深度的关系，在开采深度2 0 0 4 0 0 m 时冲击 地压仅发生4 次，每次平均冲击煤量5 8 t ，开采深度增加到4 0 0 - - 5 0 0 m 、5 0 0 6 0 0 m 时，冲击地压次数分别达9 次，冲击煤量分别为18 0 t 和1 0 0 0 t 以上。 表2 2 冲击地压次数与开采深度关系 t a b l e2 2r o c k b u r s tn u m b e ra n dm i n i n gd e p t h 冲击地压发生 开采 深度m 次数和强度 2 0 0 4 0 04 0 0 5 0 05 0 0 6 0 06 0 0 7 0 0 发生次数 49 96 发生率 1 43 23 22 2 | 发生冲击煤量t 5 81 8 01 0 0 0 随开采深度的增加，煤层承受上部岩层的压力越来越大，煤层本身的应力越 来越高，煤体积蓄的弹性能增大，地压动力现象的危险程度加重，高应力所导致 的矿压显现和冲击地压现象就愈严重，冲击地压的发生频率也会升高。就一定开 采技术条件而言，任何一个发生冲击地压的矿井都存在着始发临界深度的问题，不 同地质与开采条件的冲击地压其临界深度不同。 煤层随着埋藏深度增加，由于体积压缩而积聚越来越多的弹性能。当受到采 动干扰时，巷道和工作面附近岩体内将发生应力重新分布，其应力集中系数一般 可达4 5 ，在开采过程中，煤层内积聚的弹性能将按照指数倍数提高，这些能量 的大部分很有可能成为冲击地压能量。 统计分析表明，冲击地压发生时的震动能量随着采深的增加而有减少的趋 势，但是考虑冲击地压发生的深度和震动中心的深度，在岩体应力较大的情况下， 甚至不大的震动脉冲都可能引发冲击地压。采深与冲击地压的关系如下图： 1 0 _ 车科控j 、学硕士学位论文冲击地压发生、发展过程的影响嗣素及机理 | | f 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0t 0 08 0 0c 餍讳，m ) 图2 1 采深与冲击地压关系图 f i g2 1m i n i n gd 。p t hi nr o e k b u r s t 2 1 2 煤层和顶底板岩石的性质和特性 由于采矿活动而形成的煤岩结构，其组成材料为煤和岩石。煤岩结构中的一 部分材料不可避免地要在超过峰值强度的塑性区工作。特别是煤体，其抗压强度 远低于围岩的抗压强度，成为煤岩结构中的薄弱部分。实验表明，煤( 岩) 试件具 有应变软化性质和变形局部化现象。 ( 1 ) 煤的冲击性。 冲击地压的发生与煤的物理机械性能密切相关。煤的自身的物理力学性质是 冲击地压发生的必要条件。由材料力学理论，物体在加载作用下，内部产生的应 力随应变的变化而变化。承载( 受力) 物体被破坏前，应变量增加，当应力达到物 体的承受极限应力时，物体就破坏。由于物体的强度韧性不同，破坏的表现也有 差异。硬脆煤体一般有较高的极限应力，破坏前，较小的应变增量就会引起较大 的应力增量，当达到极限应力时，物体迅速破坏，没有应力下降流变过程。同时， 破碎的煤块以动能的形式释放出来。 生产实践与试验研究表明：在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中巷道或 工作面都有可能发生冲击矿压；煤的强度越小，引发冲击地压所要求的应力就越 高；从煤的物理力学性质的角度来说，对冲击地压影响较大的因素有煤的弹性、 强度、脆性和含水率等。冲击地压发生的必要条件是积聚较多的弹性能，弹性大、 脆性大是冲击危险煤层的基本特征。但是煤岩经过湿润后，减弱了内部颗粒问的 q 蛐9 b 7 6 5 4 3 2 ， 山蓑秘技大学硕士学位论文冲击地压发生、发展过程的影响因素及帆理 粘结力，增加了塑性，改变了原来的弹性性质。因此，煤岩含水量增加，冲击危 险性就减少。 下面是一个基于浸水的煤岩试验：采用2 组试样进行比照试验，即浸水1 周、 浸水4 周、没有浸水试件。试验情况见表，从浸水试验结果来看，煤岩样浸水前 后的抗压强度变化较大，最高为2 层老顶，其单轴抗压强度从浸水前的10 2 7 2 m p a 下降到3 1 9 0 m p a ，下降幅度达6 9 ：最低为4 层煤老顶其单轴抗压强度从浸水前 的1 4 1 2 9 m p a 下降到9 4 2 5 m p a ，下降幅度达2 3 。从这一试验结果来看，对煤层 及顶板含水改变了煤岩层的性质，降低能量存储的能力，从而降低煤岩层的冲击 倾向性。见表2 3 表2 3 煤岩样浸水试验结果 t a b l e2 3i m m e r s i o nt e s t i n gr e s u l to fc o a la n ds a m p l e s 自然状态 7 天2 8天 样别 单轴抗压强度单轴抗压强度下降到单轴抗压强度下降到 2 号煤2 1 3 1 f m p a ) 1 3 4 1r m p a )6 3 1 3 0 7 ( m p a ) 6 1 2 号煤直接顶 7 9 3i ( m p a ) 3 5 5 8 ( m p a ) 4 5 2 9 7 9 ( m p a 、 3 8 2 号煤老顶 10 2 7 2 ( m p a ) 3 6 5 0 ( m p a ) 3 6 3 1 9 0 ( m p a 、 3 l 2 号煤底板 11 7 6 0 ( m p a ) 7 3 2 7 ( m p a ) 6 2 5 3 2 3 ( m p a ) 4 4 4 号煤 18 9 5 ( m p a l10 6 6 ( m p a )5 6 9 31 ( m p a l4 9 4 号煤老顶 1 4 1 2 9 ( m p a )9 4 2 5 ( m p a ) 6 7 8 4 4 5 ( m p a ) 6 0 4 号煤底板 10 4 5 7 ( m p a ) 4 6 5 3 ( m p a ) 4 4 4 2 3 0 ( m p a ) 4 0 煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。煤的冲击倾向性指数与 煤的单向抗压强度之间的关系可由下式表示： w e t = a + e 6 + 。8 。 ( 2 1 ) 式中：a 一6 4 6 7 2 ，b = 1 8 8 6 7 ，c = 0 0 1 7 4 。 上式说明煤的冲击倾向性随单轴抗压强度的增加而增大。研究表明，煤试块 的冲击性在1 6 r 。2 0 m p a 时，发生较大的变化。在该区间内，r 。的较小变化将 引起煤试块冲击性的较大变化。考虑中间变化部分较小，为了提高安全性，可将 煤层分为： 山东斟技大学硕士学位论文 冲击地压发生、发展过程的影响因素及机理 弱冲击倾向性r 。1 6 m p a ； 强冲击倾向性r 。 1 6 m p a ： 工作面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 承受原始应力的作用，包括由自重引起的自重应力、构造活动引起的构造应力、 采空区内煤岩几何形状及性质不均匀引起的结构应力，以及由于地质历史形成在 采空区煤岩体内残存的应力，这些都构成了煤岩体的原始应力水平，是煤岩体失 稳破坏的应力基础。随着工作面的开采，在下图所示的采场中，煤体还将受到超 前支承压力的作用( 曲线1 ) ，同时上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压力相互迭加，造成工作面上巷比下巷的应力集中程度高。 在原始应力和采动应力作用下，较坚硬的顶底板可将煤体夹持。煤体夹持阻碍了 深部煤体自身或煤体围岩交界处的卸载变形，使煤体更加压实，承受更高的压力， 积聚较多的弹性能。 。 一u0 一勺 、7 u 图2 2 煤体夹持作用示意图 f i g 2 2s k e t c ho f c o a l b e dh o l d i n g ( 2 ) 岩层结构与冲击地压危险。 总的来说，冲击地压发生在岩石强度大的条件下，特别是顶板有厚层砂岩的 条件。顶板岩性、单层厚度以及开采后的可雷落性都是影响冲击地压的重要因素。 具有一定厚度的坚硬岩层顶板条件下发生冲击地压的可能性很大，特别是当顶板 来压时，更容易诱发冲击地压。 围岩( 特别是煤层的顶底板) 的岩性和厚度与冲击地压的发生有着密切关系。 冲击煤层的顶板大多数是厚层的坚硬岩石( 如砂岩、灰岩、砾岩等) ，其完整性强， 大葱积悬顶，不仅本身能积蓄弹性能，而且往往使煤体承受强大的压力，易发生 冲击地压。值得注意的是，顶板水对减弱冲击地压有相当大的作用。 根据研究，影响冲击地压发生的岩层为煤层上方l o o m 范围内的岩层。 若定义砂岩的强度系数和弱面系数为1 0 ，则煤系地层的强度比和弱面系数 比列于表2 4 ： i 上袭科技大学硕士学位论文 冲击地压发生、发展过程的影响因素及机理 表2 4 岩石强度比、弱面系数比 t a b l e2 4r o c ki n t e n s i t yr a t i n g 、w e a kc o e f f i c i e n tr a t i n g | o 接别内 i 砂岩 泥岩 页岩煤 采空区冒矸 强度比 1 00 8 20 5 80 3 4o2 弱面系数 1 o0 6 20 2 9 o 3 1 0 0 4 这样，就可定义一个顶板的厚度特征参数，是以砂岩为等同重要的特征值： l s t = h i r i( 2 2 ) 式中：h 。一1 0 0 m 范围内i 种岩层的总厚度： l i - - - 所给岩层弱面系数。 顶板岩层的组合是各种各样的。这样就可根据顶板岩层厚度特征参数来描述 对冲击矿压的影响。从统计分析结果来看，冲击矿压仅发生在具有坚硬岩层的顶 板条件下，其顶板岩层厚度特征参数l s t 一 5 0 。特别是当顶板来压时，我国大多数 冲击地压煤层顶板都十分坚硬，伪顶或直接顶较薄，甚至没有。 表2 5 冲击地压矿井顶板特性 t a b l e2 5t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o o f ss u b j e c tt or o c k b u r s ti ns o m e 矿井顶板岩层类型厚度m 单位拉压强度i m p a 茸落性 天池矿 长兴灰岩 2 2 01 2 0困难 门头沟矿 砂岩 5 一3 01 3 0 - 1 9 o困难 陶庄矿 中粒石英砂岩 2 0 4 01 3 o困难 抚顺矿 油母页岩 1 0 0 - 2 0 02 0 o困难 唐山矿5 槽 砂岩 l o1 5 0困难 唐山矿4 槽 细砂岩 2 0 3 01 7 0困难 唐山矿1 5 槽 砾岩 52 0 0困难 忻州窑矿3 层 中粗砂岩 1 0 5 09 o困难 2 1 3 煤层倾角 实际观测证实，煤层倾角对采煤工作面的矿压显现有着较大的影响。众所周 知，急倾斜煤层工作面顶板下沉量比缓斜工作面要小得多。这主要是随煤层倾角 的增大，上覆岩层作用于层面上的压力见效，而沿层面的切向滑移力增大。 用a n s y s 分析工作面得到有关位移、应力、应变等一系列结果：在两端近 煤壁煤体中，出现了两个高应力集中区，随着倾角的不断增大，在两端近煤壁煤 1 4 东科技大学硕士学位论文 冲击地压发生、发展过程的影响因素及机理 阵中出现的高应力集中区范围不断扩大，不断向外波及。下方煤体的高应力集中 区，无沦是从范围的大小上，还是从应力的量值上，都比上方煤体的应力集中区 大得多。对整个工作面，该部分煤体首先应变软化而进入非稳定平衡态。在外部 扰动下，该部分最具有冲击危险。可以看出，在相同地质和开采条件下，急倾斜 煤层更趋于易发生冲击地压，且工作面下方煤体是首要危险区。 2 1 。4 煤层厚度及其变化 根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。煤层越厚，冲 击地压发生的越多，越强烈。据波兰1 9 5 2 年1 9 5 7 年的统计资料，厚4 - 8 m 的煤 层比l 2 m 厚的煤层中发生冲击地压的次数大6 倍，不过其中也有采煤方法等因 素的影响。我国抚顺矿区的煤层特别厚，虽然顶板为几百米的油页岩、绿色页岩 和松软的冲击层等软页岩，也同样发生冲击地压。 1 0 0 0 50 】5 己0 己5 h m 图23 砚石台矿煤层厚度与冲击地压的关系 f i g2 3s e a md e p t ha n dr o c k b u r s ti ny a n t a im i n e 厂 i 一 00 501 ，5己o三5h n 图2 4 砚石台矿煤层厚度与抛出煤量的关系 f i g24s e a md e p t ha n di ny a n t a im i n e 由上图可知，当煤层厚度小于0 7 m 时，发生的冲击地压仅占2 2 ，而抛出 的煤炭为o 1 9 ( 煤层厚1 5 2 2 m 时为1 ) ：当煤层厚度0 7 1 5 m 时，则发生冲击地 压的占1 7 - 8 ，抛出的煤炭为0 5 8 ；当煤层厚度1 5 0 2 2 m 时，则发生冲击地压 的占7 5 6 ，抛出的煤炭为l ；当煤层厚度大于2 2 m 时，发生冲击地压的为4 4 ， 抛出的煤炭为1