冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析_王桂峰

第1期
王桂峰等：冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析
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至引发强矿震。 3) 应力分布的动态变化， 使工作面前方煤岩结 构仅达到弹性变形阶段，顶板岩层在断裂瞬间释放 的大量能量，也可能使煤岩结构由弹性变形阶段急 剧跳跃到裂隙突变阶段，直至引发强矿震。 4) 冲击矿压是矿震集合中的子集， 冲击矿压的 发生都与矿震有关，但并非每一次矿震都会引发冲 击矿压 。矿震能量越大，转变为冲击的可能性越 大
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冲击和矿震采场空间孕ຫໍສະໝຸດ 模型冲击煤岩体的破坏是渐进破坏过程，煤岩体的
变形破坏是以裂纹发生发展为主导的过程，微破裂 扩展、贯通是冲击破坏前的主要显现[7]。大量研究 表明[8-9]，采场强矿震和冲击的孕育过程可分为 3 个阶段：1) 弹性变形，积聚较大弹性能；2) 裂隙 稳定扩展，产生非弹性变形，体积稳定膨胀；3) 突 变阶段， 裂缝非稳定加速扩展， 体积膨胀迅速增大， 剪切破裂发生，直至主破裂，产生强矿震和冲击。 由此可建立以下采场冲击和强矿震的空间孕育模
第 31 卷 第 1 期 2014 年 01 月 文章编号：1673-3363-(2014)01-0041-081
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
Vol.31 No.1 Jan. 2014
冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析
王桂峰，窦林名，李振雷，巩思园，何江，蔡武
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采矿与安全工程学报
第 31 卷
concentration area can reach high inoculation degree before it was unloaded and destroyed gradually. Crack extension stage shows the abnormal precursory information of strong tremor and rock burst, and the crack mutation stage predicts the occurrence of strong tremor and rock burst. The previous strong tremors and rock bursts in No.2 Workface of No.1-3 District show obvious breeding characteristics. Especially before the rock bursts happened on 26th, Jun and 15th, Oct, the seismic events and energies are very active, which presents a more obvious breeding characteristics. Key words mining engineering；rock burst；tremor；breeding model；precursory information 冲击矿压是开采过程诱发并伴有微震活动和 弹性能猛烈释放的煤岩结构的破坏过程
DOI:10.13545/j.issn1673-3363.2014.01.007
Space breeding mechanism of rock burst and its microseismic characteristics
WANG Guifeng，DOU Linming，LI Zhenlei，GONG Siyuan，HE Jiang，CAI Wu
a space breeding model of stope was established in this paper. In the model, roof, coal seam and floor was regarded as a whole system to investigate the fracture, instability and burst process of coal-rock structure. In addition, this theory was verified through microseismic monitoring in a stope with strong rock burst tendentiousness.The results show that the space breeding model can accurately describe the entire process from stable state to instability of coal-rock structure. The area with high static stress concentration is the stress basis for instability and failure of coal-rock structure. Mining operations launch the dynamic process of strong tremor and rock burst, and the dynamic load caused by roof fracture can quickly trigger the dynamic process into crack mutation stage and even lead to instability and failure of coal-rock structure. The emergence of strong tremor and rock burst depends on whether the high stress
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4) 冲击矿压是某些封闭孕育场内能量的突然 释放。孕育场中裂隙突变发展产生的强矿震，使自 由空间周边岩体在冲击载荷下破坏和移动，为孕育 场积聚弹性能的瞬间释放提供解锁的条件，但随着 采场的推进，工作面前方煤岩体依次经历围压递减 (卸载)到卸载破坏的完整过程[14]，孕育场积聚的弹 性能逐渐被释放。因此强矿震和冲击的发生取决于 工作面前方高应力集中区域能否在遭到逐渐卸载 破坏前就已经达到较高的孕育程度。如果高应力区 域仅达到弹性、裂隙稳定扩展或刚孕育到裂隙突变 阶段，并在受到顶板断裂等动载扰动前就已经被破 坏，那么强矿震和冲击就不会发生。 2.2 冲击和矿震采场空间孕育的裂隙扩展理论 采场空间煤岩体中裂隙的受压状况可视为图 2 所示的双轴受压平面应变状态，裂隙尺度为 2 a ， 边缘受到双轴应力 1 和 2 。
(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)
摘要
根据“围岩-煤体”系统在开采过程中的运动变化特征，建立“一大两小”采场空间孕育模
型，将顶板、煤层和底板作为一个完整的系统来考察煤岩结构破裂到失稳乃至冲击的过程，并以 具有向斜构造和巷道交叉区域等典型孕育场的某矿区冲击煤层的微震现场实测研究予以论述。研 究表明，空间孕育模型可以准确描述煤岩结构从破裂到失稳乃至冲击的整个过程，其中静态高应 力集中区域是煤岩结构失稳破坏的应力基础，回采作业开启了强矿震和冲击的动态孕育过程，顶 板断裂引发的动载荷可以触发动态孕育过程快速进入裂隙突变阶段乃至失稳破坏，强矿震和冲击 的发生取决于走向上高应力集中区域能否在遭到逐渐卸载破坏前就已经达到较高的孕育程度。孕 育过程中的裂隙稳定扩展阶段是强矿震和冲击前兆信息的异常阶段，裂隙突变说明强矿震和冲击 的即将发生。 该矿区 1-3 区二段工作面历次强矿震和冲击表现出明显的孕育特征， 特别是 “6・26” ， “10・15”冲击前，矿震频次和能量异常活跃，孕育特征更为明显。 关键词 采矿工程；冲击矿压；矿震；孕育模型；前兆信息 P 631 文献标志码 A 中图分类号
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型，如图 1 所示。
。 采场中
的煤层、底板、顶板构成一个平衡的力学系统，特 别是随采场的推进，工作面前方煤岩结构的应力分 布也处于动态变化之中[3-4]， 当应力的动态变化使围 岩介质达到破坏的临界状态时，某些外界因素就可 能诱发煤岩结构的破坏。冲击矿压发生的机制极为 复杂、影响因素颇多，关于其机理和预报方法的研 究已成为国内外研究的重点与难点[5-6]。 冲击矿压具有突发性，但它的孕育过程一般是 相对缓慢的，它是由煤岩结构在静态地应力的基础 上，受回采动态扰动逐渐失去其承载能力，最后进 入突变和失稳阶段的结果，所以冲击矿压是一个兼 有静、动态 2 种属性的过程。而冲击矿压研究的本 质是研究其孕育机制并为预报提供理论依据，因此 为揭示冲击矿压发生的内在机制，迫切需要建立一 个能兼有 2 种性能的理论及相应的研究方法。本文 根据 “ 围岩 -煤体 ” 系统在开采过程中的运动变化特 征，通过建立“一大两小”采场空间孕育模型，将顶 板、煤层和底板作为一个完整的系统来考察煤岩结 构破裂到失稳乃至冲击的整个过程，并以具有向斜 构造和巷道交叉区域等典型孕育场的某矿区冲击 煤层的微震现场实测研究论述采场空间孕育机制， 研究结果可为探索冲击矿压内在机制及其前兆信 息识别理论和方法提供新思路、新方法。
收稿日期：2013-09-25 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类课题(20120095120019)；国家自然科学基金联合基金项目(51174285)；江苏高校优势学 科建设工程项目(SZBF2011-6-B35)； 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题项目(SKLCRSM12X08)； 江苏省普通高校研 究生科研创新计划项目(CXZZ12_0949) 作者简介：王桂峰(1982-)，男，江苏省徐州市人，讲师，博士，从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的研究。 E-mail：wgfskl@ Tel：13813298952
图 1 采场冲击和矿震的“一大两小”空间孕育模型 Fig. 1 One big and two small space breeding model of rock burst and mining shock in coal mining