冲击地压和突出的统一失稳理论

言
煤 、岩或其他 有用矿物 与瓦斯突出 （ 瓦斯 包括沼气与＝ 氧化 碳）均称为突 出，与冲击地 压现 象统 一称 为矿 山岩休 中的动力 现象，是 目前世界性的井工采矿 中的严 重的 自然灾 害。 通 过 大 量 观 测 ，冲 击 地 压 和突 出 具 有 一系 列共 同 的 特 点 ；都 是 煤 （ ）体局 部 破 坏 而 岩 发 生的’破 坏过程 具有雪崩 一样的性质 ｝呈 脆性 破坏，其形成 都发 生在 高应力 区，在生产 中
出发生的理 论围绕着使煤 （ 岩）体 突然破坏 的主要 因素 ，提 出了瓦斯说 、地压说及综合说 。 实际上这 些关 于突出发生的假说与冲击地压的强度 理论本质 上是类似 的。 ６年 代中期 ，南非 的库克 和苏联 的霍多特 几乎同时分别提 出了冲击地压和突出的能 量理 ｏ 论。这是 在冲击地压和 突出的各 自范 围内都起 了 重要 作用 的理 论，其中某 些观点和结 论至
密 集，出现裂缝。超过峰值强度后 ，由于裂纹裂 缝密 集开 始破 坏， 出现 了包括裂纹裂 缝在 内
的 广 义 应 变 集 中区 ， 区 内 煤 （ ） 介 质 的 性 质 发 生 显 著 的变 化 ，其 抵 抗 进 一 步变 形 的 能力 由 岩 随 变 形 增 加 而 增加 转变 为 随 变 形 增加 而降 低 ， 即成 为 “ 变 弱化 介 质 。 按 照 塑 性 理 论 中 应 Ｄｒ ｃ ｅ ｕ ｋｒ提 出 的材 料 稳 定 性 判别 准则 ，属 不 稳 定介 质 由于 应 变 弱化 介质 抵 抗 进 一 步 变 形 的 能力 降 低 ，因 而 进 一 步 变 形 将 首 先 在 应 变 弱 化 区 附近 发 生 。煤 （ 岩） 进 一 步变 形 破 坏将 出现 两 种 不 同 的情 况 ：第 一 种 情 况 相 当于 岩 石 试 样 进 行 刚性 试 验 ，过 峰 值 强度 后 岩 石 结 构逐 渐 破 坏 ， 变 形 稳 定 增 加 ， 直 至 试 样 强 度 完 全 丧 失 为 止 。 此 时 破 坏 过 程 是 稳 定 的 、可 以控 制 的 。停 止 加 载 ， 变 形 破 坏 过 程 也 停止 ｝第 二 种 情 况 相 当 于 试 洋进 行 柔 性 试 验 ，过 峰 值 强 度后 的变 形 破 坏 过 程 是 不 能 控 制 的 ， 即使 停 止 加 载 ，在 外 界 扰 动 下 ，试 件 将 自行 发 生 爆 发 性 破 坏 ， 引 起 试 件 一 验 机 系 统 平 衡 破 坏 ，猛 裂 释放 能量 ， 是 具 有 动力 响应 的 非 稳 定 的 动力 失 稳 过 程 。 冲 试 击 地 压 、 突 出 就 是 煤 （ ） 在 外 力 作 用 下 发 生 变 形 过 程 中 ，煤 （ ） 体 内局 部 应 力 超 过 了峰 岩 岩 值 强 度 ，形 成 了 具 有 应 变 弱 化 的应 变 集 中 区 ，煤 （ ） 发 生 非 稳 定 破 坏 的动 力 失 稳 过 程 。 正 岩 如 有的学者所指出的［ ］ ３ ，这 两种 现象 都使 煤 （ ） 发生 破坏 ，其 破 坏 过 程 是 一 致 的 ，都 是 岩
今 仍 有 指 导意 义 ，都 认 为 冲 击地 压 和 突 出是 由于 煤 （ ）体 破 坏 面导 致矿 体 与 围岩 组 成 的变 岩
本文 １ ８ 年 ９月２ 日收 到．廖 灿平编 辑。 ９９ ５ ・ 国家 自然 科学基金 资助项 目．
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没 有 瓦 斯 作 用 的突 出 ， 所 以也 将 冲击 地 压 称 为 煤 （ ） 或 有 用 矿 物 的 突 出 ， 而 突 出 只 是 有 瓦 岩
斯 作 用 的 冲 击 地 压 ０， ０。 最 早提 出 将 冲 击 地 压 和 突 出 这 两 种 现 象 放 在 一 起 进 行 统 一 研 究 的是 苏联 的佩 图 霍 夫 ［ ］ ５。 １ ８ 年 在 我 国 召 开 的 第 ２ 届 国 际 采 矿 安 全 会 议 上 ，再 次 呼 吁 “ 有 冲 击 地 压 又 有 突 出 危 险 两 ９７ ２ 即
动 力失稳过程。因此这就是冲击地压和突出发生的共同的力学过程 ，即这两种现象 的共 同的 机理 。这种失稳是 由于煤 （ 岩）物理力学性质发生变化所引 起的，称为物理失稳。 以便 和压 杆 由于 特 殊 的 几 何 形 状 所 发 生 的 失 稳 有 所 区别 。 当煤 （ 岩）体 内局部应力超过了屈服极限但尚未进入峰值强度后 的 变 形 区 时 ，由于煤 （ ） 岩 的蠕 交 性 质 ， 即使 载 荷 不 再 增 加 ，其 变 形 将 继 续 增 加 。 裂 纹 裂 缝 的继 续 发 展 ，形 成 具 有
应 变 弱 化 的应 变 集 中 区 ，这 种 现 象 称 做 脆 性 蠕 变 ， 或 称 为 静 疲 劳 现 象 ， 最 终 在 外 界 扰 动 下 也
可能动力失稳而发生 冲击地压或突出。在其他条件不变的情况下 ，其经历时 间的 长短取决于 与峰 值强度 的接近程度 ，愈接近峰值强度，发生脆性 蠕变所需时间禽 短。这就是冲击地压或 突 出 发 生 具 有 时 间 滞 后 现 象 的 物 理 基 础 。 煤 （ ） 体 内 首先 发 生 动 态 破 裂 的区 域 称 为震 源 或 岩 突出的 中心，一般 是应变弱化区裂纹进一步发展形成舶 。扰动在冲击地压或突出发 生中的作
种事 故的煤层 非常常见 ，需要考虑其 安全开采 问题，因此研 究冲击地压和突出的统 一理 论是 非常必要 的 ６ 。 目前认为冲击地压是没有瓦斯作用 的突 出，突 出是有 瓦斯 作用的冲击地压 ［］ 的 呼 声愈 来愈 高 ， 国 内 有 的 学者 也 有 这 样 的观 点 。 本 文 就 是 在 这 样 的情 况 下 ，对 冲 击 地 压 和
章梦涛 棘曾 潘一山 和
（ 阜新 矿业 学院 ）
赵阳升
（ 山西矿 业学院 ）
捕要 本文 根 据 近 代 已经 基 本搞 清 的煤 岩 变形破 裂理 论探 讨 了冲击 地 压 和 突 出 现 象的 共 同 机 理 。 作 者 嚣 出： 冲击 地 压 和 突 出都 是 煤 （ ） 变形 系统 处 于非 稳 定平 岩
出。 也就是说二者基本 的预 测预报 和防治措施 都相 同［ ２。 １ ］ ， 过 去 已有 的关 于 冲击 地 压 和突 出发 生 的理 论 ， 也 有惊 人 的相 似 之 处 。 冲 击 地 压 是 煤 （ ） 岩
体 局 部 突 然 破 坏 而 发 生 的现 象 。 所谓 突 然 破 坏 ， 从 开始 破 坏 到最 后结 束 的 过 程 十 分 迅 猛 。 出 即 于 当时 科 学 技术 条 件 的 限 制 ， 只能 根 据 古 典 的 介质 破 坏 的 强 度 理 论 ，认 为这 是 应 力 超 过强 度 的结 果 ，建 立 了最 早 的关 于 冲 击 地 压发 生 的 理 论 —— 强度 理 论 。 突 出也 是 煤 （ ）体 局 部 突 岩 然 破 坏 而发 生 的 现象 。 由于 突 出发 生 不 仅 有地 压 作用 ， 也 有 瓦 斯 的 作 用 ，因 而 早 期 的 关 于 突
用也得到了解释 ，同时说 明只有峰 值强度后 煤 （ 岩）破裂所发生的信息才能对 冲击地压或突
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攥
炭
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报
ｉ ９年 ９１
出的发生进行更有效 的预 报 。与 冲击 地压不 同的是 ，在突出全过程 中始终都有瓦斯 的作用 。 煤 （ 岩）体 内局部形成 了应 变弱化区，该区 内裂纹 间的空 隙为高压瓦斯 充满 ，同时裂 纹
突 出 发生 的统 一理 论进 行 初 步 的 探讨 。
２ 冲击 地 压 和突 出发生 的统 一 失稳 理论
根 据 近 代 已基 本 搞 清 的煤 （ ）变 形破 坏 机理 ，煤 （ ） 体 在 外 力 作 用 下 变 形 破 坏 的过 岩 岩 程 是 煤 （ ） 体 内 裂 纹 裂 缝 发 生 发 展 为 主 导 的过 程 ， 在 临 近峰 值 强 度 附 近 ，裂 纹 在局 部地 区 岩
衡 状 志 下 受到 扰 动 发 生 的动 力 失稳 过 程 。 采 用 失稳 的 能 量 判 据 作 为 冲 击 地 压和 突 出 的统 一 判 据 ，建 立 ７这 两种 现 象统一 的 失 稳理 论 。 关键词 冲 击 地 压和 望 出， 统 一 失穗 理 论 ，能 量 判 据
１ 前
第４ 期
冲 击地 压和 突出 的统 一失 稳理 论
４ §
形力 学系统平衡被 打破 时，释放 的能 量大于所 消耗 的能 量，剩余 的能量转化为使煤 （ 岩）抛 出、 围岩 震 动 的动 能 ，不 同 的是 突 出有 瓦 斯 作 用 。 因此 可 以 明 显 看 出 ， 冲 击 地 压 只 是 忽 略 或
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第１卷第 ４ ６ 期
１ ９年 ９１ ｌ月 ２
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煤
炭
学
报
Ｖ ． １ Ｎｏ ４ ６ ．
Ｄｅ ． ｃ １ ９ ９ １
Ｊ ＯＵ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ ＯＦ Ｃ Ⅲ Ｎ Ａ ＣＯＡ Ｌ ＳＯ ＣＩ ＥＴ Ｙ
冲击地压和突 出的统 一失 稳理论
都 采 用 钻 屑 法和 煤 （ ）破 裂 所 发 出 的 声 脉 冲 和 微 震 进 行 预 报 ’ 在 有 冲 击 地 压 和 突 出 发 生 危 岩 险情 况下 都 采 用 避 免 产 生 高应 力 集 中 的 开采 系 统 ｝选 用 合 适 的 降 低 矿 体 边缘 部 分 应力 集 中 的 顶 板 管 理 办 法 ｝ 将 开 采 解 放 层 作 为 区域 性 防 治措 施， 在局 部 防治 上 采 用 注水 ，钻 孔 开 槽 ， 卸 压 爆 破 等 措 施 降 低 临 近 工 作面 煤 （ 岩） 体 的应 力 ， 使应 力 集 中 向深 部 转 移 ， 以预 陡 冲 击 地 压 和 突 出 的 发生 ’ 利用 震 动 爆 破 诱 发 轻 度 冲 击 地 压或 突 出 以 防止 出 现 高 强度 的 冲 击 地 压 和 突
将 由此 区域 向周 围煤 （ ） 体延 伸 。 当 此 区 域 内 的煤 （ ） 首 先 发 生 动态 破 裂 时 ， 区 内的 瓦 岩 岩 斯 也 将 迅 速 喷 出 ， 同时 周 围煤 （ ） 体 内储 存 的 瓦 斯 将 通 过 与 该 区相 连 通 的裂 纹 裂 缝 经 由该 岩 区面 喷 出。 这 可 能 是 对 突 出开 始 时 涌 出 大 量 瓦 斯 的合 理 解 释 。 由上 所 述 ， 冲击 地 压 和 突 出 的 发 生 是 在 一 定 的 采 矿 条 件 和 地 质 因素 的背 景 下 ，受 采 动 影
响蝶 （ 岩）介质发生变形过程 中，受扰动影响面发生 的动力失稳过程。 冲击 地压 、突出发生
前 媒 （ ） 体 的变 形 可 视 为 准静 态 的 。 冲 击 地 压 ，突 出 发 生 停 止 后 ，煤 （ ） 体 又处 于新 的 岩 岩 平 衡状 态 。 冲 击 地 压 ， 突 出 都 是 使 煤 （ ） 体 从 一 种 平 衡 状 态 跃 变 到 另 一 种 平 衡 状 态 的 过 岩 程 。 因此 可 以研 究 冲 击 地 压 、 突 出发 生 前 煤 （ ） 变 形 系 统 平衡 状态 的性 质 。 如果 平 衡 是 稳 岩 定 则 不 会 发 生 动力 失 稳 过 程 。 若 是 非 稳 定 的则 平 衡 失 稳 将导 致动 力 失 稳过 程 ， 冲 击 地 压 、突 出 就有 可能 发 生 。 用 这 样 的 方 法 研 究 煤 （ ） 变 形 系 统 动力 失 稳 过 程 的 发 生 判 据 ， 即冲 击 地 岩 压 和 突 出 发 生 的 判 据 ， 避 免 了直 接 研 究动 力 失 稳 过 程 数 学上 的 困 难 ，对 于 冲击 地 压 和 突 出 的 预 测 预 报 和 防 治 也 具 有 更 实 际的 意 义 。 变 形 系 统 平 衡 状 态 稳 定 性 的 判 别 一般 采 用Ｄｉｉｈｅ准则 ，该 准则 认 为 当系 统 总 势 能 为 极 ｒｃ ｌ ｔ 小时 平衡 是 稳 定 的 ， 极 大 时是 不 稳 定 的 。设 系 统 总势 能 的 泛 函 为 ，根 据变 分 原 理 仰 ＝０是 势 能 泛 函有 极值 ， 即系 统 处 于 平衡 状 态 的必 要 条 件 。 ｄ ＞０ ，势 能 泛 函有 极小 值 ， 系统 平 时 衡 状 态是 稳 定 的 。ｄ ＜ ０ ，势 能 泛 函有 极 大 值 ，系 统 平 衡状 态 是 非 稳 定 的 。６ ＝０ ， 视 时 。 时