煤矿冲击地压危险性评价

关于煤矿冲击地压危险性评价讨论

摘要：根据“围岩—煤体”系统在开采过程中力学结构和力学状况的运动变化特征，研究了瞬间加载时“围岩—煤体”系统从稳定状态到失去稳定的物理、力学过程，提出了冲击地压发生的判别准则。岩石的声发射与岩石在载荷作用下的破坏程度有关，根据此原理可对冲击地压危险性进行评价和预报。

关键词：“围岩—煤体”系统；冲击倾向性；声发射

引言

冲击地压是煤矿生产中遇到的严重灾害之一。随着开采深度的不断增加和开采范围的日益扩大，冲击地压的危害日趋严重，并已成为我国煤矿生产中亟待解决的岩石力学研究课题。为了深入了解冲击地压的动态过程及机理, 用不同的冲击地压观测的方法，对评价煤层冲击危险程度进行比较, 以提高预测与防治冲击地压水平, 达到降低灾害，减少损失，避免事故发生。

1 “围岩—煤体”系统失稳破坏探讨

1.1 工作面开采过程中煤体的夹持作用

在开采过程中“围岩—煤体”是一个力学系统，其中任何一个失稳都有可能引起冲击矿压的发生。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。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。围岩对煤体加载方式有两种：缓慢加载和瞬间加载。缓慢加载是，一般不会产生重大灾害。瞬间加载时，坚硬顶板突然发生断裂，顶板和煤体释放大量的能量。当系统释放能量大于煤体破碎、移动的所需能量时，该系统就会失稳，发生冲击地压。坚硬顶板断裂是冲击地压发生的必要条件，可以根据这点来评价预测冲击地压。

1.2“围岩—煤体”系统失稳破坏的机理与冲击地压的发生

冲击地压现象的复杂性主要是由“煤体—围岩”系统本身的复杂性、煤体微观组织结构的不确定性、冲击地压影响因素的多样性以及冲击地压从孕育到产生所伴随的多种非线性过程的耦合性决定的。以往研究结果表明：冲击地压是一种能量释放在时间上非稳定、在空间上非均匀的过程。从时间上看，煤岩体中能量的释放速率大于消耗能量速率，系统的破坏是不稳定的；从空间上看，各点处的能量释放量构成了空间能量释放梯度。在总释放量相同的条件下，如果能量释放的空间分布是不均匀的，或者说是集中在某一点或某几点上，则在这些点上所释放的能量就有可能突然克服周围煤岩体的阻力，从而形成冲击失稳。

煤层巷道的开挖本身就是一个动态、不可逆的过程；随时间的延续，煤层暴露面附近的煤岩体不断发生变形破坏，煤层中所积累的弹性应变能不断释放和转化，并促使系统向耗散结构不断进化。从微观角度而言，应变能的作用改变了煤

岩体中缺陷的数量、状态和分布，即改变了煤岩的显微结构，促使其通过自组织过程向着最终的稳定态发展；从宏观角度而言，应变能的集中会导致“煤体–围岩”系统的整体稳定性发生突变。巷道未开挖时，“煤体—围岩”系统可认为是一个封闭系统。在开挖阶段，煤体单元内能取决于内力变化和热量流动，而煤体体积元内能守恒则是一个动态过程。随着巷道开挖，巷道周边煤层进入非平衡态。巷道开挖初期，周边煤体处于非平衡态线性区域，只有当煤体内单位体积元的熵产生强度小于0时，系统才偏离平衡定态，煤体才会失稳。随着开挖的深入，巷道附近煤层由非平衡态的线性区域进入到非平衡态的非线性区域，则巷道附近煤体稳定性可通过煤层内热力学过程中某一状态下超熵产生来判定。实验结果表明：未受冲击影响的煤体，峰后表现出明显的脆性断裂特征；而受过冲击影响的煤体，峰后则表现出一定的黏性破坏特征，这不仅说明冲击能量释放造成煤体内原有损伤的增加，而且说明煤体原有的脆性特征逐渐转变为韧性和黏性特征。

2 冲击倾向性能量指标分析

2.1 煤层冲击倾向性

冲击倾向性煤层中裂纹扩展同样符合最小耗能原理，即裂纹扩展路径总会选择系统耗能最低的方向，顶底板作用下的煤体可以认为是一个受压系统，在这个系统里，裂纹发展的每个阶段都伴随着能量的吸收与耗散，能量的耗散主要用于寻求煤体新的平衡稳定态和追求裂纹有序的扩展，在这个过程中，煤体的稳定性在变化。

煤岩学分析结果表明：

(1) 有机显微组分的力学性质以及含量决定了煤体的物理力学性质。显微硬度和显微脆度均较大的煤体较易发生冲击；

(2) 在显微组分分布简单且原生损伤越小的情况下，冲击倾向性越小；反之，则越大；

(3) 煤体的微观结构特征和煤层宏观结构有一定的相似性，在一定条件下能够反映煤层宏观构造的基本特征和受力破坏历史情况。煤样的微观形貌和结构特征可作为确定煤层冲击倾向性的辅助依据[17]。

2.2 冲击能量指标W N和有效冲击能量W Y

冲击地压的发生必须具备两种因素：应力条件和煤体力学特性条件。应力条件是矿井动力现象的根本作用力，属于外在因素。煤层的冲击危险性与煤体的结构特征关系非常密切，煤层的冲击倾向性是煤的固有属性。多年来研究者们围绕冲击地压的定量预测进行了大量研究，提出了多种判别煤层冲击倾向性指标。经过郭建卿等对不同试样进行单轴压缩试验结果可得出煤样的弹性变形指标K E与弹性能量指标W E之间线性相关；采用冲击能量指标W N作为煤层冲击倾向性的判

别是一种过高的估计，而有效冲击能量W Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系，作为煤层冲击倾向性的判别比较合理；动态破坏时间t D相差悬殊，与其他冲击倾向性判定指标相关性不明显。冲击能量指标是煤样在单轴加载过程中储蓄总能量与破坏过程中释放能量的比值，但是，冲击能量指标没有考虑煤样在破坏前塑性变形所消耗的能量，因此，郭建卿等经过试验提出有效冲击能量指标W Y，有效冲击能量指标是指峰前煤样储存的弹性能量与峰后破坏过程的释放能量的比值。

不同煤样峰值前的弹性能量与塑性能量相差很大，软煤样的冲击能量指标W N通常小于2，中硬煤则在2～5，硬煤则大于5；而软煤样的有效冲击能量指标W N通常小于1，中硬煤则在1～3，硬煤则大于3。所以郭建卿等认为用冲击能量指标W N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计，而有效冲击能W Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系，作为煤层冲击倾向性的判别比较合理。经过试验不同煤样的动态破坏时间相差很大，与弹性能量指标W E、弹性变形指标K E、冲击能量指标W N以及有效冲击能量指标W Y相关性并不明显，因此不适合作为评价指标来应用。

3 地音法预测冲击地压

在冲击地压的危险性评价方面，目前主要采用综合评价法，其中有分析认识法，地震法，地音法以及最小钻孔直径法。中国矿业大学窦林名教授就地音法做了详细研究。研究表明岩体中随机发射的低音信号与岩体中的压力水平及其增长相关，可以以此来评价岩体中的应力状态。

目前煤层冲击危险评价方法有载荷钻孔实验法，冲击能量指数测定，物理相态测定方法，冲击危险程度指标综合分析等。

4 结论

(1)冲击地压发生的判别准则准确地描述了“围岩—煤体”系统从稳定状态到失去稳定的整个过程。利用必要条件可以预测可能发生冲击地压的时间和位置，在现场取得了较为成功的应用。

(2)采用冲击能量指标W N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计，而有效冲击能W Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系，有效冲击能量指标W Y作为煤层冲击倾向性的判别更加合理。

(3)岩石的声发射和岩石在载荷作用下破坏的过程紧密相关，根据其相互关系, 采用岩石的声发射方法，可以对冲击地压的危险性进行评价和对冲击地压进行预报。声发射的评价指标可采用其能量和事件数的偏差值。