論文推薦|施天威等:基於能量貯存及釋放主體的煤礦衝擊地壓分類

2021-01-08 全國能源信息平臺

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創新點

深部煤炭資源的大量開採造成衝擊地壓災害頻繁發生，如何有效的監測和防治成為當前研究重點，而監測和防治的基礎是準確的認識、掌握衝擊地壓發生機理和發生準測。本文在調研已有衝擊地壓分類方法的基礎上，依據擾動響應失穩理論，從衝擊地壓能量貯存及釋放主體的角度給出了衝擊地壓新的分類方法，分析了各類型衝擊地壓發生機理和發生準則，並進一步展開基於機理和準則的預測和防治措施初探。該研究成果有助於全面掌握衝擊地壓災害，對衝擊地壓工程監測、防治具有較好的指導意義。

作 者

施天威1,潘一山1,2,3,王愛文1,代連朋3

作者單位

1. 遼寧工程技術大學 力學與工程學院；2. 遼寧大學 環境學院；3. 東北大學 資源與土木工程學院

1

研究背景

由於淺部煤炭資源的枯竭,國內礦區大部分轉入深部開採,而深部地質條件更加複雜、多樣,伴隨的衝擊地壓等動力災害頻次增多,釋放能量增大,造成的破壞更加嚴重。如東保衛煤礦的「7·22」衝擊地壓事故,事故使-500迴風巷裡段120m範圍內底臌0.5~1.8m,上幫煤體移動0.5~1.2m,局部片幫,片幫最大寬度0.8m,巷道剩餘最小高度0.8,造成2人死亡,1人重傷,經調查分析為7.0m厚的黃白色粗砂巖基本頂斷裂引起;千秋煤礦「11·3」衝擊地壓事故,震級達4.1級,使21221掘進下巷巷道裡段約400m範圍內發生不同程度的變形,造成10人死亡,64人受傷,危害巨大,經事故調查分析,由落差達50~500m的F16逆斷層錯動引起。可以看出,不同地質條件下的礦井發生衝擊地壓的原因存在不同,體現了衝擊地壓類型的多樣性。

前人以衝擊地壓案例為導向,針對性的研究了各類型衝擊地壓發生機制,取得了顯著的成果。但對衝擊地壓系統性的研究較少,特別是基於分類下的衝擊地壓發生機理、發生準則及預測和防治措施的系統性研究。因此,筆者將在研究已有分類方法基礎上,給出一種新的分類方法,在此基礎上,系統性的分析各類型衝擊地壓發生機理、發生準則等,提出有針對性的監測和防治措施,實現分類防治,降低礦井衝擊地壓危害,保障井下人員的安全。

2

摘 要

衝擊地壓研究系統包括發生機理、發生準則及基於機理和準則的預測和防治。因誘發衝擊地壓影響因素眾多,相應的類型多樣,傳統的研究多集中在機理、監測及防治的獨立性研究上,造成現場衝擊地壓預測和防治的盲目性。

為了系統性掌握衝擊地壓機理,提高衝擊地壓預測和防治效率,通過調研已有的衝擊地壓分類方法,從能量貯存及釋放主體的角度提出了一種新的衝擊地壓分類方法;依據擾動響應失穩理論,分析了各類型衝擊地壓的發生機理;建立各類型衝擊地壓力學模型,得到了衝擊地壓發生條件的解析解和發生時釋放能量估算公式;並對分類方法在預測和防治中的應用進行了初探。

研究結果表明:

根據能量貯存及釋放主體的不同,衝擊地壓劃分為煤體貯存及釋放能量型(Ⅰ)、頂板貯存及釋放能量型(Ⅱ)、斷層帶及圍巖貯存及釋放能量型(Ⅲ)3種類型。

Ⅰ型衝擊地壓由煤體壓縮失穩並釋放貯存的彈性能產生,發生條件由煤體固有屬性單軸抗壓強度σc和衝擊傾向性指數K決定,釋放能量與衝擊傾向性指數K呈反比關係。

Ⅱ型衝擊地壓由頂板-煤層變形系統中頂板斷裂失穩誘發,頂板抗拉強度σt越大,衝擊的臨界採空區跨度Lcr越大,失穩垮斷時釋放能量也越大。

Ⅲ型衝擊地壓由斷層帶及圍巖系統中斷層帶巖石在軟化階段失穩產生,失穩條件由斷層結構及圍巖剪切模量確定,失穩時釋放能量與斷層落差成正比關係。

基於各類型衝擊地壓的分析,提出了針對Ⅰ型衝擊地壓臨界應力Pcr的監測方法及其調控防治方法,針對Ⅱ型衝擊地壓頂板的變形監測方法和支撐頂板或誘導垮斷的防治方法,針對Ⅲ型衝擊地壓斷層附近應力監測和降低斷層處應力集中程度的防治方法。

3

文中圖片

圓形巷道分析模型

煤體單壓雙線性本構模型

彈性區貯存能量W與衝擊傾向性指數K關係

頂板-煤層變形系統

巖石單拉雙線性本構模型

頂板貯存能量W與臨界採空區跨度Lcr關係

斷層帶及圍巖系統

斷層帶及圍巖系統分析模型

斷層帶巖石應力應變曲線

煤體貯存及釋放能量型衝擊地壓波形

頂板貯存及釋放能量型衝擊地壓波形

斷層帶及圍巖貯存及釋放能量型衝擊地壓波形

衝擊傾向性指數K與含水率Y關係

來源：

施天威,潘一山,王愛文,等. 基於能量貯存及釋放主體的煤礦衝擊地壓分類[J]. 煤炭學報,2020,45(2):524-532.

SHI Tianwei,PAN Yishan,WANG Aiwen,et al. Classification of rock burst in coal mine based on energy storage and release bodies[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(2):524-532.

責任編輯：常明然

編輯整理：郭曉煒

審 核：常琛

End

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