沖擊礦壓礦井工作面回采過程中的能量轉換

黃家滿

(晉城職業技術學院， 山西 晉城 048026)

沖擊礦壓是煤礦巷道或工作面周圍的煤巖體，在一定條件下瞬時釋放大量彈性應變能，導致煤巖體突然劇烈破壞的動力現象，常伴有煤巖體拋出、聲響、震動以及氣浪等，是煤礦的重大災害之一。據統計，截至2015年底，我國煤礦沖擊礦壓礦井已達177對，沖擊礦壓災害正嚴重威脅著煤礦的安全高效生產[1]. 沖擊礦壓發生的機理比較復雜，目前有代表性的主要是強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論等[2]. 近年來，眾多學者對靜載和動載疊加誘發沖擊礦壓展開了研究，通過對煤巖破壞過程中能量變化的分析，提出了動靜載疊加誘發沖擊礦壓原理[3]、沖擊地壓啟動理論[4]等，并針對不同的力源，提出從動載和靜載兩方面進行沖擊礦壓監測和治理，即分源監測、分源治理，研究成果已應用于不同類型沖擊礦壓的防治[5]. 沖擊礦壓的監測方法很多，微震監測已在我國得到廣泛應用[6]，但仍然存在預警準確程度不高的問題。

對于沖擊礦壓礦井，研究煤巖體中彈性應變能的儲存與釋放對于沖擊礦壓的監測與防治具有重要的意義。在進行開采活動前，原巖體中已儲存有大量彈性應變能，開采活動破壞了原巖應力的平衡狀態，在原巖應力重新分布達到新的平衡狀態的同時，巖體內的能量也在發生著轉換，對于工作面來說，這種轉換伴隨著整個回采過程，當大量彈性應變能突然釋放時可能會發生沖擊礦壓等動力災害。本文在提出工作面回采過程中能量轉換基本方式的基礎上，分析了工作面周圍煤巖體內的彈性應變能與礦震的關系以及工作面回采過程中能量的轉換與沖擊礦壓的關系，并對沖擊礦壓的監測與防治提出了建議。

1 回采過程中煤巖體中的能量

上覆巖層的運動是一個時間過程，將工作面回采看作是準靜態，即不考慮上覆巖層運動的動能，主要對回采過程中工作面周圍煤巖體中的彈性應變能與煤巖體破壞過程中的能量損耗進行分析。

1.1 工作面周圍煤巖體的彈性應變能

煤巖體在地下處于三向受力狀態，假設煤巖體單元中儲存的彈性應變能為體積改變能，則彈性應變能密度可以用下式表示[7]：

由上式看出，彈性應變能與3個主應力的二次方正相關。

隨著工作面的回采，原巖應力的平衡狀態被打破，采場上覆巖層發生垮落、斷裂、彎曲下沉，根據“砌體梁”結構模型[7]，由于上覆巖層所形成的塊體咬合結構，回采工作面前方的煤壁將承受大部分懸露巖層的重量，導致工作面前方的支撐壓力增加，采空區的支撐壓力降低，應力重新分布后達到了新的平衡狀態。由于彈性應變能與應力的二次方正相關，因此應力升高的區域意味著能量的積聚，而應力降低的區域意味著能量的減少。用WS1表示回采前煤巖體中儲存的彈性應變能，用WS2表示回采后煤巖體中儲存的彈性應變能，用ΔWS表示回采前后煤巖體中彈性應變能的變化，即：

ΔWS=WS2-WS1

在應力升高區域，ΔWS為正值；在應力降低區域，ΔWS為負值。工作面回采的過程中，在應力升高區域積聚的彈性應變能除了體積改變能，還有頂板彎曲彈性能，與頂板懸伸長度的五次方成正比[7]，因此對于厚層難冒頂板，懸頂面積越大，頂板中儲存的彎曲彈性應變能就越大，發生沖擊礦壓的危險程度也就越高。

1.2 煤巖體內發生破裂消耗的能量

根據試驗研究，巖體受力產生變形和破壞可以分為4個階段，分別是壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段[7]. 在塑性階段，巖體內的微破裂逐漸增多，但隨著變形的增大，巖體內的應力仍在增加，最終達到極限強度。在破壞階段，裂隙進一步擴展貫通，巖體會沿著某些破裂面運動，應力開始下降，沖擊礦壓往往發生在巖體的破壞階段。用Wf表示擴展地下巖體中的裂隙和產生新的破裂所消耗的能量，這部分能量是不可恢復的。Wf的大小與地下煤巖體受力產生變形和破壞時所處的階段有關。在巖體內裂隙產生、擴展和貫通的過程中，會發生很多物理信息的變化，包括應力、震動、溫度、聲音、電磁輻射等。從能量的角度分析，這些物理信息的變化意味著能量的變化。

2 回采過程中煤巖體內能量的轉換

2.1 能量轉換的基本方式

伴隨工作面采煤機的割煤，上覆巖層緩慢彎曲下沉，工作面后方懸露的頂板面積逐漸增大，煤壁前方的支撐壓力也逐漸升高。將工作面回采看作是準靜態，假設地下煤巖體為彈性體，不考慮能量的損耗，根據能量守恒定律，上位巖層對下位巖層施加的載荷所做的功Wr，即巖層因開挖所釋放的能量，將全部轉化為下位巖層中應力升高區域的彈性應變能ΔWS儲存起來。

考慮能量的損耗，Wr將不能全部轉化為彈性應變能ΔWS，其中的一部分能量將被消耗于擴展地下巖體中的裂隙和產生新的破裂，即轉化為Wf[8]. 工作面回采過程中能量轉換的基本方式可以用下式表示：

Wr=ΔWS+Wf

從式中可以看出，在Wr固定不變的條件下，巖體內因破裂消耗的能量Wf越多，則在應力升高區內積聚的彈性應變能ΔWS就會越少。Wf可以反映巖體的破裂程度，如果已知巖體內產生破裂的次數以及每次破裂所消耗的能量，理論上就可以計算出Wf的大小。

2.2 煤巖體內的彈性應變能與礦震的關系

當礦震發生時，煤巖體內的破裂面突然擴張，煤巖體內因破裂而釋放的能量會有一部分轉化為動能。用Wrz表示煤巖體因一次破裂而釋放的能量，用ΔWst表示在振動平衡位置處時的彈性應變能，用ΔWSmax表示在振動最大振幅處的彈性應變能，用Ek表示振動的動能，用Wfi表示一次破裂所消耗的能量，則在振動的最大振幅處，動能為0：

Wrz=ΔWSmax+Wfi

在振動的平衡位置處，動能最大：

Wrz=ΔWst+Wfi+Ek

在煤巖體內摩擦阻尼的作用下動能會被逐漸消耗，直至恢復到靜力平衡狀態。因此振動的動能Ek可以看作是煤巖體中多余的彈性應變能，即：

Ek=ΔWSmax-ΔWst

震源的振動在地下巖體內傳播形成礦震，在傳播的過程中由于內摩擦阻尼的作用能量會被逐漸消耗。在振動的過程中，振動的動能與彈性應變能是相互轉化的關系。

對于工作面周圍的煤巖體，宏觀上能量轉換的基本方式可以用Wr=ΔWS+Wf表示，而在微觀上每次破裂發生時，在局部的震源區，能量的轉換也在發生。雖然由于局部的能量釋放誘發了礦震，但是在多數情況下，局部的破裂不足以引起巖層顯著的宏觀運動，宏觀上巖層的運動仍然是準靜態的。目前測量的礦山震動能量與整個巖體破壞所釋放的能量相比是很小的一部分，占0.001到0.01倍[9]. 宏觀上煤巖體內因破裂而消耗的能量Wf為每次破裂消耗的能量Wfi之和。

沖擊礦壓礦井可以利用微震監測技術記錄和分析整個工作面甚至井田范圍內煤巖體產生的破裂，包括每次礦震發生的位置以及礦震的能量等[9]，通過這些信息可以分析煤礦開采過程中的能量轉換。暫不考慮礦震產生的動載荷對工作面周圍煤巖體內彈性應變能的影響，在理想狀態下，假設工作面周圍的煤巖體是均質連續的，沒有地質構造的影響，且推進速度保持恒定，則工作面回采時每天巖層釋放的能量Wr為固定值，根據公式Wr=ΔWS+Wf，工作面周圍的應力升高區中積聚的彈性應變能WS保持不變時，巖體內破裂消耗的能量Wf也保持不變，表現到礦震上，每天的礦震次數和礦震能量應保持穩定。改變假設中的一個條件進行分析：

1) 當煤巖體為非均質時，監測到的礦震活動將會產生波動：當工作面周圍或一部分煤巖體比較堅硬完整時，比如出現了厚層堅硬頂板，此時巖體內的破裂比較少，根據能量轉換的基本方式，巖體內破裂消耗的能量Wf減少時ΔWS會變大，因此彈性應變能WS積聚增多，此時一旦發生破壞易產生能量較高的礦震；當工作面周圍或一部分煤巖體比較軟弱破碎時，巖體內發生的破裂較多，表現為發生的礦震次數較多，破裂消耗的能量Wf增多，ΔWS減少，彈性應變能難以積聚，因此以低能量礦震為主。

2) 當工作面的推進速度顯著加快時，由于煤巖體內破裂的擴展是一個時間過程，導致巖體內破裂消耗的能量Wf減少，ΔWS變大，因此彈性應變能WS2積聚增多。為了降低沖擊危險，工作面回采時應該保持較低且穩定的回采速度。

3) 當受上覆巖層運動的影響，巖層因開挖釋放的能量Wr增大時，巖體內破裂消耗的能量Wf與應力升高區內彈性應變能ΔWS都會增大，表現在礦震上就是礦震的活動性增強，意味著彈性應變能WS2積聚增多。

4) 當受地質構造運動的影響，比如遇到了逆斷層，在斷層附近煤巖體內彈性應變能在回采前WS1就已經較多，工作面回采導致在該地質構造附近區域的煤巖體內的彈性應變能WS2，相比于不受地質構造影響的區域，積聚到更高的水平甚至進入到巖體破壞階段，因此在礦震上表現為礦震的活動性增強，可能出現強礦震，甚至造成斷層活化。

在實際回采時，以上各種條件都可能會發生變化，煤巖體內的彈性應變能與礦震的變化就會復雜。對于礦震的次數與能量，也許是礦震的次數增多，但震動的能量都較低；也許是礦震的次數減少，但是震動的能量較高；也有可能是二者同步變化。

從空間上看，礦震經常發生在工作面的周圍。礦井監測到綜放工作面回采過程中礦震在豎直剖面和水平剖面上的投影，分別見圖1，2[10]. 圖1,2表明，工作面回采是誘發礦震的主要原因。

圖1 工作面軌順礦震超前分布圖

圖2 1 000 J以上礦震分布平面圖

從圖1看，工作面回采過程中煤巖體內的破裂絕大部分都發生在工作面的周圍，而且主要是在工作面前方的煤巖體中，大部分是頂板巖層的破裂，這一區域與工作面前方的應力升高區相對應，說明在應力升高區，彈性應變能積聚的同時，破裂也在增多，這一區域的巖體正處于應力升高階段或破壞階段。對于發生在工作面后方的礦震，代表著頂板的垮落、破斷以及咬合結構的失穩。

從圖2看，在工作面的初采階段，1 000 J以上礦震較少，直至工作面直接頂與基本頂初次來壓之后，隨著采空區面積的增大，礦震的分布也越來越密集，這是由于隨著工作面的回采，上覆巖層的運動逐漸向上發展，工作面前方煤巖體的載荷逐漸加大，導致礦震越來越多。在工作面擴面之后，尤其是在擴面段頂板來壓之后，工作面前方煤巖體應力升高，因此礦震的分布范圍也隨之擴大。

上述分析表明，礦震活動是工作面回采過程中能量釋放引起的正常事件。通過對礦震活動的分析，可以推斷煤巖體中彈性應變能的變化，但是受多方面因素的影響，在工作面回采過程中，煤巖體內的彈性應變能與礦震活動之間的關系可能變得復雜。煤巖體內的彈性應變能在積聚增大時，礦震活動的表現可能是在增強，也可能是在減弱，這與具體的地質開采條件有關。在利用礦震監測分析工作面周圍煤巖體中彈性應變能的變化情況時，可以與彈性波CT成像技術相結合，通過反演計算劃分出的高波速區域對應于高應力區[11]，同時也可以采用其他方法進行驗證。

2.3 能量的轉換與沖擊礦壓的關系

在工作面回采過程中，能量的轉換時刻都在發生，大部分礦震并不會對工作面造成沖擊破壞。根據動靜載疊加誘發沖擊礦壓的原理[3]，沖擊礦壓發生的條件是采掘圍巖中的靜載荷和礦震誘發的動載荷疊加后超過煤巖體沖擊破壞的臨界載荷。從能量的角度分析，圍巖中的靜載荷來源于開采前積聚的彈性應變能WS1和開采過程中積聚的彈性應變能ΔWS，而動載荷來源于礦震傳播的能量，礦震的能量由煤巖體內發生破裂前儲存的彈性應變能轉化而來。根據工作面回采過程中能量轉換的基本方式，上述關系見圖3.

圖3 能量轉換與沖擊礦壓的關系圖

3 對沖擊礦壓監測與防治的建議

上述分析和目前的研究成果都表明，沖擊礦壓的監測與防治需要從靜載荷與動載荷兩個方面進行。對于動載荷的監測，主要是通過微震監測系統或者地音監測系統。通過對工作面回采過程中能量轉換的分析，礦震活動可以反映煤巖體中彈性應變能，也就是靜載荷的變化。建議在使用微震監測方法對沖擊礦壓災害進行預警時，要注意結合工作面的具體條件，分析區域內煤巖體中彈性應變能的變化，可以采用礦震震動波速度層析成像技術[11]，以提高預警的準確程度，對疑似應變能積聚升高的區域，可以采用鉆屑監測、應力與變形監測、電磁輻射監測等方法進行驗證。

根據沖擊礦壓的發生機理，沖擊礦壓的發生，首先煤巖體要能夠進入到峰后的應變軟化階段，在高靜載或高動載環境下，這種情況都是可能發生的；此外，煤巖體發生破壞后釋放的彈性能量要足夠對巷道產生沖擊破壞。在沖擊礦壓的防治中，根據工作面回采過程中能量的轉換關系，對于靜載荷，建議使用可以減少WS1與ΔWS以及增加Wf的方法。比如在回采前以及回采時通過打卸壓鉆孔改變煤體的力學性能，提前釋放一部分煤巖體中的彈性應變能，人為制造一些裂隙，使應力峰值向煤巖體深部轉移。對于強震所產生的高動載，要通過降低其與靜載荷的疊加進行治理。動載是否會對巷道造成沖擊破壞，與礦震能量的大小、傳播過程的衰減以及煤體中的靜載荷有關。發生強震說明在震源區積聚有大量彈性應變能，建議必要時可以通過分析震源區所在的巖層，提前采用深孔斷頂或者水力壓裂等措施釋放其中的彈性應變能。為了增加動載傳播過程的衰減，可以在巷道周圍人為的制造弱結構[12].

4 總 結

1) 提出了工作面回采過程中能量轉換的基本方式。巖層因開挖所釋放的能量Wr，一部分轉化為應力升高區域的彈性應變能ΔWS儲存起來，另一部分Wf將被消耗于擴展地下巖體中的裂隙和產生新的破裂，即Wr=ΔWS+Wf.

2) 基于能量轉換的基本方式，在不同地質開采條件下，結合礦震監測實例，分析了礦震活動與煤巖體內彈性應變能的內在關系以及工作面回采過程中能量轉換與沖擊礦壓的關系。

3) 對沖擊礦壓的監測與防治提出了建議。在監測方面，使用微震監測方法時，建議結合工作面的具體條件，分析區域內煤巖體中彈性應變能的變化，可以采用礦震震動波速度層析成像技術，以提高預警的準確程度。對于靜載荷的治理，建議從減少WS1與ΔWS以及增加Wf等方面考慮。對于動載荷的治理，建議從減小震源區的能量及增加傳播過程的衰減等方面進行。