基于能量要素的沖擊地壓致災(zāi)機理分析

王磊WANG Lei；夏天糠XIA Tian-kang

（①黑龍江科技大學，哈爾濱150022；②國能神東煤炭集團榆家梁煤礦，榆林719316）

0 引言

沖擊地壓作為巷道圍巖的災(zāi)害之一，嚴重制約著礦井的正常生產(chǎn)。基于對沖擊地壓的研究，大量理論[1-3]開始用于沖擊地壓的評價、預(yù)測和防治之中。Wang J.A.和Park H.D[4]在沖擊地壓評價體系中，引入彈性能密度指標。S.M.Lee[5]發(fā)現(xiàn)了單軸抗壓強度與沖擊地壓的發(fā)生關(guān)系密切。丁鑫等[6]基于力學理論，將沖擊傾向性的本質(zhì)歸結(jié)為煤巖體的卸荷與塑性結(jié)合作用，建立了煤巖損傷本構(gòu)模型，對沖擊地壓進行了評判。潘一山等[7]對照沖擊地壓現(xiàn)狀，推導出沖擊地壓的理論模型，將地應(yīng)力、煤巖物理力學參數(shù)和工程實踐聯(lián)系起來，通過公式定量計算出沖擊地壓的臨界載荷，為沖擊地壓的防治提供理論指導。胡國忠等[8]通過對煤體進行微波弱化試驗，認為微波能夠降低煤體的沖擊傾向性，煤體累積能量在微波處理后，能夠緩慢釋放，瞬時高功率的微波對煤體的卸壓效果較好。

以上研究表明：沖擊地壓的發(fā)生過程、判定準則和影響因素，都蘊含著能量演化過程。筆者基于能量要素，分析煤巖組合體的能量演化機制，構(gòu)建沖擊地壓的致災(zāi)機理與煤巖體能量演化之間的聯(lián)系，以期為沖擊地壓的防治提供理論指導。

1 沖擊地壓的發(fā)生機理

沖擊地壓是一種十分復(fù)雜的動力破壞現(xiàn)象，其孕育需要充足的能量，使煤體漸漸發(fā)展到破壞臨界。沖擊地壓的發(fā)生過程伴隨著能量的不斷變化，分為孕育、啟動、發(fā)育和休止4 個階段，見圖1 所示。

圖1 沖擊地壓發(fā)生過程

沖擊孕育階段：受到鑿巖爆破、割煤、鉆孔等采掘作業(yè)的影響，深部煤巖的能量平衡狀態(tài)受到了擾亂，應(yīng)力進行重新分布并形成集中，工作面附近的煤巖組合區(qū)域呈現(xiàn)出階梯狀態(tài)的增高，形成特殊的應(yīng)力異常區(qū)，巷道圍巖強度遭到折減、應(yīng)變開始軟化、應(yīng)力在轉(zhuǎn)移中發(fā)生了集中，表現(xiàn)出煤壁片幫移位、支護阻力變大、出現(xiàn)“啪啪”和“轟轟”的聲響，災(zāi)害程度決定了準備階段時間的長短。

沖擊啟動階段：煤體脆弱的結(jié)構(gòu)，發(fā)生一定程度的變形，產(chǎn)生破壞，啟動沖擊地壓進程，當煤巖體所釋放的彈性能不足，或煤體的承載力較高時，煤體只發(fā)生小范圍的破壞，不能達到碎裂飛濺的狀態(tài)，沖擊地壓暫時就不會發(fā)生，但煤體已經(jīng)進入不穩(wěn)定的階段，此時通過停止作業(yè)，減少采掘活動，或強化煤體可以減少啟動效果，但若外界繼續(xù)給煤體提供能量，達到其儲能極限，圍巖就會失穩(wěn)，能量猛烈釋放，煤體破壞飛濺，形成雛形沖擊孔洞。

沖擊發(fā)育階段：彈性能使煤體破碎拋出，釋放空間與沖擊地壓啟動中心應(yīng)力差較大，發(fā)育階段由啟動中心向周邊及深部擴展，在高壓作用下，煤巖碎屑持續(xù)發(fā)育，裂隙融匯貫通。

沖擊休止階段：隨著彈性能逐漸被消耗殆盡，不足以粉碎煤巖，沖擊地壓進入了休止階段，煤巖體將產(chǎn)生流變變形，應(yīng)力逐漸平衡，應(yīng)力異常區(qū)域得以解除，沖擊地壓徹底終止，但也可能由于能量釋放不徹底，存在應(yīng)力波動，再次造成應(yīng)力異常，沖擊地壓再一次被啟動。

針對沖擊地壓的發(fā)生過程，沖擊地壓發(fā)生機理對沖擊災(zāi)害進行更為全面的解讀[9-10]，現(xiàn)階段主要理論如下：

強度理論：初代強度理論，指出煤、巖體部分區(qū)域的應(yīng)力比該區(qū)域的煤、巖強度極限大時，沖擊地壓就會發(fā)生，現(xiàn)代強度理論，提出煤巖體所受的應(yīng)力要大于“巖層－煤層”系統(tǒng)整體的應(yīng)力極限時，沖擊地壓才會發(fā)生，但采煤作業(yè)面的局部應(yīng)力常常超越其強度極限，也不發(fā)生沖擊地壓，僅靠強度理論來評判沖擊地壓的發(fā)生是不行的。

能量理論：能量更貼近于沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)，指出煤巖體消耗的能量低于煤巖體釋放的能量時，沖擊地壓開始孕育，但把煤巖體作為簡單的彈性體模型，與真實的煤巖體損傷破壞模型相差甚遠。

沖擊傾向理論：沖擊傾向性為沖擊地壓發(fā)生的重要原因，當煤層各指標與表1 的閾值相匹配時，就會具有相應(yīng)的沖擊傾向性等級。沖擊傾向性指標已經(jīng)廣泛應(yīng)用在沖擊煤層的鑒定，但沖擊地壓的發(fā)生還與開采活動和地質(zhì)條件相關(guān)，實驗室測量結(jié)果并不能完全代表煤巖所處的實際應(yīng)力環(huán)境。

表1 沖擊傾向性鑒定指標

三準則理論：綜合以上理論，指出強度理論為煤體的損傷破壞準則，能量理論、沖擊傾向理論是評判煤體瞬時破壞的準則，以上三種理論同時滿足時，沖擊地壓才會發(fā)生。該理論沒有給出該準則的具體表達式，確定的參數(shù)太多，判定過程繁瑣。

失穩(wěn)理論：煤巖組合體的力學系統(tǒng)是由不穩(wěn)定向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的動態(tài)力學過程。設(shè)定整個煤巖組合系統(tǒng)的釋能為W，通過歐拉-拉格朗日變分定理，尋找泛函的關(guān)鍵點，即極值點，其中δW 為釋能的一次變分，δ2W 為釋能的二次變分。當δ2W＞0 時，系統(tǒng)釋能最小，煤巖穩(wěn)定；當δ2W＝0時，系統(tǒng)釋能隨機平衡；當δW2<0 時，系統(tǒng)釋能最大，煤巖不穩(wěn)定，故將δW2<0，定量的作為沖擊地壓失穩(wěn)準則，但失穩(wěn)理論沒有明確沖擊地壓的發(fā)生條件。

2 沖擊地壓的影響因素

沖擊地壓的形成條件受很多因素影響，根據(jù)《煤礦沖擊地壓防治細則》[11]標準，地質(zhì)因素及開采技術(shù)因素作為評判沖擊地壓危險程度的主要影響因素，得到了大眾的認可。

地質(zhì)因素包括煤層賦存開采深度、原生構(gòu)造和煤層厚度等。原巖應(yīng)力會隨著煤層賦存深度的增加而逐漸增大，較淺部資源積聚更多的能量，更易發(fā)生沖擊地壓，相關(guān)研究[12]發(fā)現(xiàn)：沖擊地壓的發(fā)生概率與煤層賦存深度存在非線性關(guān)系，見圖2 所示，深部采深與淺部采深沖擊地壓危險指數(shù)增加了14 倍，開采深度在很大程度上，會改變煤巖體賦存的圍壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 埋深與沖擊地壓發(fā)生的關(guān)系

①褶曲等原生構(gòu)造會造成煤巖組合區(qū)域的應(yīng)力異常集中，受到水平應(yīng)力擠壓下的煤巖組合區(qū)域會產(chǎn)生褶曲變形能量積聚，按照致災(zāi)特點分成壓力最大區(qū)、沖擊危險最大區(qū)和冒頂與沖擊危險區(qū)，如圖3 所示。

圖3 煤巖組合體褶曲構(gòu)造沖擊危險區(qū)域

②斷層處受到采動過程中超前支撐壓力與斷層區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力雙重加持作用下，周圍應(yīng)力疊加產(chǎn)生峰值，形成定向局部高應(yīng)力區(qū)，高應(yīng)力區(qū)的煤巖組合系統(tǒng)更易產(chǎn)生較高能量，受到開采擾動，更易釋放能量造成沖擊顯現(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加示意圖

③煤層的厚度對沖擊地壓發(fā)生有很大的影響，煤層由厚向薄變化時，應(yīng)力差值梯度較大。薄煤層處所在區(qū)域煤巖比例較低時，彈性模量較大，累積的能量較高，工作面沿著煤層由厚向薄變化的方向推進時，導致能量也沿著這個方向進行傳導，能量傳導過程中受阻，在累加形成二次應(yīng)力高峰，造成更大的沖擊危險。相反由薄向厚區(qū)域的變化，僅形成一個應(yīng)力高峰，沖擊地壓的危險較輕。

④開采技術(shù)因素對沖擊地壓也會產(chǎn)生影響，與開采順序，保護層的釋壓水平、是否留設(shè)底煤、煤層的開采錯距等，以及回采作業(yè)的形式如爆破、揭煤等相關(guān)。這些開采技術(shù)本身產(chǎn)生的能量很小，但其會造成煤巖組合系統(tǒng)的應(yīng)力產(chǎn)生復(fù)雜的分布，引導能量積聚產(chǎn)生沖擊危險。

3 組合煤巖能量演化

巷道煤巖組合區(qū)易發(fā)生沖擊地壓，建立煤巖組合體受載過程中的能量演化過程與沖擊地壓的理論聯(lián)系，對于預(yù)防防沖擊地壓的發(fā)生具有重要意義，煤巖組合體依次經(jīng)歷四個能量演化關(guān)鍵過程，如圖5 所示。外部做功將機械能或溫度變化引起的熱能，作為輸入的能量，貯存在煤巖組合系統(tǒng)中。彈性變形能是煤巖組合系統(tǒng)主要積聚的能量，當巖石發(fā)生損傷時，大部分能量會在受到工程擾動下，以摩擦熱能、輻射能、動能的形式交換出去。一小部分能量造就了巖石不可恢復(fù)的塑性變形和損傷，稱之為能量的耗散。

圖5 加載破壞煤巖系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程

4 工程討論

沖擊地壓是深部煤巖體在采掘活動下，累積的巨大能量，猛烈釋放造成的動力學現(xiàn)象，而煤巖組合體的失穩(wěn)破壞也是受載過程中，儲存的能量釋放的表現(xiàn)形式，沖擊地壓的影響因素與煤、巖層的組合狀態(tài)密切相關(guān)。

厚而堅硬的頂、底板將欲開采的煤層壓實，形成煤巖組合體系統(tǒng)，阻礙了煤層的卸壓變形，加之煤炭在沉積過程中形成的“平行層狀結(jié)構(gòu)”會在交界處產(chǎn)生摩擦和側(cè)向阻力，阻止煤層沿平行界面滑移，加大了煤層的壓實程度，從能量的積聚與耗散上看，組合系統(tǒng)的壓實對煤層產(chǎn)生了閉鎖作用，閉鎖帶內(nèi)，應(yīng)力大、彈性能高，為煤巖系統(tǒng)的能量的積聚及演化提供天然環(huán)境，當能量達到?jīng)_擊孕育階段所需的能量，啟動沖擊進程、完成沖擊發(fā)育階段，便會釋放能量，產(chǎn)生破壞，使煤巖碎屑物拋向回采空間，造成沖擊地壓。

5 結(jié)論

從沖擊地壓的形成機理和條件入手，分析出沖擊地壓的致災(zāi)特點與煤巖組合體系統(tǒng)的能量積聚、失穩(wěn)破壞的進程機制存在一致性，從理論上建立了沖擊地壓與煤巖組合體能量演化之間的聯(lián)系。主要成果如下：

①沖擊地壓的形成過程伴隨著能量的演化，隨著煤層賦存深度的增加，煤巖組合體會積聚較多的能量。斷層、褶曲等原生構(gòu)造會造成煤巖組合區(qū)域的應(yīng)力異常集中，開采活動會造成煤巖組合系統(tǒng)應(yīng)力重新分布而造成能量積聚，產(chǎn)生較大的沖擊危險。

②煤巖組合體在進行能量演化過程中涉及的能量包括：彈性變形能、塑性變形能、損傷變形能、輻射變形能及動能幾種主要形式，主要由能量輸入、能量積累、能量耗散和能量釋放幾個過程組成，當煤巖組合體的儲能極限與驅(qū)動的能量達到統(tǒng)一的臨界點時，最終導致煤巖組合體的宏觀破壞。針對煤巖組合體開展相關(guān)力學試驗探究能量演化規(guī)律更能貼近沖擊地壓發(fā)生的驅(qū)動本質(zhì)特征。

③厚而堅硬的頂、底板將欲開采的煤層壓實，阻礙了煤層的卸壓變形，煤炭在沉積過程中形成的“平行層狀結(jié)構(gòu)”在交界處產(chǎn)生摩擦和側(cè)向阻力，阻止煤層沿平行界面滑移，組合系統(tǒng)的壓實對煤層產(chǎn)生了閉鎖作用，為煤巖系統(tǒng)的能量的積聚及演化提供天然環(huán)境，啟動沖擊進程、使煤巖碎屑物拋向回采空間，造成沖擊地壓。