基于局部矿井刚度理论的冲击地压机制研究
卢志国1,2
(1. 中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013;2. 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室,北京 100013)
Study on coal bump mechanism based on local mine stiffness theory
LU Zhiguo1,2
(1. CCTEG Coal Mining Research Institute,Beijing 100013,China;2. State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strata Control,Beijing 100013,China)
摘要 冲击地压发生机制的研究是预测预警及灾害防治的理论基础,刚度理论是最基础的冲击地压机制之一,关注施载体与受载体相对刚度对破坏特征的影响,认为加载系统刚度低于煤柱峰后刚度时易诱发冲击地压。首先,建立综合考虑能量演化与峰后特征的冲击倾向性综合评价指标,指出峰后特征对煤体冲击倾向性具有重要影响。其次,构建不同刚度比组合试样,实现煤样低刚度加载,量化能量的分区与分类演化、裂隙扩展过程及变形破坏特征,定量评价加载刚度降低导致煤样破坏程度加剧的过程。然后,采用数值模拟方法分析局部矿井刚度随采掘作业演化过程,并与现场实测地音及微震数据对比,从局部矿井刚度角度分析冲击地压发生机制。最后,通过煤体峰后特征影响因素分析,总结煤矿防冲技术手段,选择大直径钻孔技术防冲典型案例进行工业性试验,验证该技术方案防冲效果。
(1) 提出煤冲击倾向性综合评价定量评价指标,给出分类临界值并验证其合理性。分析单轴压缩过程中能量演化规律,发现任一时刻试件中弹性能量积累与其应力的平方呈正比,基于此修正峰值强度时刻弹性应变能密度积累量计算方法,提出综合考虑试件峰值强度、弹性能量积累能力、能量演化过程及峰后破坏特征的冲击倾向性评价指标——有效弹性能释放速率指数,指出峰后特征对煤体冲击倾向性具有重要影响。借鉴现有指标给出冲击倾向性分类临界值,并与试样破坏特征相比较,验证其评价结果的合理性。
(2) 定量评价煤样破坏程度随加载刚度降低而加剧。构建不同刚度比组合试样,以岩石作为煤样的直接加载对象,实现煤样低刚度加载,得到煤样冲击破坏样本,分别定量分析煤、岩各自变形过程、能量演化及破坏特征。采用PFC数值分析方法再现组合试样变形破坏特征,探究不同刚度加载条件下,试样内部损伤过程及破坏后颗粒弹射动能。发现随加载刚度降低,破坏时煤样平均粒径减小14.2%,远场碎屑质量占比、弹射碎屑最大体积、最大速度、最大动量、最大动能分别增大2.81,25.36,1.40,18.20及21.75倍,表明随加载刚度降低,煤样破坏程度显著增加。但破坏程度的增长速率随加载刚度降低而减小,表明随加加载刚度较高时,降低加载刚度对煤样破坏特征影响不明显,当加载刚度降低至接近甚至低于煤样刚度后,煤样破坏剧烈程度显著增加。
(3) 揭示低刚度加载加剧煤样破坏剧烈程度的机制。组合试样破坏前,岩石与煤样均发生压缩变形,进而积累弹性应变能。由于煤样极限抗压强度低于岩石而先发生破坏,煤样破坏为岩石回弹变形释放空间,岩石中积累弹性应变能随回弹对煤样做功,加速且加剧煤样破坏。随岩石弹性模量降低,峰值载荷时刻变形量增加,积累弹性能量增多,回弹过程对煤样做功越多,煤样破坏越剧烈。
(4) 探究局部矿井刚度随采掘推进的时空演化规律及诱冲机制。构建FLAC3D采区尺度数值模型,发现局部矿井刚度(local mine stiffness,LMS)随采掘作业呈降低趋势,LMS变化幅度与采出空间尺寸正相关,与其距作业空间距离负相关。对比分析随工作面推进LMS演化与现场地音及微震数据,当工作面距离研究区域较远时,LMS处于较高水平,地音和微震能量在较低量级周期性波动;当工作面靠近研究区域时,LMS迅速降低,地音能量处于较高水平;当LMS降低至最小值时,且低于煤柱峰后刚度,地音和微震能量激增至最大值,现场发生冲击,三者良好的对应关系表明煤层回采导致LMS降低,煤层及其顶底板系统中能量随LMS降低而快速积累,在煤柱承载能力降低时迅速释放,致使其发生冲击破坏。
(5) 明晰煤体峰后特征对各类影响因素响应敏感性并提出针对性防冲技术手段。LMS随采掘作业呈降低趋势难以改变,可通过降低煤体峰后刚度削弱其冲击倾向性的同时,增加峰后能量耗散,以实现防冲效果。基于峰后降模量M及峰后能量密度U定量评价煤在单轴载荷下的峰后特征,采用数值分析方法定量考察其峰后特征,发现煤体基质力学性质、加载速率与峰后降模量正相关,与峰后能量密度负相关;结构弱面数量、模型高径比与峰后降模量负相关,与峰后能量密度正相关。可从弱化煤体力学性质、增加煤体中结构弱面数量、降低煤柱宽度、优化采掘布置及降低开采强度4个角度制定技术可靠、经济实用的煤矿防冲技术措施。选择大直径钻孔防冲技术作为典型案例进行工业性试验,并验证该技术方案的防冲效果。
关键词 :
采矿工程 ,
冲击地压机制 ,
冲击倾向性 ,
刚度比 ,
煤岩组合试样 ,
能量演化 ,
局部矿井刚度 ,
峰后特征
[1]
刘国磊1,梁文昭2,3,马秋峰1,王泽东4,曲效成5. 深部煤巷高三向应力差异区冲击失稳机制 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 797-809.
[2]
张 权1,2,何满潮1,2,郭 山2,杨荣周3,陈 凯1,王 超2. 煤基固废非爆炸性膨胀剂高效定向破岩机制及初步应用研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 898-911.
[3]
李军臣1,2,3,吴拥政1,2,3,付玉凯2,3,何思锋2,3,孙卓越2,3,周鹏赫2,3 . 加锚煤样动态力学性能及变形破坏机制试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 912-925.
[4]
许慧聪1,2,来兴平1,2,单鹏飞1,2,张 帅1,杨 攀1,王华川1,3,李杰宇1,2,李 伟4. 深部煤岩动力灾害多场耦合试验系统研制及应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 926-939.
[5]
张碧川1,邹全乐2,3,冯增朝1,朱南南4,冉启灿2,3,陈子涵2,3,刘佳奇1,蔡婷婷5,杨雪林5. 基于倾斜煤层采动覆岩卸压边界模型的渗透率空间分布规律 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(3): 638-650.
[6]
褚 峰1,罗 旭1,张宏刚2,戴 妍1,陈 挺1,陈存礼3. 有机质对露天煤矿排土场基底土体力学及渗透性能影响试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(3): 752-768.
[7]
林海飞1,2,李博涛3,李树刚1,2,魏宗勇1,2,严 敏1,2,秦 雷1,2,王 裴1,罗荣卫1,刘泽然1. 液氮注入煤体致裂全过程真三轴试验系统研发与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 276-291.
[8]
张 明1,2,3,魏凯祥1,年 宾3,姜福兴4,王 昆3,朱海虎1,胡 浩1. 深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 316-330.
[9]
盖秋凯1,2,3,高玉兵1,2,何满潮1. 承压水上无煤柱自成巷开采底板破坏特征模型试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 391-408.
[10]
王晓云1,程 桦1,2,3,荣传新1,王宗金4,姚直书1,张亮亮1. 基于能量理论的侏罗系砂质泥岩强度准则 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 427-441.
[11]
石 垚1,汪占领1,程利兴1,徐世达2. 煤矿水力压裂巷道卸压技术应用及效果评价 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 459-471.
[12]
刘明银1,2,3. 井底煤仓内仓壁变形破坏机理与稳定性控制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 519-519.
[13]
王 同1,2. 大倾角煤层长壁采场顶板采动力学行为倾角效应 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 520-520.
[14]
杨 科1,2,3,吴犇牛1,2,刘钦节1,3,付 强1,2 . 地下空间储能防渗实验装置研制与初步应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(1): 43-55.
[15]
唐巨鹏1,2,张 枭1,赖堂锐1,余泓浩1. 不同相态CO2吸附作用下煤体力学性能研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(S2): 3621-3632.