a050201 冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用

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1、冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用窦林名陆菜平牟宗龙秦玉红姚精明【中国矿业大学能源与安全工程学院教育部矿山开采与安全重点实验室】摘要本项目为国家自然科学基金资助项目（50490273,50474068,50074030），教育部博士点基金资助项目（20030290017）资助。冲击矿压实质是煤岩体能量积聚与释放的过程，当煤岩体中所积聚的弹性应变能达到其极限冲击能时，就可能发生冲击矿压。根据冲击矿压强度弱化减冲理论，采取松散煤岩体的方式降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使得应力高峰区向岩体深部转移，煤岩体

2、中所积聚的弹性应变能就达不到最小冲击能，从而防止冲击矿压的发生。强度弱化减冲理论在三河尖矿的生产实践中得到了有效的运用。关键词强度弱化减冲理论冲击矿压减冲解危危险降低冲击矿压是一种较为典型的矿山灾害动力现象，主要表现为煤岩体中所积聚的弹性应变能突然、剧烈的释放过程，其发生的突然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成很大的威胁。特别是随着煤矿开采深度以每年10m的速度加大，冲击矿压问题越来越突出[1]。我国的徐州、大同、抚顺等矿区都面临冲击矿压的威胁。冲击矿压是矿山压力的动力现象，其发生的机理十分复杂。各国

3、学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统失稳理论、弹塑脆性流变理论等[2]。但从实质上讲，冲击矿压的发生必须要满足强度条件（即煤岩体上所受的应力要超过煤岩体的强度，煤岩体才会发生破坏）、能量条件（即煤岩体中要不断聚集能量，并且能够突然释放）以及煤岩体具有冲击倾向性（即具有发生脆性破坏的能力）等三个条件[3]。这里，前一个条件是必要条件，而后两个是充分条件，即煤岩体所受的应力没有超过煤岩体的强

4、度，煤岩体就不会发生破坏，就不会出现冲击矿压现象；煤岩体中虽然能够聚集能量，但耗散的速度大于聚集的速度，就不会突然释放，也不会发生冲击矿压；而煤岩体没有突然破坏的能力，也就不会发生冲击矿压现象。本文就从上述三个方面分析冲击矿压发生的原因，率先提出冲击矿压的强度弱化减冲理论，并进行相应的工程实践，从而为冲击矿压的有效防治提供理论依据和实践经验。1冲击矿压发生机理分析1.1强度条件冲击矿压发生的前提条件是煤岩体所受的应力超过煤岩体本身的强度极限，即要满足强度条件，才有可能发生冲击矿压，见图1所示。（1）

5、式中σ为包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力和其它条件(如瓦斯、水和温度等)引起的应力；R为煤岩体的强度。图1煤柱处于稳定状态如果煤岩体本身的强度大于其所受的应力，即应力处于煤岩体强度曲线的ABC这一侧，煤岩体是稳定的，就不会发生破坏，更不会发生冲击破坏。因此矿山开采中，一般浅部不容易发生冲击矿压现象。只有在煤层的开采深部增加的情况下，冲击矿压现象才会出现，而且随着开采深度的增加，冲击矿压威胁越来越频繁，越来越严重。从强度条件可以看出，降低围岩的应力集中程度，降低煤

6、岩体所受的应力，使其不超过煤岩体的强度极限，就不会发生冲击矿压。1.2冲击倾向性煤体具有冲击倾向性才有可能发生冲击矿压。实验研究可知[3]，煤岩体在载荷作用下，其应力应变曲线由OA段（压密阶段）、AB段（弹性变形阶段）、BC段（屈服阶段）和CD（残余强度阶段）组成，C点处为煤岩的应变曲线峰值C前所积聚的变形能Fs（峰值前曲线与x轴围成的面积）与ε峰值后所消耗的变形能Fx（峰值后曲线与x轴围成的面积）之比值[2]，见图2所示。图2软硬煤的应力应变曲线煤越软，强度越低，煤岩变形越大，CD段越长，CDFQ

7、围成的面积越大，Fs/Fx越小，冲击能指数KE越小，见曲线1；煤越硬脆性越好，强度越高，煤岩变形越小，CD段越短，CDFQ围成的面积越小，Fs/Fx越大，冲击能指数KE越大，见曲线2。从而说明煤的脆性越好，越容易发生冲击矿压。从这一方面分析，软化煤体，改变煤的物理力学特性，使得脆性煤体变成塑性或松散体，降低煤层的强度，不仅可以减小冲击能指数KE，而且可以防治冲击矿压的发生。1.3能量条件根据煤层型冲击矿压发生的机理[1]，在煤柱脆性破坏时，煤柱的强度突然下降，而且下降速率很大。虽然顶板的刚度，但煤柱

8、的刚度变化率且二者之和小于零，即：（2）式中u2为煤柱的位移量。这时，煤柱的破坏过程为动态破坏，并伴随有能量的突然释放即冲击矿压。释放的能量Ut为：（3）如果顶板来压时，顶板加速运动，其运动的加速度为：这时，煤岩体释放的能量为：（4）式中M1为顶板的质量，u1为顶板的位移量。这就说明了为什么顶板来压时容易发生冲击矿压的原因。众所周知，冲击矿压是巷道周围煤岩体的（物理）爆炸形成突然猛烈的破坏。发生冲击矿压时，部分煤岩体要垮落、破碎，获得较高的动能，以较大的速度向巷道抛出