滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓如(b)所示,是指在采動(dòng)影響下由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導(dǎo)致的煤層滑移錯(cuò)動(dòng)沖擊擠出,如Siemens 6FX1121-2BA02研究的煤層平動(dòng)突出模型5;或井巷附近的斷層、構(gòu)造或結(jié)構(gòu)面的滑移錯(cuò)動(dòng)誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。
井巷或工作面周圍巖體,由于采動(dòng)應(yīng)力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象,經(jīng)常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn),如(c)所示。如孤島工作面的開采、煤柱的回收、堅(jiān)硬頂板下的煤層開采等。Siemens 6FX1121-2BA02千秋煤礦發(fā)生的一起沖擊地壓事故,采場(chǎng)圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105m長(zhǎng)的巷道工程發(fā)生沖擊突出破壞。
在煤炭開采實(shí)踐中,第2,3類的沖擊地壓所引發(fā)的破壞通常比第1類更劇烈,這類沖擊地壓沖出煤量大、動(dòng)能多、震動(dòng)大,往往造成巨大的破壞和嚴(yán)重后果。
2沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題生產(chǎn)實(shí)踐表明煤礦沖擊地壓這種動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí)一般沒有明顯的宏觀前兆,具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性特征,事先難以確定發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。從力學(xué)本質(zhì)上講煤礦沖擊地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過程,是其外部荷載環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映,其形成過程非常復(fù)雜,涉及地質(zhì)、采礦、地球物理、巖石力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科,同時(shí)該問題具有明顯的時(shí)空演化特征。
與地下廠房、水電硐室、地鐵隧道等其它行業(yè)地下工程相比,煤礦開采具有十分鮮明的特征:①開采空間范圍大。我國(guó)深部煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開采方法,形成了數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)立方米的開采空間,開采范圍之大、采動(dòng)波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。②開采擾動(dòng)強(qiáng)烈。大空間快速推采的長(zhǎng)壁開采方法對(duì)圍巖形成強(qiáng)烈開采擾動(dòng),引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降,尤其是對(duì)于深部一礦一面集中開采的千萬(wàn)噸級(jí)礦井而言,開采所導(dǎo)致大范圍的強(qiáng)烈擾動(dòng)更是淺部開采和其它地下工程所不能比擬的。③介質(zhì)屬性和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。除了深部煤田地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性外,大范圍開采對(duì)采掘空間周圍煤巖體形成反復(fù)擾動(dòng),使之多次經(jīng)歷變形、破壞過程,致使煤巖體的介質(zhì)屬性既具有斷續(xù)結(jié)構(gòu)特征,又具有破斷介質(zhì)屬性;工作面處于高地應(yīng)力和強(qiáng)卸荷共同作用下,采掘誘致地應(yīng)力重分布時(shí)空關(guān)系復(fù)雜,高應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過程的動(dòng)力學(xué)特征明顯,極易誘發(fā)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。
我國(guó)學(xué)者通過多年研究,提出煤炭開采中沖擊地壓機(jī)理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題:地質(zhì)賦存條件對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法。
在長(zhǎng)期的地質(zhì)演變過程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能,其儲(chǔ)能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分,也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時(shí)深部煤層開采時(shí)堅(jiān)硬頂板(特別是厚層砂巖頂板)的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場(chǎng)巷道工作面發(fā)生瞬時(shí)沖擊動(dòng)力災(zāi)害的誘因。
因此沖擊地壓災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān),如何科學(xué)定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機(jī)制及其與煤礦沖擊地壓災(zāi)害的相關(guān)性是個(gè)共性科學(xué)問題。通過研究這科學(xué)問題,揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對(duì)煤礦深井動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。
深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征。
深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。
深部煤炭的集中開采強(qiáng)烈擾動(dòng)使得采場(chǎng)和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。在多次開采擾動(dòng)和長(zhǎng)期的流變過程中,這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體會(huì)出現(xiàn)新的破裂和強(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過程,從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)流變和超低摩擦效應(yīng),在一定條件下將會(huì)引起沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。在深部煤炭開采工程中,巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效,圍巖的突發(fā)性動(dòng)力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征這一科學(xué)問題,研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征,研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件,從而搞清楚巷道圍巖破裂后(峰后)的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。
采動(dòng)應(yīng)力分布、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理。
開采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下,開采活動(dòng)打破了原有的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致采場(chǎng)三維空間中的宏觀應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的重新分布,這種應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此通過研究采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理,可以揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件,提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。
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