張博 張連鵬

摘 要：煤巖體沖擊傾向性和礦井沖擊危險性研究是煤礦災(zāi)害防治領(lǐng)域重要研究課題之一。本文綜合考慮煤巖體變形過程中的能量效應(yīng)和時間效應(yīng)，提出了有效沖擊能量釋放速度指數(shù)（WDT）的煤巖體沖擊傾向性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，利用多元統(tǒng)計分析方法，考慮有效沖擊能量釋放速度指數(shù) WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數(shù) K、應(yīng)力集中系數(shù) λ四個因素，建立了礦井沖擊危險性評價數(shù)學(xué)模型 W ij（X），數(shù)學(xué)模型把礦井沖擊危險性分為強沖擊、中等沖擊和弱沖擊 3 個危險等級。通過樣品回判和待判樣品判別結(jié)果驗證了該數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可操作性，研究結(jié)果可為相關(guān)決策人員提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；危險性影響因素；數(shù)學(xué)模型

一、引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，煤炭作為我國的主要能源在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位。隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，國民經(jīng)濟快速發(fā)展，煤炭消費需求量大幅增長，煤礦開采速度和開采深度不斷增加，井下開采條件越來越復(fù)雜，沖擊地壓動力災(zāi)害現(xiàn)象越來越頻繁，造成的危害也越來越嚴(yán)重。

如何治理深部條帶開采沖擊地壓問題己經(jīng)成為采礦學(xué)科的重大問題，許多專家、學(xué)者在沖擊地壓發(fā)生機理、表現(xiàn)形式、預(yù)測方法及治理手段上進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果。但對于深井條帶開采沖擊地壓發(fā)生機理尚未完全認(rèn)清，尤其是對于深井條帶開采區(qū)域周邊沖擊頻繁、條帶煤柱易整體失穩(wěn)、后續(xù)開采條帶易發(fā)生大面積沖擊的現(xiàn)象沒有建立科學(xué)的認(rèn)識，也沒有形成針對深井條帶開采這一特殊條件下的沖擊地壓防治技術(shù)體系和安全開采設(shè)計方法?，F(xiàn)有沖擊地壓理論及防治技術(shù)己經(jīng)不能完全滿足深井條帶開采沖擊地壓防治要求，嚴(yán)重制約著我國深井條帶開采沖擊地壓礦井的安全生產(chǎn)。

二、有效沖擊能量釋放速度指數(shù)

1、數(shù)學(xué)表達(dá)式

綜合考慮沖擊能量效應(yīng)和時間效應(yīng)，筆者提出有效沖擊能量釋放指數(shù)的煤巖體沖擊傾向性指標(biāo)，定義為有效沖擊能量與沖擊時間的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：WDT=（W- WX）/DT （1）

其中，W 指煤巖體中聚集的總能量；WX指煤巖體破壞過程中消耗的能量（包括煤巖體破壞消耗能量WP、沖擊產(chǎn)生的光、熱和聲能 WZ以及煤巖體塑性變性所吸收的能量 WS）；DT 指動態(tài)破壞時間。W - WX即有效沖擊能量 WY，它最大限度的表述了煤巖體破壞過程中能量轉(zhuǎn)變和能量貯存的性質(zhì)。

2、參數(shù)的獲得

有效沖擊能量和能量釋放時間可通過煤巖體單軸壓縮力學(xué)試驗獲得。

（1）有效沖擊能量 WY的獲得中指出沖擊能量為煤巖試件在單軸壓縮狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線中峰值前積蓄的變形能。

但我認(rèn)為該指標(biāo)未考慮峰值前煤樣塑性變形能的損耗，利用該指標(biāo)作為煤層沖擊傾向性的判別會造成結(jié)果偏高。圖 1 為煤樣單軸壓縮全程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中峰值前積聚的變形能為 W12+ W22部分，W3為峰值后耗損變形能。根據(jù)式（1）中參數(shù)概念，可知：W12對應(yīng)煤巖體塑性變形所吸收的能量 WS；W3對應(yīng)煤巖體破壞消耗能量 WP與沖擊產(chǎn)生的光、熱和聲能WZ的和，即W3= WP+ WZ；那么 W22即為有效沖擊能量 WY。因為W12+ W22和 W3容易求得，因此問題轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾魏侠砉浪忝簶拥姆逯登八苄宰冃嗡牡哪芰?W12。

將圖 1 中煤樣單軸壓縮全程應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線進(jìn)行以下兩方面的合理簡化和假設(shè)：

①將加載曲線 OABC簡化為直線 OC，也就是假設(shè)峰值前的加載曲線以線彈性階段為主；

②煤樣在峰值前彈塑性段卸載曲線簡化為與原來塑性應(yīng)變 ε1和 ε2相等的直線，且從 B 點和峰值點 C點的卸載曲線 BE 和 CF 斜率相等，假設(shè)煤樣

在進(jìn)入塑性階段后，煤樣產(chǎn)生的不可逆的塑性變形隨應(yīng)力和應(yīng)變的增加而成正比增加。簡化后的模型見圖 2。根據(jù)簡化后的煤巖體單軸壓縮全程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可得以下關(guān)系式：ε2= ε4·ε1/ε3 （2）

式中，ε2為煤樣達(dá)到峰值應(yīng)力時的塑性應(yīng)變；ε4為煤樣達(dá)到峰值應(yīng)力時的總應(yīng)變；ε1為煤樣在峰值前應(yīng)力達(dá)到 σB（平均破壞載荷的 75%～85%）時的塑性應(yīng)變；ε3為應(yīng)力為 σB時的總應(yīng)變。

三、礦井沖擊危險性評價數(shù)學(xué)模型

沖擊地壓危險綜合指數(shù)法把沖擊地壓影響因素分為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，但從根本考慮沖擊地壓發(fā)生的原因可歸結(jié)為煤巖體的沖擊傾向性和煤巖體所處應(yīng)力場的環(huán)境。因此論文綜合考慮有效沖擊能量釋放速度指數(shù) WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數(shù) K（巖層厚度與該巖層到煤層距離的比值）、應(yīng)力集中系數(shù) λ 四個因素，利用多元統(tǒng)計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數(shù)學(xué)模型。

該沖擊危險性評價模型綜合考慮有效沖擊能量和釋放時間兩個因素的基礎(chǔ)上建立的，可對具有潛在沖擊危險的礦井或區(qū)域進(jìn)行沖擊危險性等級進(jìn)行劃分，分為強沖擊、中等沖擊和弱沖擊傾向性 3 個等級，有助于礦井相關(guān)技術(shù)人員針對防沖減災(zāi)制定相應(yīng)的措施。

四、結(jié)束語

沖擊地壓是制約我國煤礦向深部開采的重大難題之一，沖擊地壓危險性評價需要綜合考慮煤巖體的沖擊傾向性和其所處的應(yīng)力場環(huán)境，而煤巖體的沖擊傾向性需要綜合考慮能量效應(yīng)和時間效應(yīng)。利用多元統(tǒng)計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型在綜合考慮有效沖擊能量和釋放時間兩個因素的條件下，針對具有沖擊傾向性的礦井或區(qū)域進(jìn)行沖擊危險性劃分，有助于防沖減災(zāi)措施決策。

參考文獻(xiàn)

[1]方新秋，竇林名，柳俊倉，等.大采深條帶開采堅硬頂板工作面沖擊地壓治理研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，35（5）：602 - 606.

[2]高明仕.沖擊地壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究進(jìn)展及展望[A]：煤炭開采新理論與新技術(shù)論文集[C].中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會，2012：185 - 193.