榮 海，于世棋，張宏偉，梁 冰，韓 軍，蘭天偉，楊振華

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

沖擊地壓是一種嚴(yán)重、破壞性強(qiáng)的礦井動力災(zāi)害，給煤礦生產(chǎn)安全和人員生命安全構(gòu)成極大威脅[1-7]。具有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井，如礦井在達(dá)到一定開采深度后開始發(fā)生沖擊地壓，此深度稱為本沖擊地壓礦井的臨界深度[8]。臨界深度值隨地質(zhì)條件不同而異，總體趨勢為沖擊地壓危險(xiǎn)性隨開采深度增加而增大[9-13]。對于不同的沖擊地壓礦井，定量判斷沖擊地壓發(fā)生的臨界深度對于沖擊地壓的有效防控尤為重要。針對沖擊地壓發(fā)生的臨界深度，胡社榮等[14]通過研究我國煤礦深部開采中遇到的高地溫、沖擊地壓、瓦斯涌出、奧陶紀(jì)灰?guī)r突水和采動效應(yīng)的影響等問題，提出了深礦井的概念和分類原則，為沖擊地壓臨界開采深度的研究提供了基礎(chǔ)。李鐵等[15]提出了基于采動巖體的本構(gòu)關(guān)系、采動微震的分形幾何學(xué)特征和在淺部未發(fā)生特殊動力現(xiàn)象3項(xiàng)指標(biāo)的煤田發(fā)生非線性動力響應(yīng)的臨界深度，并對撫順煤田進(jìn)行了判斷。李利萍等[16]通過構(gòu)建超低摩擦型沖擊地壓塊體模型，分別研究了沖擊荷載強(qiáng)度和開采深度對超低摩擦型沖擊地壓的具體影響，得到了400～600，800 ～1 000，1 200 m是沖擊地壓發(fā)生的臨界深度區(qū)域。齊慶新和竇林名研究了沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理及控制技術(shù)，認(rèn)為我國沖擊地壓礦井的臨界沖擊發(fā)生深度為200～540 m，平均深度為380 m[17]。秦昊等[18]采用UDEC離散元模擬軟件，就巷道埋深及擾動應(yīng)力強(qiáng)度對圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬，得到了發(fā)生沖擊地壓的臨界深度和臨界擾動應(yīng)力強(qiáng)度值。

然而目前對沖擊地壓礦井的臨界深度問題沒有取得共識，以深度區(qū)間的研究結(jié)果居多，對于典型沖擊地壓礦井的臨界深度更是鮮有研究。筆者將沖擊地壓礦井劃分為“典型沖擊地壓礦井”和“非典型沖擊地壓礦井”2種類型，研究了煤巖動力系統(tǒng)的能量特征及其與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系，分析了自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場下煤巖動力系統(tǒng)的能量特征，并分別確定了相應(yīng)的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上提出了典型沖擊地壓礦井的臨界深度計(jì)算方法并進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證，以期為煤礦沖擊地壓的有效防控提供依據(jù)。

1 沖擊地壓礦井類型的劃分

1.1 沖擊地壓礦井類型與煤巖動力系統(tǒng)能量的關(guān)系

沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害影響范圍是有限的，為沖擊地壓提供能量及受到影響的煤巖體構(gòu)成了“煤巖動力系統(tǒng)”[19-25]。沖擊地壓的孕育和發(fā)生是地質(zhì)動力環(huán)境[26-27]和工程活動共同作用的結(jié)果，也是煤巖動力系統(tǒng)能量的積聚與釋放的動態(tài)過程[19]。在不同地質(zhì)動力環(huán)境和開采條件下，煤巖體積聚能量和釋放能量的形式不同，沖擊地壓顯現(xiàn)特征不同。根據(jù)地質(zhì)動力環(huán)境評價(jià)方法，可將沖擊地壓礦井分為典型沖擊地壓礦井和非典型沖擊地壓礦井。當(dāng)煤巖動力系統(tǒng)積聚的能量能夠支撐沖擊地壓發(fā)生，在開采活動誘發(fā)下就會發(fā)生沖擊地壓的礦井為典型沖擊地壓礦井;當(dāng)煤巖動力系統(tǒng)積聚的能量不能夠支撐沖擊地壓發(fā)生，需要其他工程條件補(bǔ)充能量，在開采活動誘發(fā)下才有可能發(fā)生沖擊地壓的礦井為非典型沖擊地壓礦井。

1.2 煤巖動力系統(tǒng)模型的建立

自然地質(zhì)條件下，煤巖動力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài);在采掘活動擾動下，煤巖體應(yīng)力升高、能量積聚，當(dāng)超過煤巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，能量釋放，可能發(fā)生沖擊地壓。構(gòu)建了“煤巖動力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型”[19]，用來描述煤巖動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與礦井沖擊地壓的顯現(xiàn)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 煤巖動力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型Fig.1 Model of the relationship between rockburst and coal-rock dynamic system

根據(jù)煤巖體能量積聚程度和影響范圍，可將煤巖動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分為動力核區(qū)、破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)4個(gè)區(qū)域。根據(jù)沖擊地壓危險(xiǎn)性和顯現(xiàn)強(qiáng)度，可將沖擊地壓劃分為無沖擊危險(xiǎn)、弱沖擊危險(xiǎn)、中等沖擊危險(xiǎn)和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)4個(gè)等級。根據(jù)模型中對應(yīng)關(guān)系:當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“影響區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動力顯現(xiàn)主要以“煤炮”的形式表現(xiàn)出來，無沖擊危險(xiǎn);當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“損傷區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動力顯現(xiàn)主要以“壓出、傾出”等形式表現(xiàn)出來，具有弱沖擊危險(xiǎn);當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“破壞區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動力顯現(xiàn)則表現(xiàn)為“沖擊地壓”，具有中等沖擊危險(xiǎn);當(dāng)采掘工程進(jìn)入“動力核區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，則會產(chǎn)生“嚴(yán)重沖擊地壓”，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

2 煤巖動力系統(tǒng)的能量特征及與沖擊地壓動力顯現(xiàn)的關(guān)系

2.1 煤巖動力系統(tǒng)能量的來源與能量構(gòu)成

在自然地質(zhì)條件下，煤巖動力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)能量對沖擊地壓的發(fā)生起著控制作用，并影響整個(gè)煤巖動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。煤巖動力系統(tǒng)的能量來源是大地構(gòu)造環(huán)境和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場，可以說，沒有構(gòu)造運(yùn)動、就沒有構(gòu)造應(yīng)力場和能量場的產(chǎn)生，就不具備沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)動力環(huán)境，就沒有煤巖動力系統(tǒng)的形成，也就沒有沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害發(fā)生的能量條件。

煤巖動力系統(tǒng)能量構(gòu)成3個(gè)方面:① 自然地質(zhì)條件，主要是構(gòu)造應(yīng)力(包括自重應(yīng)力)作用下的能量;② 采掘工程效應(yīng)，即采動應(yīng)力引起的能量升高;③ 解危措施，即采取解危措施后對系統(tǒng)能量的控制。采掘工程活動主要包括開采、掘進(jìn)等，作用是提高煤巖動力系統(tǒng)能量，增大沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn);解危措施主要包括開采保護(hù)層、鉆孔卸壓、卸載爆破等，作用是使煤巖動力系統(tǒng)能量得到控制，降低沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)。不同礦井、不同地質(zhì)條件下，采掘工程活動和解危措施引起煤巖動力系統(tǒng)能量變化多種多樣，沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行具體分析計(jì)算。

本文以典型沖擊地壓礦井為研究對象，研究在自然地質(zhì)條件下煤巖動力系統(tǒng)積聚的能量能夠支撐沖擊地壓發(fā)生的情況。

在自然地質(zhì)條件下，巖體能量可以用巖體應(yīng)變能這一指標(biāo)進(jìn)行表示，并通過應(yīng)變能密度進(jìn)行量化計(jì)算。假設(shè)煤巖體為各向同性介質(zhì)，煤巖體應(yīng)變能密度可采用應(yīng)力應(yīng)變法、應(yīng)力彈性法和應(yīng)變彈性法進(jìn)行計(jì)算[28]。應(yīng)力應(yīng)變法主要基于煤巖體構(gòu)造應(yīng)力場和絕對彈性應(yīng)變場的實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算;應(yīng)力彈性法主要基于煤巖體構(gòu)造應(yīng)力場和煤巖彈性模量與泊松比的實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算;應(yīng)變彈性法主要基于煤巖體應(yīng)變場和煤巖彈性模量與泊松比的實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算。本文采用應(yīng)力彈性法計(jì)算煤巖體應(yīng)變能密度，即

σ2σ3+σ3σ1)]

(1)

式中，Eε為煤巖體應(yīng)變能密度，J/m3;E為煤體的彈性模量，MPa;σ1為最大水平應(yīng)力，MPa;σ2為垂直應(yīng)力，MPa;σ3為最小水平應(yīng)力，MPa;μ為泊松比。

2.2 自重應(yīng)力場下煤巖動力系統(tǒng)的能量表征

在自重應(yīng)力場下，根據(jù)金尼克假說，煤巖動力系統(tǒng)能量僅考慮自重應(yīng)力的影響。自重應(yīng)力與巖層容重和單元體的埋藏深度呈正相關(guān)，側(cè)向應(yīng)力在數(shù)值上等于自重應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)的乘積，計(jì)算方法如式(2)，(3)所示。在自重應(yīng)力場條件下，煤巖動力系統(tǒng)的能量與自重應(yīng)力場下的能量相等，如式(5)所示。將式(1)在自重應(yīng)力場條件下積分，得到自重應(yīng)力場條件下煤巖動力系統(tǒng)的能量，如式(6)所示。將式(2)～(4)代入式(6)，得到式(7)。研究中將自重應(yīng)力場條件下煤巖動力系統(tǒng)的能量定義為煤巖動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)能量。煤巖動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)能量可由理論計(jì)算方法得到。

σV=γH

(2)

σh=λσV

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，V為煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”體積，m3。

(7)

2.3 構(gòu)造應(yīng)力場下煤巖動力系統(tǒng)的能量表征

在構(gòu)造應(yīng)力場條件下，由于地應(yīng)力測量得到的應(yīng)力值包含自重應(yīng)力場下的應(yīng)力，所以構(gòu)造應(yīng)力場條件下計(jì)算出的能量也包含自重應(yīng)力場的能量。在構(gòu)造應(yīng)力場條件下，煤巖動力系統(tǒng)的能量與構(gòu)造應(yīng)力場下的能量相等，如式(8)所示。煤巖體中積蓄的能量與三向應(yīng)力σ1，σ2，σ3相關(guān)，可由地應(yīng)力測量方法得到。構(gòu)造應(yīng)力場條件下，煤巖體承受三向應(yīng)力與自重應(yīng)力的關(guān)系可由式(9)～(11)表示。將式(1)在構(gòu)造應(yīng)力場條件下進(jìn)行積分，得到構(gòu)造應(yīng)力場條件下煤巖動力系統(tǒng)的能量，如式(12)所示。將式(9)～(11)代入式(12)，得到式(13)。

(8)

σ1=k1γH

(9)

σ2=k2γH

(10)

σ3=k3γH

(11)

σ2σ3+σ3σ1)]dV

(12)

2μ(k1k2+k2k3+k1k3)]dV

(13)

式中，UT為構(gòu)造應(yīng)力場下煤巖動力系統(tǒng)能量，J;k1為最大水平主應(yīng)力σ1與自重應(yīng)力的比值;k2為垂直應(yīng)力σ2與自重應(yīng)力的比值;k3為最小水平主應(yīng)力σ3與自重應(yīng)力的比值。

典型沖擊地壓礦井的能量主要源于構(gòu)造應(yīng)力場，在構(gòu)造應(yīng)力場條件下煤巖動力系統(tǒng)積聚的能量已經(jīng)能夠支撐沖擊地壓發(fā)生，此時(shí)采掘工程活動等對于沖擊地壓發(fā)生的貢獻(xiàn)僅考慮其誘發(fā)作用。典型沖擊地壓礦井的臨界深度在構(gòu)造應(yīng)力場條件下開展研究。

2.4 煤巖動力系統(tǒng)釋放能量的計(jì)算方法

煤巖動力系統(tǒng)的能量集中在“動力核區(qū)”內(nèi)，煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”是沖擊地壓發(fā)生的動力源。當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖動力系統(tǒng)釋放的能量是由“動力核區(qū)”提供[19]。煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”體積計(jì)算公式為

(14)

式中，R為煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”半徑，m。

自然地質(zhì)條件下，煤巖動力系統(tǒng)的總能量與構(gòu)造應(yīng)力場下煤巖動力系統(tǒng)的能量相等，如式(8)所示。受構(gòu)造運(yùn)動的影響，系統(tǒng)煤巖體出現(xiàn)形變的同時(shí)將伴隨著彈性能量積累。一旦煤巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，積累的能量將得以釋放，對外做功[29-30]。釋放的能量等于系統(tǒng)總能量與基礎(chǔ)能量之差，如式(15)所示。當(dāng)釋放能量大于臨界能量時(shí)，沖擊地壓就會發(fā)生。

ΔU=UT-UG

(15)

式中，ΔU為煤巖動力系統(tǒng)的釋放能量，J。

將式(7)，(13)，(14)代入式(15)，得到煤巖動力系統(tǒng)的釋放能量，即

(16)

基于地質(zhì)動力區(qū)劃理論，井田內(nèi)不同區(qū)域煤巖體的力學(xué)性質(zhì)往往存在較大的差異性，在地殼板塊和地質(zhì)構(gòu)造之間不停息的相互作用下，井田范圍內(nèi)將呈現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布狀態(tài)，可被劃分為高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力梯度區(qū)、正常應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)。通常情況下，當(dāng)區(qū)域應(yīng)力高于正常應(yīng)力值20%以上時(shí)，應(yīng)力等值線所圈定的區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū);當(dāng)區(qū)域應(yīng)力低于正常應(yīng)力值20%以上時(shí)，應(yīng)力等值線所圈定的區(qū)域?yàn)榈蛻?yīng)力區(qū);應(yīng)力梯度區(qū)的范圍位于高應(yīng)力區(qū)與正常應(yīng)力區(qū)之間。在高應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)，煤巖體在較高應(yīng)力的作用下，積聚的彈性能量急劇增加，部分煤巖體快速達(dá)到失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，最容易發(fā)生沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害;在應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)，煤巖體的應(yīng)力值和變形量都有著較大幅度的提高，脆性增大、破壞強(qiáng)度降低，容易發(fā)生礦井沖擊地壓;位于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體，其特性變化不大，不易出現(xiàn)能量積聚的情況，沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性最低[31-32]。位于不同應(yīng)力區(qū)的系統(tǒng)能量，使用相應(yīng)的應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算即可。

2.5 典型沖擊地壓礦井的臨界深度計(jì)算方法

巖體處于三向應(yīng)力作用下，積聚彈性能，在三向應(yīng)力下遵循三維應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則;當(dāng)破壞啟動后，巖體應(yīng)力調(diào)整，應(yīng)力狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎颍罱K轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)。無論巖體初始以何種應(yīng)力狀態(tài)存在，一旦失穩(wěn)，破壞啟動，其破壞真正需要消耗的能量總是單向應(yīng)力狀態(tài)的破壞能量[33]。

煤巖動力系統(tǒng)的釋放能量等于總能量與基礎(chǔ)能量的差值，如果釋放能量高于臨界能量，將會發(fā)生沖擊地壓。根據(jù)對大量實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國沖擊地壓發(fā)生的臨界能量為104～106J。沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)度與煤巖動力系統(tǒng)釋放能量正相關(guān)。研究表明，煤巖動力系統(tǒng)失穩(wěn)后，破碎煤巖體拋向自由空間的初速度是評價(jià)沖擊地壓發(fā)生與否的一項(xiàng)重要指標(biāo):當(dāng)拋出煤巖體的初速度在1 m/s以下時(shí)，沖擊地壓基本不會發(fā)生;如拋出煤巖體的初速度達(dá)10 m/s以上時(shí)，沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性最大[34]。拋出煤巖體的初速度可由數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測等方法確定[35-39]。沖擊地壓發(fā)生的能量密度條件為:以單位體積煤巖體為研究對象，當(dāng)煤巖動力系統(tǒng)積累的彈性能量同時(shí)滿足煤巖體破碎時(shí)能量的消耗，以及煤巖體拋出的臨界動能時(shí)，沖擊地壓就有可能發(fā)生。因此，當(dāng)達(dá)到發(fā)生沖擊地壓的臨界條件時(shí)，煤巖動力系統(tǒng)釋放能量的能量密度計(jì)算結(jié)果可用式(17)表示[32,34,40]，此時(shí)煤巖動力系統(tǒng)釋放能量的計(jì)算結(jié)果可用式(18)表示，將式(14)代入式(18)，如式(19)所示。

(17)

(18)

(19)

式中，Emin為沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖動力系統(tǒng)所釋放能量的能量密度，J/m3;ρ為煤巖體的平均密度，kg/m3;v0為拋出煤巖體的平均初速度，m/s;σc為煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;US為沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖動力系統(tǒng)釋放的能量，J。

典型沖擊地壓礦井開始發(fā)生沖擊地壓時(shí)，釋放能量為構(gòu)造應(yīng)力場能量與基礎(chǔ)能量的差值，釋放能量又與式(19)中釋放的能量相等。計(jì)算過程如式(15)，(20)所示，將式(15)，(20)進(jìn)行聯(lián)立計(jì)算，得到典型沖擊地壓礦井發(fā)生沖擊地壓的臨界深度計(jì)算方法，即

ΔU=US

(20)

(21)

式中，Hmin為典型沖擊地壓礦井發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。

3 研究成果應(yīng)用

某典型沖擊地壓礦井A的煤巖物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果見表1。選取2011年1月至2013年11月的20次沖擊地壓的震源點(diǎn)深度，計(jì)算得到每一次沖擊地壓發(fā)生時(shí)煤巖動力系統(tǒng)的總能量、基礎(chǔ)能量和釋放能量見表2。釋放能量的計(jì)算結(jié)果為0.52×106～6.01×108J，全部高于臨界能量。

根據(jù)礦井微震監(jiān)測結(jié)果，20次沖擊地壓釋放能量為1.20×106～6.6×108J，見表2。計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，釋放能量全部大于105J，即大于基礎(chǔ)能量。20組數(shù)據(jù)中有16組處于同一數(shù)量級，說明煤巖動力系統(tǒng)能量計(jì)算方法可以預(yù)測沖擊地壓的發(fā)生，準(zhǔn)確性較高。

該礦井A01綜放工作面位于-830 m水平，地面標(biāo)高+89.1～+95.4 m，井下標(biāo)高-748.2～-833.5 m。工作面走向長度603 m，傾斜長度163.5 m，煤厚11.8 m。該工作面從2014-06-23—2015-01-29共發(fā)生沖擊地壓和礦震(能量106J以上)58次，震源點(diǎn)深度為-584～-874 m，平均標(biāo)高-804.93 m。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，該工作面的k1=1.97，k2=1.00，k3=0.79，根據(jù)表1中列舉的實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果，泊松比μ=0.29，密度ρ=1 243 kg/m3，拋出速度v0=10 m/s，彈性模量E=6 330 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為15.3 MPa，容重γ=27 000 kN/m3。根據(jù)式(21)所示的計(jì)算方法，該工作面的沖擊地壓發(fā)生臨界深度為標(biāo)高-754.54 m，如圖2所示。圖2所示的58組數(shù)據(jù)中，有54組數(shù)據(jù)在計(jì)算的臨界深度以下，表明該典型沖擊地壓礦井的臨界深度計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確性可達(dá)93%以上。

表1 某煤礦A煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果Table 1 Physical mechanical parameter of coal and rock in some coal mine A

表2 某礦部分沖擊地壓煤巖動力系統(tǒng)釋放能量計(jì)算結(jié)果Table 2 Release energy by coal-rock dynamic system in part rockburst of one coal mine

圖2 某礦A01綜放工作面沖擊地壓發(fā)生臨界深度計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results for critical depth of rockburst in panel A01

某典型沖擊地壓礦井B地面標(biāo)高+850 m，各水平工作面走向長度2 550 m，工作面傾向長度40 m，采用分階段放頂煤工藝進(jìn)行回采，每階段高度25 m。當(dāng)該礦井開采至+500 m水平(距離地表350 m)時(shí)開始出現(xiàn)沖擊地壓，在該水平累計(jì)發(fā)生5次沖擊地壓。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，該工作面的k1=2.72,k2=1.00,k3=0.90，根據(jù)對煤體的實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果，泊松比μ=0.21，密度ρ=1 284 kg/m3，拋出速度v0取值為10 m/s，彈性模量E=2 040 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為16.28 MPa，容重γ=27 000 kN/m3。根據(jù)式(21)所示的計(jì)算方法，該礦井的沖擊地壓發(fā)生臨界深度為距離地表356.43 m。5次沖擊地壓發(fā)生深度全部與計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

某典型沖擊地壓礦井C的綜放工作面C02，煤層厚7.4～13.0 m，平均10 m，工作面可采長度865 m，工作面傾向?qū)挾葹?91 m，距地表垂深945.0～1 047.7 m，平均深度為996.35 m。該工作面在回采過程中累計(jì)發(fā)生9次沖擊地壓。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，該工作面的k1=1.68，k2=1.00，k3=0.54，根據(jù)對煤體的實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果，泊松比μ=0.29，密度ρ=1 315 kg/m3，拋出速度v0=10 m/s，彈性模量E=2 116 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為17.47 MPa，容重γ=27 000 kN/m3。根據(jù)式(21)所示的計(jì)算方法，該礦井的沖擊地壓發(fā)生臨界深度為距離地表707.26 m。該工作面9次沖擊地壓發(fā)生深度全部發(fā)生在臨界深度以下。

4 結(jié) 論

(1)將沖擊地壓礦井劃分為“典型沖擊地壓礦井”和“非典型沖擊地壓礦井”2種類型，建立了煤巖動力系統(tǒng)能量與沖擊地壓礦井類型的關(guān)系，提出了典型沖擊地壓礦井臨界深度計(jì)算方法。

(2)分析了自然地質(zhì)條件下煤巖動力系統(tǒng)的能量特征，確定了自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場條件下煤巖動力系統(tǒng)的能量計(jì)算方法及轉(zhuǎn)換關(guān)系，為煤巖動力系統(tǒng)失穩(wěn)和沖擊地壓發(fā)生提供了判別依據(jù)。

(3)選取3個(gè)典型沖擊地壓礦井對典型沖擊地壓礦井臨界深度計(jì)算方法進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證，結(jié)果表明典型沖擊地壓礦井的臨界深度計(jì)算方法，以及煤巖動力系統(tǒng)能量計(jì)算方法準(zhǔn)確性較高，準(zhǔn)確率可達(dá)93%以上，可以廣泛應(yīng)用于礦井沖擊地壓的預(yù)測與危險(xiǎn)性評價(jià)工作中。

(4)非典型沖擊地壓礦井的煤巖動力系統(tǒng)能量補(bǔ)充因素較多，如采掘活動、煤柱應(yīng)力、頂板活動等，非典型沖擊地壓礦井臨界深度的計(jì)算方法將在后續(xù)研究工作中深入研究。