沖擊危險性影響因素分析

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害防治領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和時間效應，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，在此基礎上，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)學模型 W ij（X），數(shù)學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果驗證了該數(shù)學模型的準確性和可操作性，研究結果可為相關決策人員提供技術指導和理論依據(jù)。

關鍵詞：沖擊地壓；危險性影響因素；數(shù)學模型

一、引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，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雜，沖擊地壓動力災害現(xiàn)象越來越頻繁，造成的危害也越來越嚴重。

如何治理深部條帶開采沖擊地壓問題己經(jīng)成為采礦學科的重大問題，許多專家、學者在沖擊地壓發(fā)生機理、表現(xiàn)形式、預測方法及治理手段上進行了大量的研究，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)象沒有建立科學的認識，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體系和安全開采設計方法。現(xiàn)有沖擊地壓理論及防治技術己經(jīng)不能完全滿足深井條帶開采沖擊地壓防治要求，嚴重制約著我國深井條帶開采沖擊地壓礦井的安全生產。

二、有效沖擊能量釋放速度指數(shù)

1、數(shù)學表達式

綜合考慮沖擊能量效應和時間效應，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，定義為有效沖擊能量與沖擊時間的比值，其數(shù)學表達式為：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變和能量貯存的性質。

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，應力應變全過程曲線中峰值前積蓄的變形能。

但我認為該指標未考慮峰值前煤樣塑性變形能的損耗，利用該指標作為煤層沖擊傾向性的判別會造成結果偏高。圖 1 為煤樣單軸壓縮全程應力—應變曲線，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對應煤巖體塑性變形所吸收的能量 WS；W3對應煤巖體破壞消耗能量 WP與沖擊產生的光、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力 - 應變曲線進行以下兩方面的合理簡化和假設：

①將加載曲線 OABC簡化為直線 OC，也就是假設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，假設煤樣

在進入塑性階段后，煤樣產生的不可逆的塑性變形隨應力和應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力—應變曲線，可得以下關系式：ε2= ε4·ε1/ε3 （2）

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

三、礦井沖擊危險性評價數(shù)學模型

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因素和開采技術因素，但從根本考慮沖擊地壓發(fā)生的原因可歸結為煤巖體的沖擊傾向性和煤巖體所處應力場的環(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上建立的，可對具有潛在沖擊危險的礦井或區(qū)域進行沖擊危險性等級進行劃分，分為強沖擊、中等沖擊和弱沖擊傾向性 3 個等級，有助于礦井相關技術人員針對防沖減災制定相應的措施。

四、結束語

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和時間效應。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)學模型，該數(shù)學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)域進行沖擊危險性劃分，有助于防沖減災措施決策。

參考文獻

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