外文翻译-冲击地压的预防和预测.doc

1、附录A冲击地压的预防和预测摘要：冲击地压，煤层一种极端活动行为的显示，严重威胁着矿工的生命安全。冲击地压同样影响着矿工的工作效率和生产力。在我们的研究中，借助煤岩弹塑性脆性变形破坏模型，通过理论分析，实验室实验，现场测试、模拟和其他手段，很好地预测了瞬间和延迟冲击地压。基于电磁辐射、声发射、微震等先进技术，从煤岩样品的变形到挤压破坏，一个多参数的预测技术随之形成。在很大程度上取决于这三种形式的共同作用。这样，在时间和空间上预测岩石脉冲的分类系统就建立起来了。我们已经提出了岩石强度弱化理论和“强-弱-强”脉冲结构模型来控制冲击地压对岩石巷道的影响。奠定了坚实的理论基础，达到了弱化、控制冲击地压的

2、作用。为达到预防的目的，定向水力压裂关键技术参数得到了显示。基于以上的结论，以及在煤层、岩层中打的深层爆破钻孔，综合防治技术得到了建立；在有冲击地压危险的巷道中，抗冲击液压支柱也得到了开发。这些技术在中国的大部分煤矿得到了应用，有效控制了灾害，并取得了很好的经济和社会效益。关键词：冲击地压；岩弹塑性脆性变形破坏模型；多参数预测；强度弱化；“强-弱-强”结构；定向水力压裂；抗冲击液压支柱1 介绍煤炭资源是我国主要的能源资源，95%的煤炭产量来源于井工煤矿。随着开采深度的增加（大约20m/年），和地质条件的恶化，深部开采和前部开采在开采环境和基本理论方面呈现出显著的不同，并且呈现出明显的非线性动态

3、不稳定特征。从而容易导致动力灾害数量的增加，例如：冲击地压、顶板大面积离层垮落等一系列严重问题，严重威胁着煤矿的安全生产。冲击地压就是煤矿生产的典型危险源之一，源于围岩弹性能量的突然发出，煤岩质量的迅速、激烈增加甚至会增加其他动力事故的可能性，比如：煤与瓦斯突出，瓦斯爆炸等。在我国，100多座煤矿有冲击地压危险。特别是在抚顺、阜新、兖州、开滦、大同、徐州和华亭。例如，2005年2月14日，在辽宁省阜新市孙家湾煤矿发生了一次巨大的冲击地压和瓦斯爆炸事故，在强度为2.5ML的冲击地压发生之后，大量的瓦斯气体被激发了，诱导一次严重的瓦斯爆炸，造成大量的人员伤亡。因此，煤矿井下的安全、高效生产受到冲击

4、地压的严重威胁。冲击地压发生机理是一个相当复杂的问题。尽管在世界范围内，从冲击地压作用机理的研究到灾害的预测和控制进行了大量的探讨，但仍存在许多关键性的问题需要进一步研究。本文介绍了中国矿业大学近年来在冲击地压的预防和控制上进行的探索和研究。2 煤岩化合物样品冲击地压倾向通过对以往发生冲击地压的巷道顶底板结构的分析，呈现出大量的冲击地压发生于坚硬顶底板结构下的趋势。特别的，煤层上部厚而坚硬的砂岩顶板是影响冲击地压的一个主要因素。在坚硬顶底板的条件下，煤层的强度和厚度同样对煤岩二次开挖后产生的压力有所影响。因此，在“煤层顶底板”系统中，通过对煤岩混合物样品冲击地压的倾向性的分析调查，同时，调查煤

5、层的强度和厚度影响冲击地压的结果将有利于对冲击地压危害的预防和控制。通过在实验室里对煤岩混合物的研究，我们的结论表明，煤岩混合物中顶板的比重越高，样品的弹性模量，损坏度越大，含水层样品抗压强度和冲击地压的趋势也更大。如图1所示，另外，随着煤岩混合物中煤的组分含量的降低，爆破能量指数逐渐降低。相反地，随着煤岩混合物中煤的组分含量的升高，爆破能量指数逐渐升高。煤岩混合物中煤的含量越高，爆破能量的指数也越高。图1 冲击地压指标和煤岩高度比之间的关系顶板的坚硬程度越高，工作面所受的集中应力和垂直应力也越大。图片2表示了开采深度达到700m时，工作面所受到垂直应力的模拟分布。顶板的厚度为6m、20m和1

6、0m时，体积变化模量一般为16GPa、27GPa和16 GPa ； 4GPa、 3GPa和 4 GPa。如图所示，煤岩体中，坚硬顶板的条件下所受的垂直应力大于松软顶板条件。两种条件下，垂直应力的最大差值在44兆帕左右。松软顶板的条件下，最大水平应力减少近45%。在坚硬顶板条件下，局部集中应力出现在采空区顶板下的煤附近。另外，在坚硬顶底板的条件下，煤层的坚硬度和厚度的变化同样对作用在煤壁上的垂直应力分布起着重要的作用。如图3所示，随着煤体集中应力的减小，煤层的坚硬程度随之减小，两者最大情况下相差44.8兆帕。最大水平应力随着煤层厚度的增加而增加。我们从数值模拟中得到的数据进行分析，我们得知最大水

7、平应力F与煤层厚度h的关系可用一个二次函数表示F =ah2 bh+c，因此，在煤层顶底板系统中，煤层的厚度越小，煤体所承受的最大水平应力越大。换句话说，在坚硬顶底板的条件下，煤层厚度的比例越小，冲击地压发生的几率越大。图2 不同顶板强度条件下工作面前方煤体垂直压力分布图3 煤体边缘垂直压力分布和煤层刚度之间的关系3 多参数分类预测冲击地压技术3.1 电磁发射、声发射、微震等技术在煤岩样品的破坏、变形中的应用在中国矿业大学的煤炭资源和安全开采重点实验室，电磁发射、声发射、微震等技术在煤岩混合物的实验样品在发生冲击压作用下发生破坏的过程中进行了实验。对于煤岩混合物样品来说，声发射或电磁发射技术在岩

8、层顶板或煤层中会产生数字频率（或脉冲数字）。当加载的负荷达到煤样的最大承载能力的时候，顶板开始弯曲并逐渐脱落。对于顶板部分，这不会因为冲击地压而造成破坏，原因在于它的高的抗压和抗弯强度。煤壁的破坏会给顶板带来弹性应力。在破坏变形的期间，声发射或电磁发射的数字频率信号会有所减弱。期间，在煤壁发生变形破坏之前，由于顶板开始垮落并产生弹性恢复变形，很多能量得到了释放，这会加速煤壁的变形破坏，声发射或电磁发射的数字频率信号会达到最大强度，因此，冲击地压的预警信息之前，声发射或电磁发射的关系可以描述为： nt=nu1.u1+nu2.u2 (1)nt=nu2.u2 (2)其中，nt是电磁发射、声发射信号的

9、计数率在时间上的积累。一般地，u1, u2是顶板和煤体变形速度的变化，而nu1, nu2是与顶板和煤体脆性与抗压强度密切相关的参数。图片4展示了电磁信号和声发射信号在化合物样品破坏变形中计数率的变化情况。图4 电磁发射、声发射信号随时间变化趋势如图片4所示，电磁信号的计数率和声发射信号的脉冲数在试件样品重复的加载和卸载直到冲击地压发生的变化过程中，两个阶段的破坏特征是有所区别的。在试件发生破坏特征之前，电磁信号和声发射信号的计数率和脉冲数会达到极限点，之后，信号的强度迅速地减弱。第二阶段的信号主要是破坏变形达到峰值之后的所反映出的微弱和平稳的信号。由于这些结果，发生在采煤过程中和工作面掘进过程

10、中发生岩石破坏的风险，可以根据煤岩化合物在出现冲击特征的过程中所反映出的征兆和多参数电磁信号和声发射信号，在正确的时间被检测和预测到。3.2 冲击地压的预测和分类技术基于理论分析、实验室实验和广泛的现场实践，零、微弱、中等、强冲击地压可以用冲击地压风险指数定量分类出来。根据冲击地压危险等级的变化，如表1所示，可采用相应的控制措施。表1 冲击地压的危险等级危险等级风险阶段风险指数控制措施A无风险0.75停止作业，从危险地点撤离工作人员。采取冲击地压强度减弱措施。强度监测之后，强度再次弱化之后，直到冲击地压危险完全消除之后，采煤工作可以继续通过煤矿不同采煤方法产生冲击地压危险的区分，地质和煤层赋存

11、条件是首要因素，通过综合指数方法的分析之后，冲击地压的危险区域和关键监测区域被标注出来，这样，冲击地压的早期预测工作就完成了。基于早期预测，区域性预测中，在合适的时间微震技术得到了采用。微震活动异常区域，电磁发射技术在进一步监测工作中得到了采用。另外，可采用钻孔方法来预测和确认危险区域。因此，冲击地压的危险等级可以被这些不同的预测技术所广泛地确定，对于危险的区域和危险点，可以通过强度弱化技术来控制。图5展示了现场实践过程中，冲击地压的分类预测方法以及在现场加以落实的措施。图5 测冲击地压的分类方法和应用步骤对于有冲击地压危险的区域，分类预测方法和控制技术如下所示：早期综合预测（使用综合指数方法

12、来决定主要的监测区域）实时监测区域预测（之后使用连续的微震技术进行区域性预测）局部地点的预测（验证区域性预测的准确性，使用钻孔方法、推进点的预测等）逐步确认和减弱等级危险减轻风险过程（弱化控制煤岩体的强度，消除冲击地压的危险）测试控制效果（使用声发射、微震技术、钻孔方法来验证弱化结果）4 验证冲击地压的削弱理论当考虑到采掘震动受到煤岩体的动态载荷影响时，工作面前方、公路旁积累变化的弹性应变能，可以通过以下的功能来表示。其中，U是煤岩体在任意时候积累的弹性应变能，Uf是受采动影响的余震能量，U0是煤岩体所受的最初的和散失的弹性应变能量的区别。Uj是煤岩体有效的存储能量，Ut是煤岩体在任意时刻弹性

13、应变能量增量的积累，而Ue则通过散射减轻、释放弹性能量。图6使冲击地压的削弱模式具体化，如图所示，通过散射，整个顶底板的强度和厚度得到降低，煤岩体的强度得到降低，降低了煤岩体混合物的能量积聚率。整个拉伸力得到了降低，进而，冲击地压的强度降低得到了实现。这就是冲击地压强度降低的理论基础。图6 煤岩体强度减弱前后能量积聚和减少具体的是，我们应考虑两方面两方面的事情。（1）在一个有冲击地压危险的区域，通过松动煤岩体来减小顶板的强度、厚度、完整性，可以减小冲击地压的倾向性。（2）在煤岩体强度减小之后，压力的最高区域移向深部直到煤岩体的中心处，可使煤岩体煤岩体的能量积聚率减小。（3）通过采取能量削弱措施

14、，煤岩体的能量得到释放，冲击地压的强度得到降低。5 强-弱-强结构对巷道周围岩石的影响巷道周围岩体内部的压力将根据开掘的巷道进行重新分布。当叠加的围岩应力场和从外部震源产生的压力冲击波超过拱形围岩的巷道顶板的有限承载力时，岩体的稳定结构遭到破坏，围岩将会被瞬间或累积的损伤作用所产生的压力波而破坏。另一方面，尽管有时外部震源产生的冲击波不够强大，如果叠加应力场超过拱形巷道顶板的有限承载能力时，冲击地压灾害危险将会继续存在。因此，冲击波的传播和扰动可能是引起井下巷道开采或即将到来的冲击地压灾害的关键因素。也就是说，当叠加应力强度超出巷道支护体系最大承载力时，巷道周围会发生冲击地压。基于外部冲击波的

15、扰动。控制巷道周围岩体的“强-弱-强”结构模型将会被建立。在图片7所示的“强-弱-强”结构模型中，相对的，外部强烈结构的完好状态，引起的地震波衰减指数是相对小的。当地震波在这个结构上传播的时候，地震能量没有明显的衰减而只有一小部分被吸收。因此，在其能力范围内，作为一种弱势特征的，能削减能量的强烈的外部结构得到了提出。由于其拙劣的完整性、连续性和高孔隙率，在中间松软的结构上，地震波在很大程度上得到了分散和吸收。因此，在其能力范围内，作为一种强势特征的，能消耗能量的中间松软结构得到了提出。特征越强烈，对周围岩石的保护能力越强。由于其紧密的和完整的强势内部结构，整个结构随着中间松软结构的失真而移动，而它自身的变形是相对较小的。因其有限的消耗能力，作为一种弱势特征的，能削减能量的强烈的内部结构同样得到了提出。因此，从能量消耗冲击波这个角度来说，“强-弱-强”结构可以同样作为“弱-强-弱”结构而得到提出。图7 控制巷道围岩的“强-弱-强”结构模型因此，控制巷道中冲击地压可以通过减少地震源的外部载荷、通过合理设置一个软的结构、通过提高支撑