（采矿工程专业论文）断层冲击地压数值模拟研究.pdf

摘要 捅要 地下丌挖引发断层冲击地压是岩体力学的一个难题，对其进行的各方面研究虽 然已经有了很多工程应用经验，然而机理方面的研究还很不成熟。我国是一个矿难 频发的国家，其中由于地下开采的动力扰动导致失稳引发的动力灾害非常严重。因 此该方面的研究具有很重要的理论与现实意义。 系统地总结了断层冲击地压问题的研究现状及其进展，概括了断层冲击地压动 力灾害发生机理研究的主要成果，指出了该方面的主要研究内容、存在的问题及发 展趋势。 对断层冲击地压的动力学机理进行了探讨，扼要论述了断层在近断层地下开挖 中起到的动力学控制作用。结合抚顺老虎台矿区断层冲击地压的实际，采用有限元 方法，建立了断层冲击地压有限元数值模型，利用有限元软件进行了分析。模型把 矿体丌挖分成三个步骤，分别对开挖i j 仃、一次丌挖后、二次丌挖后及三次丌挖后进 行数值模拟，分析在各个开挖步骤过程中应力、应变及能量的变化，通过其来分析 近断层开挖过程中的冲击地压发生机理及破坏情况。 通过数值模拟得出结论，随着开采范围的不断扩大，或者越接近断层，断层处 集中的应力就越大，应力也在不断积累，当煤体或围岩达到其极限强度时，就会通 过喷射等方式释放其积累的弹性能，诱发断层冲击地压。巷道开挖构成了断层引发 冲击地压的先决条件。对老虎台矿区断层冲击地压发生规律和特点进行了分析，提 出了防治冲击地压的对策和措施。 图5 4表7参5 7 关键词：断层；冲击地压；数值模拟 分类号：t d 8 0 1 河北理l 。人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fd y n a m i cd i s a s t e r sb yt h eu n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni nt h ev i c i n i t yo f f a u l t si sam u l t i d i s e i p l i n a r yi s s u e ，u p o nw h i c ht h e r eh a db e e nm a n ye n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mi s s t i l ln o tm a t u r e 1 1 1 ed i s a s t e r s c a u s e db ye x c a v a t i o ni no n rc o u n t r yi sf r e q u e n li nw h i c ht h ed y n a m i cd i s a s t e r sc a u s e db y t h ei n s t a b i l i t yb yt h ea g i t a t i o ni nu n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni s 船, v e r e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n t h i si s s u ei so f g r e a ts i g n i f i c a n c eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y n 蛇s t a t u sq u oa n dt h ea c h i e v e m e n to fe x c a v a t i o ni nt h ev i c i n i t yo ff a u l t si s s y s t e m a t i c a l l yg e n e r a l i z e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h em a j o rf i n d i n g si nt h em e c h a n i s m s t u d yo nt h ed y n a m i cd i s a s t e r sb yt h eu n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni nt h ev i c i n i t yo f f a u l t s a n d t h em a j o rc o n t e n to fr e s e a r c h , t h ep r e s e n tp r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n du p o nt h i si s s u ei sa l s oi d e n t i f i e di nt h i st h e s i s a tt h es a m et i m e ，t h em e c h a n i s mo f d y n a m i ca g i t a t i o ni ne x c a v a t i o ni nt h ev i c i n i t yo f f a u l t si sd i s c u s s c di nt h i st h e s i s , a n dt h ed y n a m i cc o n t r o l l i n gr o l eo ft h ef a u l t si nt h e u n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni n t h ev i c i n i t yo ff a u l t si s g e n e r a l l yd i s c o u r s e d 1 1 1 i st h e s i s a c c o r d i n gw i t l lt h ep r a c t i c eo ff u s h u nl a oh u t a ic o a lm i n em a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff a u l ta n dr o c kb u r s t 1 1 1 i st h e s i ss e p a r a t e st h em i n e r a lf o rt h r e es t e p s i tm a k e sa n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h r e ep e r i o d s ：b e f o r ee x p l o i t a t i o n , a f t e ro n et i m ee x p l o i t a t i o n , a f t e rs e c o n dt i m e e x p l o i t a t i o n a n da n e l t l l i r dt i m ee x p l o i t a t i o n a n dt h e n t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i ta n a l y s e st h ec h a n g eo fs t r e s s ，d i s t o r t i o na n de n e r g yo ne v e r y e x p l o i t a t i o n t h r o u g ht h i sa n a l y s i sr e s u l 4t oa n a l y z et h ee l e m e n t so fr o c kb u r s td u r i n g e x p l o i t a t i o no ff a u l tm i n e t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ny o uc a n 赋a l o n g 、黼t i lt h ee x p a n d i n gr a n g eo f e x p l o i t a t i o no ra p p r o a c h i n gt h ef a u l t , t h es t r e s sw i l lb ei n c r e a s e d w h e nt h ec o a ls t r e s s a c h i e v e st h el i m i t ，t h r o u g hb e l c hi tw i l lr e l e a s et h ef l e x i b i l i t ye n e r g ya n da r o u s et h ef a u l t a n dr o c kb u r s t l a n e w a ye x p l o i t a t i o ni st h ep r e d e t e r m i n a t i o nc o n d i t i o nt oa l - o u s et h er o c k b u r s tb yf a u l t 1 1 1 i st h e s i sa n a l y s e st h eo c c u rr u l ea n df e a t u r eo ff a u l ta n dr o c kb u r s ti nl a o h u t a ic o a lm i n ea n dp o i n tt h ec o u n t e r m e a s u r ea n dm e a s u r eo fp r e v e n t i o na n dc u r et h er o c k b u r s t f i g u r e5 4 ， c h a r t7 ，r e f e r e n c e5 7 k e yw o r d s ：f a u l t ，r o c kb u r s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d s 0 1 一j i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲辣日期_ 年一月一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 辣导师签名：避 日期：年 月一日 引言 引言 冲击地压一般指发生在深层顶底扳坚硬的煤层突然、急剧、猛烈突出现象，通 常称为岩爆【l 】。断层冲击地压，又称矿震，是由于采矿活动引起的断层突然相对错 动而引起的地压动力现象1 2 1 。往往导致工作面或巷道的煤岩层结构瞬时破坏，造成 井巷的严重破坏和人员的重大伤亡，甚至引起地表塌陷和引发局部地震。 随着岩体工程结构向深部发展，深部开挖中的冲击地压问题显得越来越突出。 尤其是断层冲击地压，随着开采深度的增加，发生的频率越来越大。国内外的铁 路、交通和水下隧洞中也曾发生过多次断层冲击地压。断层冲击地压发生十分强 烈，以至岩块猛烈喷射，造成人员伤亡，设备毁坏，支护破坏甚至坑道阻塞，造成 极大的经济损失。国内外有关专家对断层冲击地压的发生机制作了一些工作，取得 了一些成果。但是断层冲击地压发生机制十分复杂，目前仍不清楚。 辽宁抚顺老虎台煤矿已经有近百年的开采历史，随着地下开挖深度的加大，矿 井中的冲击地压问题越来越突出，发生频率越来越大，灾害程度也在逐年增大。老 虎台煤矿地质构造条件复杂，断层较多，大断层就有十几条。矿井中每年因为断层 附近的冲击地压事故就有上百起，断层与其他因素共同作用的冲击地压事故更是数 不胜数。严重威胁了老虎台煤矿的正常生产秩序与工人的作业安全。 本论文通过研究断层的机理及断层附近岩石的构造、特性，用有限元方法对断 层引起冲击地压的影响因素进行分析d 6 1 ，意在深刻揭示断层对冲击地压发生的影 响，以期为老虎台矿区断层冲击地压灾害的预防和控制提供现实依据。 河靶璎l 夫学硕+ 学伊论文 1 。1 羯题的援凌 1 文献综述 我国是一个动力灾害多发的国家。频繁发生的矿难( 其中很多是由冲击地聪而引 起的矿难) 不断地见诸报端，越来越多地得到人们的重视。动力灾害的产生，一方面与 地质条件有关，另一方面还与开挖工范兜其是开挖顺序有关。在动力灾害机瑗研究方 嚣，透过长麓豹实践，入识也逐濒摸索滋了一些罔子动力灾客茨治弱控割豹鼓零。这 黧技术在工程应嗣巾虽然取得7 一些成效，毽由于裰本梳遴不弱礁，这些方法程度用 上存在着一定的局限性；而通过数德模拟来预演或重现采搦过程中不同区域的聪力演 化过程，从而预测幼力灾害的可能危险区域是非常有效的1 7 一。 断层作为不i 闷乎完整岩体的一种特殊介质，其动力学效应如何，尤其和冲潞地压 之| 1 丑j 豹内在联系如俺，是本磅究豹重鼗内容。麸以往文献凌糕来看，出于实琢聪测帮 定量分辑豹复杂僚，廷羧于对毒关调纛资赣送行一些分耩瓣袋乏群学论证，获缮戆结 果也以定性的方面麟多。同时，人们的出发点不同，对同调查结果的看法也不完全 样1 9 。而宏观破坏是多种影响因素综合作用的结果，在凝一具体的地质、地形及地 面荷载条件下，w 熊有某一两种因素超生导作用。目前，静载作用下的危险性分析已 鲤趋成熟，但矿山邋断层地下舞挖中i 申溉她匪方面的研究，避展还不够。这怒融予断 珙聚近逸痰力较舞纛一毅方彝多交，麴之苓瑗裂蒎发毒，容荔造藏溪鼗震毒嚣黥巷遥 箍进与支护眈较困难，从而影响安全嫩产f 期。 断层附近扰动的动力学评价问题融成为岩士工程不可忽视的一个方面。潮于该问 题的特殊性，其不能满足于一般的定性描述，而要求做出浆些定量或至少是半定量的 结论。 逶过运愿数德摸羧熬方法，疑可以绘感兹步豹定性分援，嚣在参数手麓会璞豹婕 况下，也可以给融蹙有一定可傣程度的定鬃分析结果。 深部丌挖过稷中的地质灾害的孕宵和发生与地质构造、尤其是区域控制饿构造 ( 本文中主要是指断层) 有着密切关系。在构造影响区域内进行丌挖，发生动力灾害 的危险性更为严熏。在开挖过程中，这魑断层也会是诱发和产生冒顶、塌方，冲击地 篷等动力灾害的关键疆素”“。两本论文豹主要疆究内容藏楚辫绕羞蒙层产生懿冷壹建 篷来震开静。 因此，做好近断层地下开挖扰动的冲击地压动力危险性分析，对解决好煤矿安全 生产问题具有重要意义。其将有助于分析与评价断层邻近隧域内丌挖时的冲击地压危 险性，并找出控制岛预防的有效措施。本项目研究的核心内容是当前尚有很大研究空 一2 - 1 文献综述 间的科研课题，因此富有很强的实践性和理论指导意义。 1 2 冲击地压研究现状 冲击地压，是指矿井高应力区内煤体、岩体( 顶底板) 、断层在受外界扰动瞬间失 稳破坏时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现 象。冲击地压发生时，煤、岩体内所积聚的能量大多数以动能的形式向外释放，造成 煤岩体急剧破坏，部分能量以应力波的形式释放，引起介质的震动，破坏巷道、工作 面，造成顶板下沉、底板鼓起，颠覆生产设备、破坏支架、引起瓦斯涌出等，并造成 人员伤亡由于冲击地压震源浅，造成震中烈度高于同级天然地震烈度，应力波传到 地面后对地面建筑物也构成损害，冲击地压对地面构筑物的影响也日益引起人们的关 注。 1 2 1 国内外冲击地压研究现状 对冲击地压的研究始于十九世纪末二十年代初，冲击地压作为- i - j 岩石力学分支 学科，得到广泛关注是在最近3 0 年。 随着数学力学方法在冲击地压研究中的应用，利用非线性动力学、断裂力学、损 伤力学和分形几何学、突变和混沌等理论方法，为冲击地压发生机理的研究开辟了途 径，并取得了大量的成果。如谢和平在微震事件分布的基础上利用损伤力学、分形几 何学对冲击地压的发生机理进行分析，认为冲击地压是微裂隙向宏观裂隙发展的损伤 破坏过程，分形维数随岩石微裂隙的发展而减小，当减至最小值时岩体产生冲击 1 2 ”j 。潘一山、王来贵等一方面采用分形几何方法，研究煤体在受振后裂隙的变化规 律，提出了用煤体振动方法控制冲击地压的机理，另一方面，通过对断层冲击地压的 分析，提出了变形系统扰动响应稳定性判断准则，解释了断层冲击地压的l 日j 歇性【1 4 1 。 尹光志、鲜学福通过现场实测研究，认为地应力的大小和方向对冲击地压的发生具有 显著影响i j ”。周晓军、鲜学福利用煤岩体发生失稳破坏时的应变软化特征，以粘弹性 本构模型和微元统计损伤本构模型对煤岩体变形失稳的条件进行了研究f 1 6 1 。齐庆新、 刘天泉等在现场观测的基础上，通过实验室试验，验证了冲击地压的粘滑失稳机理， 提出了煤岩体结构破坏的“三因素”准则，认为冲击地压发生的过程是煤岩地层受力 的瞬问粘滑过程，是煤岩层满足剪切强度准则以突然滑动并在滑动过程中伴随着动能 释放的动力过程1 1 7 】。唐春安、潘岳、j a w a n ga n dh d p a r k 采用突变理论分析了断 层冲击地压问题，提出了煤岩体系统失稳破裂的临界条件和弹性能释放量表达式，潘 3 湃靶臻n 1 人学硕士学位论文 鼯还用压柱脆坏实验研究了失稳时的能量释放量计算问题【l s l 。v v e s e l a 、hp a r k 、 b e c k 等通过对深部开采煤岩层应力状淼的分析，提出了能凝集中存贮因素和冲前敏感 鞭素等壤念，歆为第一主应力和主瘦力麓不能反殃煤岩髂疯秀存贮豹旋力，只袭示应 力集中程度，藤拶3 方是反映缝羹存贮豹因素，是冲击敏感颡素f 1 9 1 ；费鸿禄等麸突变 理论出发引用煤澍体损伤本构方程，讨论了煤( 岩) 柱冲击地压的物理机制删# 徐曾 和运用失稳理论分析了煤柱的冲击地雁【2 1 1 ；库克( c o o k ) 分析了单轴压缩下雁机刚 度对岩石试件破裂的影响删；乔河等用离敬元方法对采动弓 起岩体失稳破坏导数冲击 恁垂透露了数夔模羧磷究涕l ；李宏等逑意了 嚣嚣嚣采辩矿撞滓壹圭蠹匿淘蘧鹣麓链力 学模型，甭计算橇符号运算求出了模黧静理论解，并| 重论淬击趣压准赠与蕊s 矧； v f r i d ，a m a n s u r o v 、t h e o d o r ei u r b a n c i ea n dc e z a r - l o a nt r i f u 、s k a r o r a 簿采用 微震监测、电磁辐射监测等方法对冲衡地压进行监测研究，来揭示冲击地压的本质， 等等。 这些磁究帮袭鞠，滓壹逢莲终麓多学季； 交叉豹一令王穰实篱鞠遂，骞必要麸鍪令 方西对其迸章亍了深入、广泛的研究，黻实现霹冲击逢压的准确预测预报稆有效较翎。 在冲击地压的机理研究中，通过多年理论研究和实践探索，形成了若干有代表性 的经典理论，主爱有“2 7 】： 1 强度理论 擎凝夔强疫蘧沦谈秀，洚毒逮瘫麓缀岩弱帮应秀超过缀羧强度纛发生瓣，势瓣媒 者体形成应力集中的原闵提出了各种假说，如压力拱理论和懋壁梁理论等，这理论 称为冲击地压的强度理论。强度理论进一步发展为近代强度理论，以“矿体嗣岩” 系统为研究对象，考虑了系统的极限平衡，认为冲击地愿发生的应力条件是： 拶s 萨o 。1 ) 近代净壹整聪瓣强爱理论主要羲羧子“矿薅豳者”这一力学系统懿极羧半餐 条件，根据具体问题提出岩体结构模勰，结合材料的物瑗力学特性，建立数学模型， 进行定量分析。熙肖代表性的有前】霍依诺提出的央持煤体理论，这一理论认为，煤体 处于顶底板夹持之中，夹持特性决定了煤体围岩系统的力学性质，产生冲前地压的 强发条 孛是：媒体疆岩交界处达到投漩乎衡，煤俸本身簸达到极限平衡。攒戴，褥 爨煤俸辍隈丞力方程： 攻= ( c r o + r o c t y 妒) - e x p ( 2 t y c x m ) - l j 十o o ( 2 ) 式中： 最一煤体极限腱力，m p a ； 毒 1 文献综述 f d 一煤体围岩交界处粘结力，m p a ； c r o 一煤体单向抗压强度，m p a ； x 一计算点距煤壁距离，m ； m 采高，m ； 妒煤体围岩交界处的摩擦角，。 布氏理论揭示了煤体围岩力学系统的极限平衡条件，但是式( 2 ) 的计算结果和实 际情况有一定的差距。为此，国内一些学者根据这一理论的基本思想，结合我国煤矿 的实际情况，对式( 2 ) 作了改进，得到如下的极限压力方程： _ - - o - o - e x p i o y q ，( 2 l 1 ) 】。( 3 ) 式中： c r 0 l = 0 5 m 处煤体的残余强度，m p a ； 足三轴残余强度系数( 由三轴强度准则o i = o o + k o 3 确定) ； 上一三= x m ： 驴一煤体围岩交界处的外摩擦角，。 该理论较好的揭示了煤体围岩力学系统的极限平衡条件。解释了冲击地压的一 些现象，具有简单、直观和便于应用的特点，但对冲击地压动力学特征的描述不够， 它只能判断岩体是否破坏，但并不能回答是什么样的破坏形式，是静态破坏还是动态 破坏。特别是对于采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其强度极限，但并没有都发 生冲击地压的现象，强度理论无法解释。这些事实说明强度理论只是发生冲击地压的 必要条件，而不是充分条件。 2 刚度理论 刚度理论在美国和南非有较大影响，该理论源于刚性压力机试验。六十年代中期 库克和霍杰姆发现，用普通压力机进行压缩试验时发生岩石试件猛烈破坏。若改用刚 性压力机试验时，则破坏并不猛烈，而且可以得到应力应变全过程曲线，经分析试 件产生猛烈破坏的原因，发现是由于试件刚度大于试验机刚度所致。以后库克等人将 此结果用于解释矿柱围岩系统的矿山冲击问题。七十年代，布莱克将此理论进一步 完善，并用于分析美国加利纳矿的冲击地压问题。该理论认为矿山结构、矿体的刚度 大于矿山负荷系统( 围岩) 的刚度是产生冲击地压的必要条件。 国内一些学者把刚度理论用于解决煤柱，围岩系统的冲击地压问题，并把煤柱和 围岩分别用不同刚度的弹簧进行模拟。如图l 所示：并认为煤柱屈服后的刚度k m 大 s 一 河嚣理1 大学硕士学位论文 予顶底板岩体的刚度k d 时，即k m k d 时煤柱就发生冲击地压；i o n k 。时，煤岩层具有冲击破坏的危险。反映煤 岩体冲击倾向程度磁的是煤岩层冲击倾向性指标，并根据指标的大小来判断煤岩层 有无冲击倾向性或冲击倾向性强弱。 显然，用一组冲击倾向理论指标评价煤( 岩) 体本身的冲击危险性具有实际的意 义，并已得到了广泛的应用。 5 三准则理论 在研究强度理论、能量理论和冲击倾向理论所提出的冲击地压的判据基础上，我 国学者李玉生等把强度准则视为煤岩的破坏准则，作为冲击地压发生的必要条件；把 能量准则和冲击倾向性理论度视为煤岩突然破坏的准则，作为冲击地压发生的充分条 件。提出了结合强度理论、能量理论和冲击倾向理论为一体的“三准则”冲击地压机 理模型： 强度准则： 能量准则： 冲击倾向准则： ! 蛆：五：垂：厶：五! l 盯 掣扎6 ， d 矾一 惫扎， 式中： z 采掘活动所造成的附加应力，m p a ； 7 河靶理f ：久学顼士学往论文 地质构造成力，m p a ； 疋岩层自熬成力，m p a ； 五砉莽内黪冀愁窿力魏瓦辩裂豫农器湛痊压力等； 疋一媒体霾裟交赛处的应力，m p a ； j 已煤体( 或喇岩) 冲击倾向度指标； k ：冲击倾向指标的临界值； 盯+ 媒体围卷系统的极限强度值，m p a 。 该摸墼魄较全嚣建箍示7 洚壹建舔瓣发生瓿理。蓐为撰理摸型，摆对来说跫院较 完善的，褪楚这哭楚一个原则往静表达箴。特掰是强度礁箍和能量准则，在蜜鼯运用 中难度很大。实际中影响因素较多，备参数几乎是无法确定。这正是目前的预测方法 和冲击地压机理之间脱节的重要原因。 6 失稳理论 搴梦涛璐磁等捷遗净老缝基是爨爨戆一释秘辩失稳酸棼现象，试荛煤豢受采动 褥在采场靥囤形成威力集中，煤岩交戚皮变软化材料，当簸乎不稳定状态时，程辨界 扰动下，发生冲击地压，提出了冲击地压是材料失稳的思想，但没有对冲击煅膳发生 的条件进行具体分析。作者在文献中总结了失稳理论的特点： 1 ) 该理论指出，只有煤岩体内的鬃中应力超过煤岩强魔后才能发生冲击她难。 这与强囊理论一致，势摇塞了哭满足强爱撵蘩莠苓一定发黧洚壶建玉豹覆因。 2 ) 指出煤岩变形系统若处予非稳定平衡状态，在扰动下失稳释放的能爨大予克 服阻力所消耗的能嫩，且多余能量转换为动能时，将发生冲击地压。 3 ) 指出系统失稳与极限强度i j 后煤岩物理力学性质都有关系。 7 。其毽理论 滚蠢平夔净毒镳嚣分形褥薤与橇瑗磷究，将分形尼懿零| 入净击途压瓣礴突。这一 理论的主要成果燕使用分形的数目与举径的关系来考察微震事件的空间分布，发现微 震时间具有集聚分形结构。当冲击地愿发生前，微震活动的集聚程度明显增加，并出 现分形维数值的减少。最低的分形维数值通常出现在一个童冲击地压临近发生时。分 形理论对洚击地蹑笈生更多建是扶现象的角度绘予定性攒述，在定量描述；孛纛娩难发 爱豹露嚣窥酸坏遗耩方蟊还霉要骰大鬃戆工箨。 齐庆新等在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时提出了“三因素” 理论。该理论将崧体内在因素、力源因索和结构因素作为鼯致冲击地压发生的最主要 因素。认为岩体破坏是滑动破坏，其滑动形式分为稳定性滑动和粘性滑动两种。岩层 - s - l 文献综述 受力过程中的瞬时粘滑过程，是岩层满足剪切强度准则的突然滑动并在滑动过程中伴 有变形能释放的动力过程 3 0 l 。 1 2 2 冲击地压特点 通常情况下，冲击地压会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动，产生强烈 声响，造成岩体的破裂和裂缝扩展。因此冲击地压具有如下明显的显现特征： 1 突发性。冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，冲击过程短暂，持 续时间几秒到几十秒，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度。 2 瞬时震动性。冲击地压发生过程急剧而短暂，向爆炸一样伴有巨大的响声和 强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几千米 甚至几十千米，地面有震动感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。 3 巨大破坏性。冲击地压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般不冒落； 有时底板突然丌裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并 从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击地压常常造成惨重的人员伤亡和 巨大的生产损失。 4 复杂性。在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击地压现 象，采深从2 0 0 m 1 0 0 0 m ，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从 水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条 件上，无论水采、炮采、机采或是综采柱式或煤柱支撑式，全部垮落法或水力充填法 等各种采煤土艺，无论长壁、短壁、房分层开采还是倒台阶等各种采煤方法都出现过 冲击地压。 1 2 3 冲击地压的分类 根据煤岩体的受力状态及地质条件，冲击地压可以分为三类1 3 l 】： 1 煤体压缩型冲击地压 这种类型的冲击地压是煤矿中最常见的冲击地压，约占总数的8 0 以上。煤体受 压后，若其承载能力随煤体变形的增加而迅速降低，煤岩系统是不稳定的，就会发生 冲击地压。应当指出，这种类型的冲击地压事故虽然煤体边界上仅受到压应力，但是 煤体主要是在剪切应力作用下发生破坏的，这一点经常会被误解。这种类型的冲击地 压主要发生在采煤工作面、孤岛煤柱或巷道掘进的煤( 岩) 体中。 如下因素可能引起煤( 岩) 压应力型冲击地压： 9 - 河北理1 人学硕+ 学付论文 1 ) 开采深度增加。 2 ) 开采含有向( 背) 斜构造的轴部。 3 ) 断层构造带附近。 4 ) 煤层的厚度、倾角、煤质等急剧变化的区域。 5 ) 开采程序不合理，如相向开采造成孤岛煤柱等人为制造的高应力集中区。 6 ) 放炮等引起煤体振动。 7 ) 开采或掘进速度过快，使得煤( 岩) 体浅部来不及松弛。 2 顶板受拉型冲击地压 顶板受拉型冲击地压是指当采矿进行到一定深度后，具有坚硬的厚而完整的顶 板岩层大面积悬空而发生的顶板突然断裂，发生时的受力特点是顶板含有承载力大 于抗拉强度的拉应力区域。这种类型的冲击地压一般发生在老塘中部或煤柱边缘附 近，或沿原有断裂线、弱面继续开裂失稳扩展；后方的顶板断裂或后方为落差比较 大的断层，其新发生的断裂位置转向工作面的前方。如下因素可能引起顶板受拉型 冲击地压。 如下因素可能引起煤( 岩) 顶板受拉型冲击地压： 1 ) 开采后顶板大面积悬空。 2 ) 大量回收煤柱。 3 ) 遇到断层使顶底板不连续。 4 ) 放炮、行车甚至地震等强扰因素。 3 断层( 错动型) 冲击地压 断层( 错动型) 冲击地压是指采掘工作面推进至断层附近时，引起断层本身的 突然错动，猛烈释放能量的现象。其受力特点是断层承受相对较大的剪应力作用， 易发生在陶季。随着老矿区的丌拓，地质、开采条件越来越复杂，发生这种类型冲 击地压的可能性要增加。如下因素可能引起断层错动型冲击地压。 如下因素可能引起煤( 岩) 断层错动型冲击地压： 1 ) 断层遇水，断层泥的力学性质发生破坏，断层抵抗摩擦的能力降低。 2 ) 放炮、行车及地震等的扰动。 3 ) 开采减弱或切断断层的支撑。 4 ) 断层正应力的减小。 5 ) 断层剪应力的增加。 6 ) 开采深度越大，诱发断层冲击地压可能性增加。 1 0 1 文献综述 7 ) 断层岩石应变软化特性越强，围岩剪切模量越小越容易失稳。 煤矿冲击地压按不同的分类原则而有各种型式。由于煤体结构较岩体松散、强度 低、各向异性更明显，所以冲击地压大多数是煤体冲击型，一般按力源可分为垂直压 力为主的重力型，水平压力为主的构造型两种。当煤矿开采达到一定采深、面积以 后，由于顶底板岩层的活动参与了失稳破坏，冲击地压就具有了新的性质。按冲击源 ( 释放能量的破裂点) 所在位置可分为煤体冲击型、顶( 底) 板岩层冲击型、断层错 动型三大类。顶底板岩层冲击地压又可分为两种类型：岩层弹性冲击地压和岩层断裂 冲击地压。另外在煤、岩层的交界面上的失稳破坏煤、岩体共同参与冲击，我们可 以称之为煤体顶板型冲击。 1 3 断层冲击地压研究现状 断层冲击地压，又称矿震，是指由于采矿活动引起的断层的突然相对错动而猛烈 释放能力的现象吲。发生深度一般为8 0 0 m 1 0 0 0 m ，震级为3 4 级。振动时日j 长， 震荡次数多、频率低、应力波携带的能量大，传到地表后能激起很强的面波。释放能 量多、震级高是断层冲击地压的特点。 1 3 1 机理研究 近些年，断层冲击地压的研究较多，许多人从很多角度对断层冲击地压的成因、 机理等方面进行了深入研究。 1 从应力集中的角度 地质构造造成的应力集中是断层冲击地压发生的主要原因。丌采造成了断层处应 力集中，当继续开挖遇到断层时，造成上覆岩层应力集中的快速释放，特别是煤层厚 度和倾角的突然变化，造成构造应力的叠加作用。在这种情况下将发生断层冲击地压 【3 3 】。 2 从能量集中的角度 工作面附近存在断层时，由于断层的阻隔，煤体内积聚的弹性能不能释放出去， 而在断层处积聚了较高的能量。当此时开采断层处的支撑煤柱或开采断层一侧煤体而 破坏了其力学平衡后，积聚的能量便随之释放出来，造成断层冲击地压f 州。 3 从开采深度的角度 断层冲击地压的直接原因是煤层的开采。开采引起正应力的改变将引起断层冲击 地压。工程开挖使断层面的正应力减小，从而使断层面处摩擦阻力降低，引起断层局 河e 毽。j ：入学硕士学位论文 部突然重新活动，形成断层冲击地压。由于正应力由岩石自煎产生( 不考虑构造应 力) ，所以只有采深达到一定值时，才能发生断层冲击地腻【3 5 ，3 6 1 。 4 斌巷遒距鞭艨踅离豹角度 巷道发生断鼷i 申毒缝匿次数与巷邋躐断层远近静关系；断层影响范鋈可宓为 3 0 m ，离断层越避的位置，发生断层冲击地压的概率越大；断层冲击地压发嫩的位置 在断层的上盘和下擞表现不一样，即上擞与下盘相比，上擞发生冲击地压的概率大 1 3 7 l 。 5 + 其宅 把断层与围瓣瓣律一个系统，对骄鼷i 孛击建压靛橇璞；襁发生准烫| l 送行研究t 3 a 剐。如把断层冲击地压看作是断层带介质和围岩组成的系统在采动诱发下的变形失稳 问题。 1 3 + 2 透叛层地下开控工程中动力危险瞧目送豹基本分叛方法 地下开挖工稷危除性分析的思路方法有很多种，其中鞋：较重要的主要有三炎，下 面分别进行研究。 1 地质力学区划方法 地质动力区划方法是基于地质力学方法的基本思想m ，在2 0 世纪8 0 年代在髓苏联 发震莛亲戆，它怒瑷叛决学鬟荛蓦疆| l ，综合逶形建貔学、穗琢耱理学、瑟裂学、测量 学及采矿工程学蒋学科而形成的- f - j 新兴的边缘学科。这科i 方法的主要内容是： 1 ) 确定矿区范围内活动断裂，谶而评估岩体的自然威力状态： 2 ) 研究自然腹力状态与采动应力状念的相互作用，确定对采矿工程的影响； 3 ) 为了安仝藤效地开发矿遁，制定综合静预防动力糯象的措旄【4 “。 在魏方瑟，我鬻褥学家爨盘终爨了穰大豹贡簸。上令8 e 年代，吝潮黠予慕羹鏊下工 程中断裂结构岩体的稳定性分析的论述中，结合地质力学滕理，讨论了硐体位于断层 附近且有大量节理渐存在于工程岩体中时硐室围岩稳定性问题1 4 2 1 ；李扬鉴讨论了基于 地质力学思想褶曲构造中断层的分布、形成原因及其强度问题等对于矿体的影响1 4 引。 遴入耨世纪，我嗣瓣学家基于建质力学方法引入动力区划愿憋，著结合矿出地栽戆研 究残票发表7 缀多爨骞重要工程意义静论文，院翔隋塞投耨范学理在关予深弗器挖途 质灾害及矿山地震研究中应用地质力学思想和动力区划方法，并与实测冲击地聪数据 比较，对地下岩体应力场分钿和构造断裂之日j 的动力关系进行了研究m l ；孙索顾等基 于地质力学方法结会几个油田的实测结果分析了天然断裂和人工断裂的分布规律及其 1 2 1 文献综述 各自活动时的应力变化规律【4 5 】；朱广轶等基于地质力学方法结合鹤岗矿区的实际情况 对于现今鹤岗城区由各级断裂所分割的断块结构展现出的构造运动的结果和对城区楼 字、生命线系统的相关防灾措施进行的研究等嗍。 2 工程类比方法 在一些重要的施工规范和规定中都明确规定“在有关地质工程设计中应采用类比 法”。因此许多重要的地下岩土工程正是采用了工程类比法( 当然不仅限于工程类比 法一种) 而设计成功的。从哲学角度看，类比是一种从特殊过渡到特殊的思维方式。 类比法在科学研究中起着重要作用，但也存在着某些局限性，需要与其他方法结合使 用。在岩土工程设计中总是将它与理论计算、监控结合使用。 工程类比法的理论依据一般而占，是工程地质力学综合集成法所强调的专家群体 经验知识和判断力，而且有着哲学上的依据；通过工程类比影响因素分析确定出因素 代表量，可定量求出两个类比工程之间的可比度，并可进一步划分出其可比性，从而 以此为依掘展开各项类比。 原则上与岩土工程有关的一切因素都属于分析对象。降雨、地震、施工等变化较 大的因素称为易变因素；另一类因素如岩性、构造、山体结构、岩体结构( 即块状结 构、层状结构、镶嵌结构、碎裂结构和散体结构) 、风化程度、岩土体变形破坏规律 等则始终变化不大，称为基本因素。对于讨论开挖的工程类比，工程几何条件也可划 归基本因素。在一般情况下地下水可划归基本因素。基本因素是主要研究对象，而有 关地质条件的因素( 如岩性、构造和岩体结构等) 又是主要的。岩石的峰硬性、风化 程度、岩体结构、地下水条件、地应力条件、边坡角度以及最大主压应力与工程之间 的几何关系等，都是工程类比中需要考虑的基本因素1 4 7 】。 目前，工程类比法在我国甚至于世界隧道和地下工程的设计领域仍占据重要地 位。许多已建成或在建的特大型工程，其设计思路都是以工程类比法为主。但是，工 程类比的经验设计方法的关键在于建立正确的围岩分类体系，以及既有工程资料的积 累和整理。现行围岩分类本身带有很大的人为因素，仍是一个定性为主的分类，而因 为没有一个完善的地下工程数据库，工程类比也只是各单位依据局部有限的经验进行 类比，设计者难以在纵观全局的基础上确定出经济合理的设计方案【4 引。 3 数值分析方法 数值方法是6 0 年代引入地下工程危险性分析中，它包括有限单元法、有限差分 法、边界元法、离散元法、和刚体弹簧元法( 又名界面元法) 等。目前用于地下工程 1 3 溺l e 理工人学硕士学位论文 稳定性计算的数值方法有d d a 方法、有限元法、有限差分法、边界元法、离散冗法和 界面元法等。它们的共同特点是它们都是以离散化原则为熬础的，即都是把一个复杂 豹整 誊翊题离教豫为蓉于令鞍小豹等份瓣摹薅舞组成静整髂。它察有各自的貔疑点， 依据的原理 垒各蠢麓异，毽帮麓有所铡熬地处理好不露方舔黥各种者工程阍撩。这 是由于每一种理论计算方法均有一些假定和种种限制条件，使得它们的使用范围各不 相同。因此，若采用某种单一的计算模式则有可能不足以念露真实地反映隧道地下结 构在形式上的多样化，以及其与周围地层或岩体互相制约耐燕现的受力复杂性；丽如 巢条终竞诲，可鲮袋鬻多秘 冀模式，势将各秘方法豹计冀续集迸孬对魄分拆，簸嚣 w 以避免由予过分依赖某一种计算模式蕊造成的风险。 下面分别介绍几种常用的数值计算方法。 1 ) 有限单元法 由于本论文研究所用到的a n s y s 数馕模拟软件系基于有限单元法发展开来的，因 忿关于该方法瓣谨缨分绥趸第二章。 2 ) 边界单元法 在前文所述的有限单元法中，问题域被离散为单元，弗对连续介质的位移炀和应 力场的连续性提供物理近似，对于单元的节点，可以精确地建立和求解控制方稷。因 北，有限元法是对i 璃题熬微分近似表达式给出了精确解，它实质上瘸于微分法。 与微分法程霹旋鹃莛积分法，积努法掰涉及豹透赛霹镶鬻整今葭邃凌，瑟数壤分 析的离散化仅在边莽，丘近似，即在内部问题的外边界或外部问题的内边界上划分荦元 作近似处理。积分法统称为边界单元法，且有直接法和间接法两类，它们都悬利用了 简单奇异问题的解析解，并可近似满足姆个边界单元的应力和位移边界条件。将媳界 离数为边界单元，恕由微分方程边值避遂i 胄亿来的边界积分方程转换成线性代数方程 缍，先求窭透赛攀元懿应力或位移解，然嚣逶逑惩褥公式袋褥诗箕区域痰 王一轰豹 解。由于该法仅仅限定和离散问题的边界，可把平面问题的霪点转移到边界上来，可 有效地使已知问题的维数降低，并由此减小方程组的规模，这样便大大减少了计算工 作量，并使计算效窀大大提高。由于边界元法可以正确地模拟远处的边界条件，并可 以保证在整令 孝瓣体斑痤方绣和位移场变纯豹连续性。嚣_ l 玩，逸器元法最适用予均璜 专考糟帮线往往态穗凝。透赛元法院较荔蹩瑾一些无藤区域鹈三维空闫霹题，黻及 每 解函数带有奇异性( 如裂缝、应力集中和点源作用下的场等) 问题。但对于复杂边界 条件问题、非均质备向异性问题、非线性问题、组合结构问题等适应性较差【4 9 】。 3 ) 离散单元法 。1 4 。 l 文献综述 离散单元法是近年发展起来的一种解决节理岩石工程问题的新型数值计算方法， 特别在采矿、隧道、地下工程方面都有重要的应用。离散单元法也像有限元法那样， 将区域划分成单元，但是单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元 结点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。单元间相互作用的 力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡 力和不平衡力矩大小按牛顿运动定律确定嗍 前文所述的有限元法或边界元法虽然将问题域的内部或边界进行了离散化，但在 计算过程中，仍要求保持整体完整性，单元之间不允许拉开，应力仍保持连续。离散 单元法则完全强调岩体的非连续性。该方法研究的问题域由众多的岩体单元组成，但 这些单元之间并不要求完全紧密接触，单元之问既可以是面接触，也可以是面与点的 接触，每个岩体单元不仅要输入它的材料弹性参数等，还要确定形成岩块四周结构面 的切向刚度、法向刚度值等。离散单元法允许块体之问滑移或受到拉力以后脱歼，甚 至脱离母体而自由下坠。该方法认为，岩体中的各离散单元在初始应力作用下各块体 保持平衡，而当岩体被表面或内部丌挖以后，一部分岩体就存在不平衡力。离散单元 法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡力计算，并采用牛顿运 动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。通过反复逐个地对每个块体进行类 似的计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏，或者计算出最终稳定体系的 累计位移。 离散单元法有几个分支，其中值得一提的是颗粒离散元法。该方法的基本思路 是：由于多边形块体组成的离散元体系接触判断过于复杂，因此很多研究者想到使用 圆形( 二维) 或球形( 三维) 块体来代替多边形，从而使接触判断大大简化。当球形 块体足够多时，也可以较好地近似模拟实际块体的行为。这种离散元体系被称为颗粒 离散元、颗粒散体元或扩展离散元方法i s ”。 离散单元法是一种显式求解的数值方法。其计算原理虽然很简单，但在计算机上 实施起束却比较复杂，这样就限制了它在大范围岩土工程应力分析中的应用。为扩大 该方法的应用范围，可将工程表层破碎岩体划分为离散单元，而将深部较好岩体视为 连续体，用有限元或边界元模拟。这就促使了一些耦合算法的产生1 5 2 】。 4 ) 刚体弹簧元法 刚体弹簧元法又名界面元法 r i g i db o d ys p r i n gm e t h o d ) ，是一种将计算对象视 为变形积累于单元边界面的有限块体界面组合离散体，单元本身为刚体、单元问的互 相作用由界面上的双向弹簧传递的数值分析方法。 - 1 5 - 漏j e 璎f ：丈学硕十学傍论文 刚体弹簧元法最早是由k a w a i 教授予1 9 7 6 年提出的，当初提出的意图是以较少的 自由度来求解结构问题。后来又有周维