冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析.pdf

第 29 卷第 2 期 岩 土 力 学 Vol 29 No 2 2008 年 2 月 Rock and Soil Mechanics Feb 2008 收稿日期 2007 9 25 基金项目 国家自然科学基金项目 No 50490270 No 50474068 No 50674085 国家重点基础研究专项项目 No 973 No 2005CB221504 十 一五 国家科技支撑计划 No 2006BAK04B02 No 2006BAK03B06 教育部新世纪优秀人才支持计划 No NCET 06 0478 中国矿业大学科技基 金资助项目 No 2006B002 作者简介 高明仕 男 1970 年生 副教授 博士 主要从事巷道围岩控制 深部巷道冲击矿压灾害防治方面的研究工作 E mail cumt gms 文章编号 文章编号 1000 7598 2008 02 359 06 冲击矿压巷道围岩控制的强弱强冲击矿压巷道围岩控制的强弱强 力学模型及其应用分析力学模型及其应用分析 高明仕 1 窦林名1 张 农1 王 恺1 2 郑百生1 1 煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学 江苏 徐州 221008 2 中国煤炭工业协会 北京 100083 摘摘 要 要 根据巷道冲击震动破坏的原因和机理 建立了冲击矿压巷道围岩稳定性控制的强弱强 3S 结构力学模型 分析了 该力学模型防冲抗震机理 在结构自身强度 应力转移和吸收 变形及能量耗散等方面分别表现出不同的 3S 特征 并推导 得到了巷道支护体内强小结构发生冲击震动破坏的应力判据和能量准则 最后 对该模型在工程中的应用做了理论分析 提 出要通过减小外界震源载荷 合理设置弱结构 提高支护强度等措施来防范巷道冲击矿压动力灾害 关关 键键 词 词 采矿工程 冲击矿压 巷道围岩控制 强弱强 3S 力学模型 应用分析 中图分类号 中图分类号 TU 451 文献标识码 文献标识码 A Strong soft strong mechanical model for controlling roadway surrounding rock subjected to rock burst and its application GAO Ming shi1 DOU Lin ming1 ZHANG Nong1 WANG Kai 1 2 ZHENG Bai sheng1 1 State Key Laboratory of Coal Resourses and Mine Safety China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China 2 China National Coal Association Beijing 100083 China Abstract Rock burst may result in tremendous hazards in coal mining such as sudden roof falling or even abrupt closing and jamming of roadway According to the mechanism of roadway destruction by rock burst a strong soft strong 3S structural model to prevent rock burst from taking place was established and analyzed The result shows that the 3S structural model has several characters such as strength character of the structure itself stress adjustment wave absorbing deformation and anti deformation energy consuming etc Stress criterion and energy rule of the small inner support structure destroyed by rock burst were deduced At last based on the 3S model the engineering application was theoretically discussed several techniques such as decreasing shock energy setting proper soft structure and improving support strength were put forward to prevent roadway from being destructed by rock burst Key words mining engineering rock burst roadway surrounding rock control strong soft strong 3S mechanical model eng ineering application analysis 1 引 言 冲击矿压 岩爆 对矿山安全开采造成了极大 的危害 通常会瞬间造成巷道冒落垮塌甚至闭合堵 塞 1 4 我国煤炭资源开采逐渐转向深部 冲击矿压 发生的频次和烈度随采深增加而显著增大 因此 冲击矿压 岩爆 巷道围岩稳定性控制已成为我国 矿产资源开采过程中一个急需解决的难题 针对巷 道冲击矿压的震源机理 有学者进行了相关研究并 取得了一定进展 文献 5 建立了煤层平巷冲击矿压 的断裂损伤力学模型 分析了巷道煤壁中预存裂纹 尖端产生翼型张裂纹形成薄煤层壳 薄煤层壳屈曲 变形压裂失稳形成冲击矿压 文献 6 建立了煤层巷 道片帮型冲击矿压的层裂板屈曲模型 认为冲击矿 压是煤壁形成的层裂板结构区的局部压屈 文献 7 建立了煤岩混凝土冲击破坏的弹塑脆性模型 较好 岩 土 力 学 2008 年 地解释了冲击矿压的发生 载荷的突变对煤岩体破 坏的影响 煤岩体从流变到突变的破坏特征 文 献 8 采用双状态变量本构模型 模拟了冲击地压系 统的黏滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程 文 献 9 采用应变损伤模型对圆形洞室矿震的发生进 行了解析分析 得到了发生矿震的洞室临界塑性区 深度和临界作用力 这些研究都是针对巷道发生冲 击矿压的震源机理而建立的 未对破坏机理进行解 释 而且模型中未充分考虑冲击震动波与煤岩介质 的相互作用 与实际情况有一定距离 本文分析了巷道冲击矿压的破坏机理 建立了 基于应力波冲击效应的巷道围岩防冲抗震的强弱强 strong soft strong 即 3S 结构控制力学模型 深 入研究了冲击震动波在 3S 结构中的传递效应 得 到了巷道围岩承载体小结构在冲击载荷和高应力作 用下发生破坏的应力判据和能量准则 基于该 3S 结构力学模型 进一步探讨了巷道围岩防冲抗震 对策 为冲击倾向性 岩爆 巷道围岩稳定性控制 提供了理论依据和参考价值 2 巷道冲击震动破坏机理 开挖造成巷道周围岩体应力重新分布 局部围 岩因应力集中受到一定程度的损伤破坏 若围岩结 构还没有被破坏 巷道仍可以维持一定的稳定性 当存在某种外界震源时 从震源传播而来的冲击应 力波与原位应力场叠加后的应力强度大于巷道围岩 体的极限承载强度 岩体平衡状态被打破 巷道围 岩将瞬间破坏 或经应力波反复拉压累积损伤而破 坏 另一种情况 在岩体自重和构造应力作用下巷 道围岩应力场已很高 处于或接近极限状态 外界 震动源传播而来的冲击震动波虽然不大 但叠加应 力场高于巷道围岩体的极限承载强度引发冲击矿压 灾害 因此采矿活动等震源产生的冲击震动波的传 播和扰动是巷道发生冲击矿压破坏的一个很关键的 因素 只要叠加后总体应力强度超过巷道围岩支护 体的承载极限就会发生巷道冲击矿压震动破坏 3 冲击震动巷道围岩控制的 3S 模型 3 1 建立模型建立模型 冲击震源 由采矿引起的坚硬厚岩层断裂或由 放炮诱发岩层移动 断裂等产生冲击应力波 距离 巷道中心 d 处冲击应力初始值为 d 巷道半径为 r 巷道围岩承载拱厚度为 AB t 巷道围岩极限强度为 m 因巷道埋深 h r d 与r之间通常也是 1 2 甚至更大的数量级关系 所以可以认为 冲击波 传播到巷道周围时是同时到达巷道围岩小结构 这 样可以将传播到巷道围岩小结构的冲击波在小结构 的外表面看成均匀分布 震源产生的冲击应力波对 巷道围岩的作用就可以看成正入射 为便于研究 假设围岩为均质各向同性的弹性介质 无蠕变或黏 性行为 圆形断面 平面应变模型 震动应力波向巷道方向传播 先在外围相对完 整岩层大结构中传递 传递到巷道围岩附近和表面 的冲击应力波强度较高 有可能超过巷道围岩小结 构的极限承载强度而使围岩开裂造成小结构的失稳 破坏 若在外围的冲击传递区大结构和最内的支护 保护区小结构之间设置一个对冲击震动波有显著消 波吸能作用的弱结构 则从大结构传递来的冲击震 动波经过弱结构的强散射和吸收作用 使其传递到 支护小结构的应力波强度大大减弱 就有可能低于 巷道支护体小结构的极限承载强度 从而维护小结 构的稳定性 弱结构之外是冲击传递区大结构 围 岩结构相对完整 强度较大 称之为外强结构 弱 结构之内是支护体小结构 需要强化支护保持其稳 定性 从而构成了冲击震动巷道围岩的 3S 结构力 学模型 如图 1 所示 图图 1 冲击震动巷道围岩稳定性控制的冲击震动巷道围岩稳定性控制的 3S 结构力学模型结构力学模型 Fig 1 3S structural model of roadway 3 2 3S 结构力学模型的应力转移及消波效应结构力学模型的应力转移及消波效应 在无冲击震动状态下 由于弱结构的存在 巷 道围岩周边的应力分布重新调整 径向应力和切向 应力都向围岩深部转移 由图 2 中的曲线 1 和曲线 2 转移至弱结构外的曲线 3 和曲线 4 使巷道周边 围岩支护小结构处于应力降低区域 有利于巷道的 维护和稳定 在有冲击震动发生时 由于冲击震源 传递而来的强冲击应力 若没有 3S 结构的存在 冲击应力分布曲线如图 2 中的 KMN 所示 冲击应 力虽经传递岩层的阻尼衰减 但在瞬间的冲击过程 中衰减效果不明显 传递到巷道周边围岩的冲击应 力波强度仍然较大 当该应力值超过围岩极限承载 强度时就会造成巷道的破坏 有弱结构存在时 强 Or 冲击震动源 d C B A T Td t 冲击传递区大结构 强 消波吸能区中结构 弱 h 支护保护区小结构 强 360 第 2 期 高明仕等 冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析 冲击应力在强 弱结构表面发生反射和透射现象 部分应力被反射回外强结构中 图 2 中 FC 透射 进入弱结构的应力幅值大大降低 并在弱结构内部 再次经过散射和吸收 应力强度进一步衰减 传递 到巷道围岩内强小结构上的应力就大大减弱 图 2 中 STH 即 3S 结构的存在 将冲击震动应力分布 曲线 KMN 改变为 KM STH 因此 3S 结构对冲击 应力波起到明显的衰减吸收效应 使巷道周边处于 较低的应力场区域 而在无冲击震动状态下 该结 构将巷道周边的高应力转移至深部 这对于深部高 应力环境下巷道的稳定性维护同样具有显著作用 图图 2 3S 结构的应力转移及消波效应结构的应力转移及消波效应 Fig 2 Stress adjusted and wave absorbed by 3S structuresubjected to rock burst 3 3 3S 结构模型的力学机理结构模型的力学机理 1 正常情况下孔周边的应力分布 由弹性力学理论可知 圆孔在 1 h 均布应 力场中 在距离巷道中心 R 处 R r 处产生的 径向应力和切向应力分别为 22 r 22 1 1 rr hh RR 1 2 震源扰动冲击应力波的影响 巷道无支护时 弹性波从冲击震动源传播到巷 道围岩表面 假定波在介质中传播的能量衰减指数 为 由弹性波传播理论及文献 2 试验结论中能量 衰减关系式可知 此时 A 处由冲击应力带来的应力 强度为 d A dr 2 巷道表面两种介质的波阻抗分别为 ww v 和 kk v 波在巷道围岩表面产生的反射波强度和透射 波强度分别为 AFAAATAA FT 3 式中 ww kk 12 11 A AAA AA vn FTn nnv 4 因巷道围岩表面分别为围岩和空气 式 4 中 A n 1 A F A 0T 巷道围岩表面 A 处 的冲击入射波几乎全部反射为拉应力波 冲击应力 波带来的应力强度就为 A 得到无支护巷道围岩在 震源冲击下发生破坏的判据 rA 即 2 d 2 1 r drh R 5 从式 5 可以看出 巷道冲击矿压破坏的主要 因素与冲击源的初始震动能量 震源距离 介质的 衰减指数以及原岩应力场大小特别是埋深等因素有 关 当冲击源能量越小 距离巷道越远 介质的衰 减指数越大 原岩应力场越小特别是埋深越浅 巷 道围岩越不易发生冲击矿压破坏 反之 巷道围岩 就可能瞬间被冲击破坏 3 在巷道有支护情况下 将巷道围岩承载小结构AB当作一个整体看待 巷道围岩支护体强度为 ZAB 冲击震动源传播到巷 道围岩承载小结构外表面 B 处 波在介质中传播的 能量衰减指数仍为 此时 B 处的冲击波入射强度 B 为 d BAB drt 6 此时 在巷道围岩支护小结构 AB 外表面上任 意一点 B 处受到的应力强度大小为 2 BhAB 2 AB 1 d r drth rt 7 当满足 BhZAB 即式 8 成立时巷道将被 冲击破坏 2 2 1 dABZAB AB r drth rt 8 即为支护巷道在震源冲击下发生破坏的判据 可以 看出 在有支护的情况下巷道冲击矿压破坏的另一 个主要的影响因素就是 ZAB 如果对巷道进行良好 的支护 则有可能对一定震级的冲击矿压起到抑制 作用 或者说发生冲击矿压后对巷道不会造成大的 破坏 4 巷道周围岩层中设置弱结构的作用 当冲击震动波足够大时 在巷道有支护情况下 式 8 的破坏条件也很容易满足 此时 在 d d r AB t等一定的情况下 只有增大 才有可能减小 B 在巷道围岩支护体小结构外设置一弱结构 厚 度为 s t 设其波阻抗为 s s v 得到应力波在C处发 生透反射后的应力强度分别为 rx 冲击震动源 b d o 4 3 2 1 B A H T S N t r rd C M F K f c a 支护保护区小结构 强 消波吸能区中结构 弱 冲击传递区大结构 强 361 岩 土 力 学 2008 年 cds ds CFAB CTcAB Fdrtt Tdrtt 9 式中 c cccwws s cc 12 11 n FTnvv nn 10 因 s sww vv c 1T 应力波在弱 结构的表面得到消减 进入弱结构内部的应力波强 度大大减弱 波在弱结构介质中传播的能量衰减指 数为 s 经过弱结构内部的衰减吸收 传播到巷道 围岩支护体小结构的应力波强度 B为 dss s BcAB Tdrttt 11 此时 作用在围岩支护体小结构的总应力值为 s s ds s sww 2 s 2 2 1 s BhAB AB v drtt vv r th rt 12 当满足式 13 时 巷道虽发生冲击震动 但 也不会被破坏 s s dss s sww 2 2 AB 2 1 s AB ZAB v drttt vv r h rt 19 表达关系为 222 d1231213 23LWT1 1 2 2 P E dr EEEEEE 20 若式 20 成立 则弹性余能以动能的形式抛 射出来 或转变为巷道围岩体的强烈振动或位移 因此 式 20 就是巷道围岩结构在震源冲击扰动 时破坏失稳的能量准则 如果设置弱结构 破碎煤岩介质吸收部分冲击 能量 S E 则可大大减少弹性余能 式 20 变为 222 d1231213 23PNLWTS1 1 2 2 E dr EEEEEEE 21 因此 只要弱结构设置合适 能量就被它充分 吸收 剩余的弹性余能就可能不足以对巷道造成破 坏 从而保护了巷道 4 3S 结构模型在工程应用中的理论 分析 4 1 减小外界震源扰动载荷减小外界震源扰动载荷 由式 5 的 2 d 2 1 m r drh R 和 式 21 均可以看出 当外界震源载荷 d 和震源 362 第 2 期 高明仕等 冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析 的初始能量 d E很小时 它对巷道围岩煤岩体的扰 动相应就较弱 冲击震动波的波幅也就小 冲击能 量就较低 在煤岩介质中传播很快就衰减到很小的 值 甚至完全衰减为 0 冲击应力场和原岩应力场 叠加后的总应力强度就可能小于巷道围岩煤体 在 有支护时为支护体 的极限承载强度 这样对巷道 不会产生损伤破坏作用 从而维护了巷道的完整性 和稳定性 减小震源的初始能量强度 d 和 d E的方 法主要有 减小每次放炮炸药量 采空区悬顶面积 不能太大 及时放顶或充填 抑制断层等弱面滑移 错动等 4 2 设置弱结构设置弱结构 对于较大震级的冲击矿压 可以在巷道支护体 结构之外 人为构造一个松散煤岩破碎区 这个区 域可以将较高能量的冲击震动波截留一部分 起到 消波吸能的 过滤 作用 使得冲击震动波在通过这 个软化区域后到达支护体小结构AB时 满足 BhZAB 或 rmink EE 从而使巷道围岩支护结构 免受损坏 起到保护巷道的目的 可以采取的手段 有 深孔爆破松散煤岩 钻孔增加孔隙度 煤体注 水软化煤岩等 4 3 提高巷道支护强度提高巷道支护强度 从以上巷道冲击破坏的强度判据和能量准则表 达式中都可以看出 在其他条件不变时巷道是否发 生冲击矿压破坏 主要取决于巷道围岩极限承载强 度 通过一定的支护手段 提高巷道围岩极限承载 强度 m 有支护时为 z 巷道发生冲击矿压破坏 的几率就大大降低 因此 要重视巷道围岩结构自 身稳定性的维护 采用合适支护手段强化围岩承载 强度 有效控制和预防冲击矿压对巷道的破坏 锚 杆支护在安装初期就对围岩施加一主动的预紧力 锚杆和围岩组成的锚固体成为强有力的承载体 使 围岩从一开始就受到较大的支护作用力 阻止巷道 周边浅部围岩层裂屈曲及离层 有效控制围岩的初 期变形 围岩内部注浆也在浅部围岩形成了承载加 固环 提高围岩力学性质 增强了巷道围岩支护效 果 这些都对巷道防冲抗震有利 5 结 论 1 采矿活动等震源产生的冲击震动波的传 播和扰动是巷道发生冲击矿压破坏的一个很关键 的因素 只要叠加后总体应力强度超过巷道围岩支 护体的承载极限 就会发生巷道冲击矿压破坏 2 建立了基于应力波传播效应的冲击震动 巷道围岩的强弱强 3S 结构控制力学模型 分析 了 3S 结构控制巷道围岩稳定性的机理及该结构的 强度 应力吸收和转移 变形及抗变形等特征 推 导得出了巷道冲击震动破坏的强度判据和能量准 则 3 基于巷道冲击震动破坏的 3S 结构控制力 学模型 对其工程应用做了初步的理论分析 提出 要通过减小外界震源载荷 合理设置弱结构 提高 支护强度等措施来防范巷道冲击震动灾害的发生 参 考 文 献 参 考 文 献 1 窦林名 何学秋 冲击矿压防治理论与技术 M 徐州 中国矿业大学出版社 2001 2 高明仕 冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理机 理研究 博士学位论文 D 徐州 中国矿业大学 2006 3 高明仕 窦林名 张农 等 煤 矿 柱失稳冲击破坏的 突变模型及其应用 J 中国矿业大学学报 2005 4 433 437 GAO Ming shi DOU Lin ming ZHANG Nong et al Cusp catastrophic model for Instability of coal pillar burst damage and analysis of its application J Journal of China University of Mining Technology 2005 34 4 433 437 4 ORTLEPP W D High Ground dDisplacement Velocities Associated with Rockburst Damage M Rockbursts and Seismicity in Mines Young ed Rotterdam Balkema 1993 101 106 5 黄庆享 高召宁 巷道冲击地压的损伤断裂力学模型 J 煤炭学报 2001 26 2 156 159 HUANG Qin xiang GAO Zhao ning Mechanical model of fracture and damage of coal bump in the entry J Journal of China Coal Society 2001 26 2 156 159 6 张晓春 缪协兴 翟明华 等 三河尖煤矿冲击矿压发 生机理分析 J 岩石力学与工程学报 1998 17 5 508 513 ZHANG Xiao chun MIAO Xie xin ZHAI Ming hua et al Analysis on rockburst mechanism in sanhejian coal mine J Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 1998 17 5 508 513 7 窦林名 何学秋 煤岩混凝土冲击破坏的弹塑脆性模 型 C 第七届全国岩石力学大会论文 北京 中国科 学技术出版社 2002 158 160 DOU Lin ming HE Xue qiu Elast plast brittle model of the coal rock concrete impacting destroy C Seventh National Rock Mechanics Conference Thesis Beijing 363 363 岩 土 力 学 2008 年 China Science and Technology Press 2002 158 160 8 尹光志 代高飞 皮文丽 等 冲击地压的滑块模型研 究 J 岩土力学 2005 3 359 364 YIN Guang zhi DAI Gao fei PI Wen li et al Study on rock burst using stick slip model J Rock and Soil Mechanics 2005 3 359 364 9 赵扬锋 潘一山 于海军 基于损伤模型的圆形洞室矿 震分析 J 岩土力学 2004 S2 347 350 ZHAO Yang feng PAN Yi shan YU Hai jun Analysis on circular chamber mine earthquake based on damage model J Rock and Soil Mechanics 2004 S2 347 350 10 赵阳升 岩体动力破坏的最小能量原理 J 岩石力学 与工程学报 2003 22 11 1 781 1 783 ZHAO Yang sheng Minimum energy principle of the rock body impacting destroy J Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 2003 22 11 1 781 1 783 岩土力学 岩土力学 2007 年概况年概况 一 论文录用及刊发 2006 年收到投稿 1506 篇 录用 646 篇 录用率为 42 89 2007 年收到论文 1415 篇 统计 2007 年 800 篇论文 稿件 编号 07 001 07 800 这 800 篇论文中录用 397 篇 录用率约为 37 1 录用率较 2006 年的下降了 5 2007 年 1 12 期正刊刊发论文 519 篇 2007 年编辑增刊 2 期 其中 2006 增刊 2 云南水利水电岩土会议 刊发论文 189 篇 2007 增刊 第九届全国岩土力学数值分析与解析方法研讨会 刊发论文 187 篇 全年共计刊发论文 895 篇 二 EI 检索 2007 年 1 11 期刊发论文 472 篇论文 EI检索 472 篇 收录率为 100 三 期刊基本评价指标 国内目前权威的三大期刊检索及统计机构 中国科学信息所 清华大学图书馆等和北京大学图书馆 2007 年版引证报 告表明 2007 年 岩土力学 主要基本指标依然呈上升趋势 清华大学图书馆 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国科学文献计量评价中心 2007 年版 中国学术期刊综合 引证报告 总第 6 卷 2006 年的统计源有 6592 种期刊 2006 年 岩土力学 刊发 470 篇论文中的被引频次为 2175 次 影响因子为 0 917 5 年影响因子为 1 108 他引总引比为 0 81 被引期刊数 314 种 基金论文比为 0 61 Web 即年下载 率为 59 1 2006 年 岩土力学 在学科类期刊 ZK2 7 3 科技与生产 建筑 工程与技术 排名其被引频次排名位于第 3 名 影响因子位于第 4 名