冲击地压的研究现状.doc

冲击地压的研究现状 冲击地压作为岩石力学的重大难题之一，冲击地压的发生和发展过程是一个很难用数学手段模拟的动力失稳过程，而煤(岩)体本身是非均匀的各向异性体，所以冲击地压的研究十分缓慢。由于各国学者在对冲击地压现场调查研究及实验室研究的基础上，相继提出了一系列的理论，按照现代力学观点在对冲击地压不同角度提出了一系列的重要理论，主要有以下几种:强度理论、刚度理论、冲击倾向性理论能量理论以及断裂、损伤理论等。 其中较早的理论为强度理论，该理论早期认为，冲击地压是煤岩局部应力超过强度而发生的，并对煤岩体形成应力集中的原因提出了各种假说，如压力拱理论和悬壁梁理论等，这一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“矿体一围岩”系统为研究对象，考虑了系统的极限平衡。 刚度理论是由Cook等人在60年代根据刚性压力机理论而得到的。认为试件的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩呈现突然的脆性破坏[12]。70年代，Black将矿柱视为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。 按照现代力学观点，冲击倾向性理论是指煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性。煤岩体冲击倾向性是产生冲击地压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面做了大量的工作，提出用煤样的动态破坏时间()、弹性能指数()及冲击能量指数()三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法，提出了两个冲击倾向胜指标：弹性能指数、冲击能量指数。弹性能指数计算方法是对煤层进行单轴压缩试验，达到峰值的80%一90%，损失能量为，则弹性能指数为： 冲击能量指数是利用煤的全过程应力应变曲线，设峰值前的面积为，峰值后的面积为，则冲击能量指数为： 认为当这两个冲击倾向性指标大于某个值时，就会发生冲击地压，这一理论称为冲击倾向理论。至今煤炭部门还在沿用这一指标，并制定了标准，如表1.1所示。 表1.1冲击地压危险指标 冲击危险性 无冲击危险 弱冲击危险 强冲击危险 弹性能指数 冲击能量指标 Table 1.1 Rockburst risk criterrion 显然，用一组冲击倾向理论指标评价煤(岩)体本身的冲击危险具有实际的意义，并已得到了广泛的应用。然而，冲击地压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤岩物理力学性质随地质开采条件不同而有很大的差异，实验室测定的结果往往不能完全代表各种环境下的煤岩性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。 大量的现场调查表明，具有相同冲击倾向性的煤层，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压，大多数区域不发生冲击地压。而且许多属于强冲击倾向性的煤层并不发生冲击地压，而某些冲击性很弱或无冲击性的煤层却发生了冲击地压，可见冲击倾向性理论的不足。 随着理论体系的不断完善，有的学者提出了能量理论，能量理论是从能量转化方面解释冲击地压的成因。该理论认为矿体一围岩系统在其力学平衡状态破坏所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压。能量理论可以解释一些现象，但它把煤岩体看成纯弹性的，不符合冲击地压是煤岩破坏的事实;该理论没有说明平衡状态的性状及其破坏条件，特别是围岩能量释放的条件，缺乏必要的判据和条件。 我国学者章梦涛[13]等人提出了失稳理论，该理论认为冲击地压是煤岩的一种材料失稳破坏现象，认为煤岩受采动而在采场周围形成应力集中，煤岩变成软化材料，当处于不稳定状态时，在外界扰动下，发生冲击地压，提出了冲击地压是材料失稳的思想，但没有对冲击地压发生的条件进行具体分析。 由于煤矿属于大的地下空间结构开采，其地质条件不能够看清出，所以不同的学者对冲击地压有不同的见解。70年代末，林天键将突变论引入岩石力学，其后，潘岳、费鸿禄、潘一山等学者建立了岩体结构失稳的突变模型，围岩压力、刚度和煤岩损伤扩展耗散能量进行分析，定性地解释发生冲击地压的机理。目前，大都采用尖角突变模型，建立岩体的势函数，分析分叉集，得出突变判据。突变理论发展了刚度理论和强度理论。这一理论的研究刚刚起步，离解决实际问题还有相当距离。 谢和平的冲击地压分形特征与机理研究，将分形几何引入冲击地压的研究。这一理论的主要成果是使用分形的数目与半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。当冲击地压发生前，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主冲击地压临近发生时。分形理论对冲击地压发生更多地是从现象的角度给予定性描述，在定量描述冲击地压发生的原因和破坏过程方面还需要做大量的工作[14]。