本發(fā)明屬于煤炭開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)淺部煤炭資源(埋深小于1000m)的比重占煤巖資源總儲(chǔ)量的47％，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)年累月的開(kāi)采，淺部煤炭資源已經(jīng)接近枯竭。在2013年的國(guó)際煤炭峰會(huì)上，謝和平院士對(duì)我國(guó)未來(lái)的煤炭產(chǎn)能進(jìn)行了預(yù)測(cè)：到2030年，我國(guó)煤炭總產(chǎn)量將達(dá)到30億t～35億t，并且在未來(lái)若干年的時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)保持這一水平。這就意味著為了滿足我國(guó)每年對(duì)煤炭資源的需求量，在不久的將來(lái)我國(guó)將有更多的煤礦踏上“深部開(kāi)采”的道路。進(jìn)入深部開(kāi)采階段的礦井，煤巖體將承受更高的應(yīng)力和能量，為沖擊地壓的孕育和發(fā)生提供了更為“有利”的條件。沖擊地壓是最常見(jiàn)、破壞性最強(qiáng)的礦井動(dòng)力災(zāi)害，對(duì)煤礦工人的人身安全和煤礦的高效生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)工作對(duì)于礦井沖擊地壓防治體系的構(gòu)建格外重要。

煤巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，積聚的能量將以波的形式向四周釋放和傳遞，這一過(guò)程將伴隨著微震信號(hào)產(chǎn)生。沖擊地壓的發(fā)生是時(shí)間和空間的相互統(tǒng)一，在沖擊地壓發(fā)生的過(guò)程中，常伴生著較高能量的微震事件，因此對(duì)較高能量微震事件的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是預(yù)警沖擊地壓的關(guān)鍵所在，因此對(duì)微震事件的分析應(yīng)首先著重于微震事件發(fā)生的位置以及微震事件的能量，特別是對(duì)于礦井沖擊地壓臨界能量以上的“高能量”微震事件。當(dāng)某一區(qū)域出現(xiàn)高能量微震事件后，則意味著該處的煤巖體有潛在破壞的危險(xiǎn)，該區(qū)域或一定范圍內(nèi)的煤巖體經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的能量積聚后，具備發(fā)生沖擊地壓或再次發(fā)生高能量微震事件的危險(xiǎn)。因此有必要根據(jù)一次“高能量”微震事件，構(gòu)建相應(yīng)的“煤巖動(dòng)力系統(tǒng)”，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域的沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而有針對(duì)性地開(kāi)展沖擊地壓防治工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)待預(yù)測(cè)礦井的歷史沖擊地壓事件進(jìn)行分析，確定該礦井沖擊地壓發(fā)生的臨界能量；

步驟2：利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)待預(yù)測(cè)礦井發(fā)生的微震事件的震級(jí)和方位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍包括井下所有采掘工程所涉及到的煤體和巖體；

步驟3：根據(jù)高能量微震事件即沖擊地壓發(fā)生臨界能量及以上的微震事件的震源位置和能量值，構(gòu)建煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型，所述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)中心位置為高能量微震事件的震源位置，其包括：動(dòng)力核區(qū)、破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域邊界均為以中心位置為球心的球形邊界，各區(qū)域邊界半徑計(jì)算方法如下：

動(dòng)力核區(qū)：

其中，R為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核區(qū)半徑(m)；E為煤巖體彈性模量(GPa)；μ為泊松比；γ為上覆巖層容重的平均值(kN/m³)；H為單元體所處位置的深度(m)；k₁、k₂、k₃為應(yīng)力集中系數(shù)，k₁為最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；k₂為中間主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；k₃為最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；ΔU＝U_G-U_Z；U_Z為自重應(yīng)力場(chǎng)下煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量(J)；U_G構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量(J)。

破壞區(qū)：

其中，R_P為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)半徑(m)；V_P為沖擊波在煤巖體介質(zhì)中的傳播速度(m/s)；σ_c為煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；ρ為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核區(qū)煤巖體的密度(kg/m³)；ΔU為沖擊地壓或微震事件的能量(J)；σ_cd為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度(MPa)；λ為側(cè)壓系數(shù)；

損傷區(qū)：

其中，R_S為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)損傷區(qū)半徑(m)；σ_td為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度(MPa)；

影響區(qū)：

其中，R_Y為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)影響區(qū)半徑(m)；D為煤巖體的損傷系數(shù)。

步驟4：根據(jù)采掘工程所在煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型區(qū)域，預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，采掘工程面臨的沖擊地壓危險(xiǎn)性，進(jìn)而有針對(duì)性地開(kāi)展沖擊地壓防治工作。

根據(jù)沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度，將沖擊地壓劃分為煤炮(無(wú)沖擊危險(xiǎn))、傾出或壓出(弱沖擊危險(xiǎn))、沖擊地壓(中等沖擊危險(xiǎn))和嚴(yán)重沖擊地壓(強(qiáng)沖擊危險(xiǎn))4個(gè)等級(jí)，所述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型中各區(qū)域與沖擊地壓危險(xiǎn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系為：影響區(qū)對(duì)應(yīng)煤炮即無(wú)沖擊危險(xiǎn)，損傷區(qū)對(duì)應(yīng)壓出或傾出即弱沖擊危險(xiǎn)，破壞區(qū)對(duì)應(yīng)沖擊地壓即中等沖擊危險(xiǎn)，動(dòng)力核區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)沖擊地壓即強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

有益效果：一種基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

提出煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型及其各區(qū)域尺度計(jì)算方法，并建立各區(qū)域與沖擊危險(xiǎn)程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型可判斷不同尺度范圍內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)程度，可為各礦井有針對(duì)性預(yù)防和治理沖擊地壓災(zāi)害提供依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型示意圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法流程圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)立體模型示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核區(qū)破壞過(guò)程示意圖；

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)形成過(guò)程示意圖；

圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)損傷區(qū)形成過(guò)程示意圖；

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖動(dòng)力系統(tǒng)影響區(qū)形成過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。

沖擊地壓的發(fā)生源于煤巖體破壞釋放能量與消耗能量的差值達(dá)到或超過(guò)某一臨界值。能量差值的不同導(dǎo)致沖擊地壓的動(dòng)力顯現(xiàn)程度不同，而能量差值取決于采掘工程與煤巖動(dòng)力系統(tǒng)之間的相對(duì)空間關(guān)系。

根據(jù)能量積聚程度和影響范圍等特征，可將煤巖動(dòng)力系統(tǒng)劃分為“動(dòng)力核區(qū)”、“破壞區(qū)”、“損傷區(qū)”和“影響區(qū)”4個(gè)區(qū)域，只有當(dāng)采掘工程活動(dòng)進(jìn)入到“動(dòng)力核區(qū)”、“破壞區(qū)”和“損傷區(qū)”這三個(gè)區(qū)域，才會(huì)具備不同程度和破壞形式?jīng)_擊地壓的發(fā)生危險(xiǎn)。根據(jù)沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度，可將沖擊地壓劃分為煤炮(無(wú)沖擊)、傾出或壓出(弱沖擊)、沖擊地壓(中等沖擊)和嚴(yán)重沖擊地壓(強(qiáng)沖擊)4個(gè)等級(jí)。當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“影響區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)主要以“煤炮”的形式表現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“損傷區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)主要以“壓出、傾出”等形式表現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“破壞區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)則表現(xiàn)為“沖擊地壓”；當(dāng)采掘工程進(jìn)入“動(dòng)力核區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生“強(qiáng)沖擊地壓”。

為了更好地描述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系，構(gòu)建了“煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型”，如圖1所示；

對(duì)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，確定每一個(gè)區(qū)域尺度的計(jì)算方法，對(duì)于礦井沖擊地壓的針對(duì)性防治具有重要意義。

如圖2所示，一種基于煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)待預(yù)測(cè)礦井的歷史沖擊地壓事件進(jìn)行分析，確定該礦井沖擊地壓發(fā)生的臨界能量；

步驟2：利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)待預(yù)測(cè)礦井發(fā)生的微震事件的震級(jí)和方位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍包括井下所有采掘工程所涉及到的煤體和巖體；

煤巖體本身積聚的能量會(huì)在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、開(kāi)采活動(dòng)等因素的影響下逐漸升高，當(dāng)突破煤巖體承受的臨界條件后，材料內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)將會(huì)迅速向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)的破壞。煤巖結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，能量將以波的形式向四周釋放和傳遞。巖石的破壞是內(nèi)部裂隙萌生并逐步拓展的過(guò)程，宏觀的失穩(wěn)破壞是細(xì)微破裂的逐步聚集的結(jié)果，這一過(guò)程將伴隨著微震信號(hào)產(chǎn)生。如果在礦區(qū)范圍內(nèi)的某一地點(diǎn)出現(xiàn)了微震事件，則意味著該處的巖體有潛在破壞的危險(xiǎn)。

礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍可控的特點(diǎn)，具有較高的定位精度，已成為沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段之一。微震監(jiān)測(cè)的原理是通過(guò)分析破壞后的煤巖體所產(chǎn)生的地震波的特征，來(lái)確定煤巖體破壞的位置和應(yīng)力集中程度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，是一種區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法。微震監(jiān)測(cè)可以對(duì)巖體破壞進(jìn)行四維空間記錄，可以依據(jù)微震事件的空間坐標(biāo)、波形、震級(jí)、能量等指標(biāo)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的破壞程度和破壞特征進(jìn)行分析。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井范圍內(nèi)的震源確定、震級(jí)和能量計(jì)算、自動(dòng)記錄微震活動(dòng)特征、以及沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估等多項(xiàng)功能。對(duì)于礦井的實(shí)際生產(chǎn)，人們更加注重較高能量微震事件出現(xiàn)的位置和震級(jí)大小，微震監(jiān)測(cè)利用檢波測(cè)量探頭，在特定條件的波速場(chǎng)下進(jìn)行空間定位，根據(jù)接收的橫波和縱波信號(hào)首次到達(dá)時(shí)間來(lái)判定破壞區(qū)域的位置，利用震相持續(xù)時(shí)間計(jì)算所釋放的能量和震級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微震事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)施預(yù)判。

步驟3：提取高能量微震事件即沖擊地壓發(fā)生臨界能量及以上的微震事件的震源位置和能量值；

沖擊地壓的孕育和發(fā)生歷經(jīng)從能量積聚——能量釋放——沖擊失穩(wěn)——能量再次積聚的循環(huán)過(guò)程。然而，在沖擊地壓發(fā)生的過(guò)程中，常伴生著較高能量的微震事件。因此，對(duì)較高能量微震事件的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是預(yù)警沖擊地壓的關(guān)鍵所在。沖擊地壓的發(fā)生是時(shí)間和空間的相互統(tǒng)一，所以對(duì)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的微震事件分析應(yīng)該首先著重于微震事件發(fā)生的位置，以及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的微震事件的能量，特別是對(duì)于礦井沖擊地壓臨界能量以上的“高能量”微震事件，當(dāng)某一區(qū)域出現(xiàn)高能量微震事件后，表明煤巖體具備沖擊地壓發(fā)生的“潛質(zhì)”，具備沖擊地壓發(fā)生的能量基礎(chǔ)，該區(qū)域或一定范圍內(nèi)的煤巖體經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的能量積聚后，具備發(fā)生沖擊地壓或再次發(fā)生高能量微震事件的危險(xiǎn)。

例如：烏東煤礦已發(fā)生的沖擊地壓能量范圍為2.51×10⁶J～2.40×10⁸J，因此將10⁶J定義為烏東煤礦沖擊地壓發(fā)生的臨界能量，與沖擊地壓發(fā)生的臨界能量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律相一致。對(duì)于烏東煤礦的實(shí)際生產(chǎn)，應(yīng)對(duì)能量在10⁶J以上的微震事件進(jìn)行著重分析、研究，通過(guò)定位微震事件的震源點(diǎn)所在位置，構(gòu)建煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型，計(jì)算微震事件的具體影響范圍。

步驟4：根據(jù)高能量微震事件構(gòu)建煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型，所述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)中心位置為高能量微震事件的震源位置，其包括：動(dòng)力核區(qū)、破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域邊界均為以中心位置為圓心的球形邊界，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)立體模型如圖3所示；

煤巖動(dòng)力系統(tǒng)總能量是由自重應(yīng)力場(chǎng)下動(dòng)力系統(tǒng)能量U_Z、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下動(dòng)力系統(tǒng)能量U_G和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)下系統(tǒng)能量U_C組成的，即礦井賦存的煤巖體在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及開(kāi)采活動(dòng)等外力的影響下，將會(huì)產(chǎn)生一定的形變量，煤巖體出現(xiàn)變形的同時(shí)將伴隨著能量的不斷積累。一旦煤巖體承受的外力消失，煤巖體在回復(fù)原形態(tài)的同時(shí)，積累的能量將得以釋放，進(jìn)而對(duì)外做功。在不發(fā)生沖擊地壓時(shí)，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)不斷積蓄能量。在開(kāi)采擾動(dòng)等因素的影響下，當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)總能量大于背景能量時(shí)，能量就會(huì)釋放。如果釋放的能量ΔU大于臨界能量時(shí)，沖擊地壓就會(huì)發(fā)生。

沖擊地壓是一個(gè)復(fù)雜的煤巖動(dòng)力學(xué)過(guò)程，是在相應(yīng)的地質(zhì)動(dòng)力條件下，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)因開(kāi)采擾動(dòng)誘發(fā)的能量快速釋放過(guò)程。煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量主要集中在“動(dòng)力核區(qū)”內(nèi)，當(dāng)沖擊地壓或高能量微震事件發(fā)生時(shí)，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核內(nèi)的能量得到激發(fā)，形成高強(qiáng)度沖擊波。沖擊波為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“破壞區(qū)”提供了強(qiáng)大的壓應(yīng)力，沖擊波逐層破壞周邊煤巖體的同時(shí)，能量逐漸向動(dòng)力核外部的“破壞區(qū)”、“損傷區(qū)”和“影響區(qū)”等各區(qū)域耗散。由于在礦井的實(shí)際生產(chǎn)中，煤巖體能量的釋放、轉(zhuǎn)換、耗散等過(guò)程均是在無(wú)限介質(zhì)中進(jìn)行的，對(duì)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的各區(qū)域的尺度也是置于無(wú)限煤巖體介質(zhì)進(jìn)行研究、計(jì)算，詳細(xì)分析能量的傳遞過(guò)程。

類(lèi)似于煤體的卸壓爆破過(guò)程，當(dāng)沖擊地壓或高能量微震事件發(fā)生的瞬間，滿足Mises屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“動(dòng)力核區(qū)”將形成巨大的沖擊荷載，在沖擊載荷的瞬間作用下，系統(tǒng)“動(dòng)力核區(qū)”的外壁迅速產(chǎn)生形變，并向“破壞區(qū)”方向膨脹。處于“動(dòng)力核區(qū)”外壁與“破壞區(qū)”交接面的煤巖體會(huì)迅速激發(fā)出沖擊波，并立即向外部區(qū)域傳播、耗散。在此過(guò)程中，系統(tǒng)“動(dòng)力核區(qū)”內(nèi)的煤巖體被充分破碎，如圖4所示。在沖擊波的作用下，“動(dòng)力核區(qū)”外部的一定范圍內(nèi)的煤巖體將承受遠(yuǎn)大于煤巖體自身動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的壓應(yīng)力的作用，在此過(guò)程中，此區(qū)間的煤巖體在強(qiáng)大的壓應(yīng)力作用下而破碎，形成一個(gè)“環(huán)狀破碎帶”，在“動(dòng)力核區(qū)”的外部形成了煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“破壞區(qū)”，如圖5所示。在“破壞區(qū)”范圍內(nèi)，煤巖體在壓應(yīng)力的作用下被破碎，此區(qū)間內(nèi)煤巖體的破碎程度小于“動(dòng)力核區(qū)”內(nèi)的煤巖體的破碎程度。從煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“動(dòng)力核區(qū)”外壁到“破碎區(qū)”區(qū)間范圍內(nèi)，沖擊波能量在傳播過(guò)程中得到衰減，且衰減速度較快，在“破碎區(qū)”范圍內(nèi)，沖擊波的影響尺度與其衰減速度呈負(fù)相關(guān)。在“破壞區(qū)”的外邊界，沖擊波的強(qiáng)度與煤巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度相等。

經(jīng)過(guò)了“破碎區(qū)”煤巖體的能量消耗，在“動(dòng)力核區(qū)”外壁激發(fā)出的沖擊波在破壞區(qū)的外邊界衰減成為壓縮應(yīng)力波。壓縮應(yīng)力波將繼續(xù)在煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的煤巖體介質(zhì)中向其他區(qū)域傳播，雖然強(qiáng)度已不能達(dá)到煤巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，不能直接使得煤巖體產(chǎn)生壓縮破壞，也不能導(dǎo)致“破壞區(qū)”以外的煤巖體沿徑向方向產(chǎn)生壓縮變形，但可以使“破壞區(qū)”以外的煤巖體沿切向方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力以及拉伸變形。當(dāng)應(yīng)力波的強(qiáng)度高于煤巖體自身的的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤巖體被拉伸致裂，內(nèi)部將產(chǎn)生徑向裂紋。在此過(guò)程中，此區(qū)間的煤巖體在拉應(yīng)力作用下而破裂，形成一個(gè)“環(huán)狀破裂帶”，在“破壞區(qū)”的外部形成了煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“損傷區(qū)”，如圖6所示。在此區(qū)間，應(yīng)力波將以一定的速度繼續(xù)向動(dòng)力系統(tǒng)的外部區(qū)域繼續(xù)耗散，當(dāng)應(yīng)力波提供的拉應(yīng)力小于煤巖體自身的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙不再擴(kuò)展。在“損傷區(qū)”的外邊界，應(yīng)力波的強(qiáng)度與煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度相等。

經(jīng)過(guò)了“損傷區(qū)”煤巖體的能量耗散，應(yīng)力波的殘余強(qiáng)度已經(jīng)不能直接使得煤巖動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的煤巖體出現(xiàn)破壞或者裂痕，但可以使“損傷區(qū)”外部一定范圍的煤巖體能量有所升高，在開(kāi)采活動(dòng)的影響下，局部煤巖體將以“煤炮”、“彈性震動(dòng)”等的形式將能量釋放。在此區(qū)間范圍內(nèi)，應(yīng)力波的初始強(qiáng)度等于煤巖體自身的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力波繼續(xù)沿徑向方向向煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的外部傳播，能量也將繼續(xù)衰減，當(dāng)應(yīng)力波強(qiáng)度降低到煤巖體損傷條件下的抗拉強(qiáng)度以下時(shí)，應(yīng)力波被煤巖體完全吸收而停止傳播，至此，沖擊地壓的能量耗散過(guò)程結(jié)束。將“損傷區(qū)”外邊界直至應(yīng)力波完全被吸收的區(qū)間定義為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“影響區(qū)”，如圖7所示。

在原巖應(yīng)力場(chǎng)下，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量是自重應(yīng)力場(chǎng)下產(chǎn)生的能量和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下產(chǎn)生的能量綜合作用的結(jié)果。動(dòng)力系統(tǒng)的尺度與煤巖動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)存能量以及釋放能量的大小相關(guān)，因此可以根據(jù)沖擊地壓的能量來(lái)確定煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際尺度。研究中把煤巖動(dòng)力系統(tǒng)視為球形；動(dòng)力核區(qū)、破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)的邊界半徑R、R_P、R_S和R_Y計(jì)算方法如下：

動(dòng)力核區(qū)：

其中，R為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核區(qū)半徑(m)；E為煤巖體彈性模量(GPa)；μ為泊松比；γ為上覆巖層容重的平均值(kN/m³)；H為單元體所處位置的深度(m)；k₁、k₂、k₃為應(yīng)力集中系數(shù)，k₁為最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；k₂為中間主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；k₃為最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；ΔU＝U_G-U_Z；U_Z為自重應(yīng)力場(chǎng)下煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量(J)；U_G構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量(J)。

破壞區(qū)：

其中，R_P為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)半徑(m)；V_P為沖擊波在煤巖體介質(zhì)中的傳播速度(m/s)；σ_c為煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；ρ為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核區(qū)煤巖體的密度(kg/m³)；ΔU為沖擊地壓或微震事件的能量(J)；σ_cd為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度(MPa)；λ為側(cè)壓系數(shù)；

損傷區(qū)：

其中，R_S為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)損傷區(qū)半徑(m)；σ_td為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度(MPa)；

影響區(qū)：

其中，R_Y為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)影響區(qū)半徑(m)；D為煤巖體的損傷系數(shù)。

步驟5：根據(jù)采掘工程所在煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型區(qū)域，預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，采掘工程面臨的沖擊地壓危險(xiǎn)性，進(jìn)而有針對(duì)性地開(kāi)展沖擊地壓防治工作。

根據(jù)沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度，將沖擊地壓劃分為煤炮(無(wú)沖擊危險(xiǎn))、傾出或壓出(弱沖擊危險(xiǎn))、沖擊地壓(中等沖擊危險(xiǎn))和嚴(yán)重沖擊地壓(強(qiáng)沖擊危險(xiǎn))4個(gè)等級(jí)，所述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型中各區(qū)域與沖擊地壓危險(xiǎn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系為：影響區(qū)對(duì)應(yīng)煤炮即無(wú)沖擊危險(xiǎn)，損傷區(qū)對(duì)應(yīng)壓出或傾出即弱沖擊危險(xiǎn)；破壞區(qū)對(duì)應(yīng)沖擊地壓即中等沖擊危險(xiǎn)動(dòng)力核區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)沖擊地壓即強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

撫順礦業(yè)集團(tuán)老虎臺(tái)煤礦是我國(guó)典型的沖擊地壓礦井，受到郯廬斷裂及其分支的影響，沖擊地壓、高能量微震事件發(fā)生頻率較高。將煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法在老虎臺(tái)礦進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程如下：

結(jié)合老虎臺(tái)煤礦煤巖體賦存情況和物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，隨機(jī)選取2011年1月14日～2015年9月8日期間，發(fā)生在老虎臺(tái)煤礦的20組沖擊地壓事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)老虎臺(tái)礦20組沖擊地壓事件在不同范圍內(nèi)的破壞現(xiàn)象的描述確定每一次沖擊地壓的危險(xiǎn)等級(jí)；基于每一次沖擊地壓事件或高能量微震事件所監(jiān)測(cè)到的能量，應(yīng)用煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法確定“動(dòng)力核區(qū)”、“破壞區(qū)”、“損傷區(qū)”的尺度；根據(jù)“煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系”模型的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，將兩次獨(dú)立的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而驗(yàn)證煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。老虎臺(tái)礦煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示，老虎臺(tái)礦部分沖擊地壓事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果及破壞情況描述如表2所示，老虎臺(tái)礦煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表1老虎臺(tái)礦煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)試結(jié)果匯總表

表2老虎臺(tái)礦部分沖擊地壓事故統(tǒng)計(jì)及破壞情況描述表

表3老虎臺(tái)礦煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)結(jié)果表

驗(yàn)證結(jié)果表明，在隨機(jī)選取發(fā)生在老虎臺(tái)煤礦的20組沖擊地壓事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，根據(jù)每一次沖擊地壓的破壞現(xiàn)象判斷：有18組屬于弱沖擊危險(xiǎn)、2組屬于中等沖擊危險(xiǎn)；根據(jù)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算結(jié)果：有16組屬于弱沖擊危險(xiǎn)、3組屬于無(wú)沖擊危險(xiǎn)、1組屬于中等沖擊危險(xiǎn)。根據(jù)兩種方法的判定結(jié)果，在20組數(shù)據(jù)中有17組數(shù)據(jù)劃分結(jié)果相同，準(zhǔn)確率達(dá)到85％，由此表明，本方法中煤巖動(dòng)力系統(tǒng)各區(qū)域尺度計(jì)算方法具有較高的可信度和實(shí)用性，可以廣泛應(yīng)用在礦井沖擊地壓的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)工作中。