巷道冲击地压能量递减预防理论与技术

1巷道煤与瓦斯突出能量递减预防理论与技术1.1全煤巷道能量递减预防理论的提出1.1.1全煤巷道能量递减预防理论提出的必要性国际上煤与瓦斯突出灾害自记载已有二百多年历史了，尤其是近二十年来随着计算机、现代力学、数学理论的介入，煤与瓦斯突出无论是从机理、监测预测、防治手段都取得了长足的发展。但是仔细观察，近些年来我国煤与瓦斯突出发生存在一个显著的特点，那就是：超过1000m的矿井煤与瓦斯突出发生次数、发生强度在逐年增加。究其原因是开采深度超过600m的矿井由于煤与瓦斯突出大多为新出现的动力灾害，无论是从认识上还是从预测、防治手段上都比较欠缺。实际上，我们不难发现，无论是采深进入1000m的深部煤与瓦斯突出矿井，还是采深接近600m的近深部煤与瓦斯突出矿井，无一例外都经历了浅部开采没有煤与瓦斯突出，无需考虑防治煤与瓦斯突出的设计及开采，而进入深部开采问题就表现出来。造成这种局面的原因是几乎所有煤与瓦斯突出矿井防治煤与瓦斯突出都处于被动状态。在矿井设计阶段，一般很少考虑今后煤与瓦斯突出的防治。矿井生产初期阶段，也很少从井田区域层面上来考虑煤与瓦斯突出的防治。导致开拓布置的不合理、煤柱的随意留设，等等因素给今后煤与瓦斯突出的防治留下隐患。而在矿井区域煤与瓦斯突出监测方面，由于监测范围广，监测成本高，大多数矿井存在侥幸状态，哪里发生突出就在哪里监测并治理，没有系统的去全面检查，往往顾此失彼。在开滦、新汶、义马、抚顺等一些深部煤与瓦斯突出典型矿井，由于多年煤与瓦斯突出防治的经验，逐步认识到煤与瓦斯突出区域综合防范的重要，在一些新水平、新采区开拓布置时开始考虑是否有利于防治煤与瓦斯突出。采用了合理的开拓布置、进行保护层开采。但是，即使如此，在一些应力异常区，局部仍然存在煤与瓦斯突出频繁发生。一旦发生煤与瓦斯突出基本上都采取煤层卸压爆破、煤层高压注水、顶板深孔松动爆破、煤体定向水力压裂、钻孔卸压等手段，这些手段都属于煤与瓦斯突出局部已经形成，而进行小范围的解除危险的手段。如果没有理论指导，将无从选起，造成人力、物力的浪费，甚至顾此失彼，疲惫不堪。煤与瓦斯突出仍然得不到防治。1.1.2全煤巷道能量递减预防理论内容煤与瓦斯突出多发生在断层、煤层变化等构造区域，煤与瓦斯突出与煤岩体结构密切相关，煤与瓦斯突出的发生除与内在因素（突出倾向性）、力源因素（高度应力集中或较高的能量贮存与动态扰动）有关外，煤岩体结构因素（具有弱面和容易引起突出滑动的层状介面）也是煤与瓦斯突出发生的主要因素之一。针对煤与瓦斯突出发生的三个主要因素，内在因素、结构因素是煤岩体自身的属性所决定，力源因素是人类裁决活动影响形成，是后天可以改变的因素。因此对于煤与瓦斯突出的防治应该集中在力源因素的研究。煤矿采掘空间发生煤与瓦斯突出的力源因素主要分为两类，即原生能量UY和次生能量UC。原生能量UY以历史缓慢加载形成的压缩弹性能为主，主要表现为覆岩的重应力、原始板块活动储存的挤压应力。煤与瓦斯突出发生的次生能量UC包括两种形式。一种是以煤岩采动，而在采动围岩中积聚的弹性能为主，主要表现为采动围岩压缩弹性能、顶板（岩层）垮落前产生的弯曲弹性能UC1；另一种是以采掘空间岩层活动、人为爆破等产生的突出波为主，主要表现为采场大面积直接坚硬顶板断裂或上覆高位坚硬顶板断裂、井下爆破产生的压缩弹性能UC2。实际上，促成突出危险性煤层发生煤与瓦斯突出的力源因素，可能是原生能量UY，次生能量UC1、UC2中的某一种，也可能是某两种或者三种的叠加。不同类别力源因素的参与及其能量大小，作用地点，组合方式等等使得煤与瓦斯突出的发生机理变得极为复杂。但是，对于煤与瓦斯突出的预防来说，关键是有针对性的将煤与瓦斯突出危险源可能具有的突出能量安全释放掉。1.1.2.1巷道开挖后弹性潜能分布1)弹性能表达式采用线弹性模型求弹性能表达式，线弹性模型的应力应变曲线为一条斜直线。弹性应变能在数量上即为该斜直线与横轴围成的三角形面积，如图1.1所示。εεeσσe弹性应变能0弹性应变能按应力应变张量的形式可表示如式1.1.2eeeW(1.1)三向受力状态下的弹性应变能可由广义虎克定理导出：EWe2))(2(313221232221(1.2)式中，E为弹性模量，为泊松比，1、2、3分别为3个主应力。2)巷道围岩弹性能分布巷道围岩弹性应变能主要集聚在煤体中，顶板和底板岩石中集聚的弹性应变能相比煤体要小得多，这说明在坚硬顶底板岩层的夹持作用下，煤体中聚集了大量弹性应变能。1.1.2.2深部全煤巷道能量耗散分析修正后的摩尔—库伦模型是一种理想弹塑性模型。该模型的应力应变全程曲线分为斜直线段（弹性段）和水平直线段（理想塑性段），如1.2所示。εσεeεpσs弹性应变能塑性应变能0ⅠⅡ弹性段集聚的弹性应变能数值为1.2中阴影Ⅰ面积，其数值由式1.3表示。塑性应变能为图1.2中阴影Ⅱ面积，以式1.3表示。pspW(1.3)应力可分解为应力球张量和应力偏量。与应力相似，应变可分为与体积变化有关的球形应变张量和与物体形状变化有关的应变偏量。于是，可将式1.3写成如下形式。pssspvsmpW(1.4)式中，sm为平均应力，pv为塑性体积应变，ss为偏应力，ps为塑性剪切应变。3)(33211Ism(1.5)式中，1I为应力张量第一不变量。3)()()(322312322212Jss(1.6)式中，2J为应力偏量第二不变量。对于pv和ps的求取，首先采用线弹性模型计算至平衡，计算得到弹性体积应变ev和弹性剪切应变es，然后改用理想弹塑性并采用跟线弹性模型相同的变形模量参数计算至平衡，得到总体积应变v和总剪切应变s，进而得到塑性应变式1.5和式1.6。evvpv(1.7)essps(1.8)相比于巷道顶底板，巷道的两帮耗散了较大的应变能。这些应变能消耗于巷道开挖后煤岩体发生的破碎，因此巷道塑性应变能的分布形状与巷道围岩塑性区的分布形状基本相同。1.1.2.3深部全煤巷道剩余能量方程煤岩体在其弹性变形过程中，集聚了大量的弹性应变能eW。当煤岩体进入屈服阶段后将消耗能量，这部分能量用于煤、岩材料的微观损伤和宏观破坏，即塑性应变能pW。定义eW和pW之差为弹性余能，可表示为：per(1.9)弹性余能可转化为煤岩体的声能、热能及动能。其中，声能和动能都可能是煤与瓦斯突出的表现形式。弹性余能值越高，则可能发展为煤岩体动力破坏的能量就越多，发生煤与瓦斯突出的可能性也就越高。1.1.2.4全煤巷道能量递减煤与瓦斯突出预防理论模型由以上分析得出，如果没有外界因素扰动，剩余弹性应变能就不能转化为动能突然释放出来，也就不会发生煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出的发生很多是由于受到一个或多个因素的扰动而破坏了原来的平衡状态。这些扰动在力学上可简化为一种动力。因此，以能量的主动释放与消耗为突破口，提出全煤巷道能量递减煤与瓦斯突出预防理论。理论认为：导致深部全煤巷道围岩失稳，形成突出的能量包括了原生能量、次生能量，根据两种能量的形成机理与赋存状态，巷道煤与瓦斯突出预防分为三个阶段，依次为采动高应力转移阶段、采动高应力释放阶段、剩余能量消耗阶段。用此思想来知道全煤巷道煤与瓦斯突出预防措施的选择、实施和开发。该理论模型见图1.3所示。巷道剩余能量消耗阶段采动高应力深部转移阶段采动高应力释放阶段