沖擊礦壓礦井工作面回采過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換

黃家滿

(晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 晉城 048026)

沖擊礦壓是煤礦巷道或工作面周圍的煤巖體，在一定條件下瞬時(shí)釋放大量彈性應(yīng)變能，導(dǎo)致煤巖體突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、聲響、震動(dòng)以及氣浪等，是煤礦的重大災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國(guó)煤礦沖擊礦壓礦井已達(dá)177對(duì)，沖擊礦壓災(zāi)害正嚴(yán)重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1]. 沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理比較復(fù)雜，目前有代表性的主要是強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論等[2]. 近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)靜載和動(dòng)載疊加誘發(fā)沖擊礦壓展開(kāi)了研究，通過(guò)對(duì)煤巖破壞過(guò)程中能量變化的分析，提出了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓原理[3]、沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論[4]等，并針對(duì)不同的力源，提出從動(dòng)載和靜載兩方面進(jìn)行沖擊礦壓監(jiān)測(cè)和治理，即分源監(jiān)測(cè)、分源治理，研究成果已應(yīng)用于不同類型沖擊礦壓的防治[5]. 沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)方法很多，微震監(jiān)測(cè)已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用[6]，但仍然存在預(yù)警準(zhǔn)確程度不高的問(wèn)題。

對(duì)于沖擊礦壓礦井，研究煤巖體中彈性應(yīng)變能的儲(chǔ)存與釋放對(duì)于沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)與防治具有重要的意義。在進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)前，原巖體中已儲(chǔ)存有大量彈性應(yīng)變能，開(kāi)采活動(dòng)破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，在原巖應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡狀態(tài)的同時(shí)，巖體內(nèi)的能量也在發(fā)生著轉(zhuǎn)換，對(duì)于工作面來(lái)說(shuō)，這種轉(zhuǎn)換伴隨著整個(gè)回采過(guò)程，當(dāng)大量彈性應(yīng)變能突然釋放時(shí)可能會(huì)發(fā)生沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害。本文在提出工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換基本方式的基礎(chǔ)上，分析了工作面周圍煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能與礦震的關(guān)系以及工作面回采過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換與沖擊礦壓的關(guān)系，并對(duì)沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)與防治提出了建議。

1 回采過(guò)程中煤巖體中的能量

上覆巖層的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，將工作面回采看作是準(zhǔn)靜態(tài)，即不考慮上覆巖層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，主要對(duì)回采過(guò)程中工作面周圍煤巖體中的彈性應(yīng)變能與煤巖體破壞過(guò)程中的能量損耗進(jìn)行分析。

1.1 工作面周圍煤巖體的彈性應(yīng)變能

煤巖體在地下處于三向受力狀態(tài)，假設(shè)煤巖體單元中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能為體積改變能，則彈性應(yīng)變能密度可以用下式表示[7]：

由上式看出，彈性應(yīng)變能與3個(gè)主應(yīng)力的二次方正相關(guān)。

隨著工作面的回采，原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生垮落、斷裂、彎曲下沉，根據(jù)“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型[7]，由于上覆巖層所形成的塊體咬合結(jié)構(gòu)，回采工作面前方的煤壁將承受大部分懸露巖層的重量，導(dǎo)致工作面前方的支撐壓力增加，采空區(qū)的支撐壓力降低，應(yīng)力重新分布后達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。由于彈性應(yīng)變能與應(yīng)力的二次方正相關(guān)，因此應(yīng)力升高的區(qū)域意味著能量的積聚，而應(yīng)力降低的區(qū)域意味著能量的減少。用WS1表示回采前煤巖體中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，用WS2表示回采后煤巖體中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，用ΔWS表示回采前后煤巖體中彈性應(yīng)變能的變化，即：

ΔWS=WS2-WS1

在應(yīng)力升高區(qū)域，ΔWS為正值；在應(yīng)力降低區(qū)域，ΔWS為負(fù)值。工作面回采的過(guò)程中，在應(yīng)力升高區(qū)域積聚的彈性應(yīng)變能除了體積改變能，還有頂板彎曲彈性能，與頂板懸伸長(zhǎng)度的五次方成正比[7]，因此對(duì)于厚層難冒頂板，懸頂面積越大，頂板中儲(chǔ)存的彎曲彈性應(yīng)變能就越大，發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度也就越高。

1.2 煤巖體內(nèi)發(fā)生破裂消耗的能量

根據(jù)試驗(yàn)研究，巖體受力產(chǎn)生變形和破壞可以分為4個(gè)階段，分別是壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段[7]. 在塑性階段，巖體內(nèi)的微破裂逐漸增多，但隨著變形的增大，巖體內(nèi)的應(yīng)力仍在增加，最終達(dá)到極限強(qiáng)度。在破壞階段，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，巖體會(huì)沿著某些破裂面運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力開(kāi)始下降，沖擊礦壓往往發(fā)生在巖體的破壞階段。用Wf表示擴(kuò)展地下巖體中的裂隙和產(chǎn)生新的破裂所消耗的能量，這部分能量是不可恢復(fù)的。Wf的大小與地下煤巖體受力產(chǎn)生變形和破壞時(shí)所處的階段有關(guān)。在巖體內(nèi)裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生很多物理信息的變化，包括應(yīng)力、震動(dòng)、溫度、聲音、電磁輻射等。從能量的角度分析，這些物理信息的變化意味著能量的變化。

2 回采過(guò)程中煤巖體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換

2.1 能量轉(zhuǎn)換的基本方式

伴隨工作面采煤機(jī)的割煤，上覆巖層緩慢彎曲下沉，工作面后方懸露的頂板面積逐漸增大，煤壁前方的支撐壓力也逐漸升高。將工作面回采看作是準(zhǔn)靜態(tài)，假設(shè)地下煤巖體為彈性體，不考慮能量的損耗，根據(jù)能量守恒定律，上位巖層對(duì)下位巖層施加的載荷所做的功Wr，即巖層因開(kāi)挖所釋放的能量，將全部轉(zhuǎn)化為下位巖層中應(yīng)力升高區(qū)域的彈性應(yīng)變能ΔWS儲(chǔ)存起來(lái)。

考慮能量的損耗，Wr將不能全部轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能ΔWS，其中的一部分能量將被消耗于擴(kuò)展地下巖體中的裂隙和產(chǎn)生新的破裂，即轉(zhuǎn)化為Wf[8]. 工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的基本方式可以用下式表示：

Wr=ΔWS+Wf

從式中可以看出，在Wr固定不變的條件下，巖體內(nèi)因破裂消耗的能量Wf越多，則在應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能ΔWS就會(huì)越少。Wf可以反映巖體的破裂程度，如果已知巖體內(nèi)產(chǎn)生破裂的次數(shù)以及每次破裂所消耗的能量，理論上就可以計(jì)算出Wf的大小。

2.2 煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能與礦震的關(guān)系

當(dāng)?shù)V震發(fā)生時(shí)，煤巖體內(nèi)的破裂面突然擴(kuò)張，煤巖體內(nèi)因破裂而釋放的能量會(huì)有一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。用Wrz表示煤巖體因一次破裂而釋放的能量，用ΔWst表示在振動(dòng)平衡位置處時(shí)的彈性應(yīng)變能，用ΔWSmax表示在振動(dòng)最大振幅處的彈性應(yīng)變能，用Ek表示振動(dòng)的動(dòng)能，用Wfi表示一次破裂所消耗的能量，則在振動(dòng)的最大振幅處，動(dòng)能為0：

Wrz=ΔWSmax+Wfi

在振動(dòng)的平衡位置處，動(dòng)能最大：

Wrz=ΔWst+Wfi+Ek

在煤巖體內(nèi)摩擦阻尼的作用下動(dòng)能會(huì)被逐漸消耗，直至恢復(fù)到靜力平衡狀態(tài)。因此振動(dòng)的動(dòng)能Ek可以看作是煤巖體中多余的彈性應(yīng)變能，即：

Ek=ΔWSmax-ΔWst

震源的振動(dòng)在地下巖體內(nèi)傳播形成礦震，在傳播的過(guò)程中由于內(nèi)摩擦阻尼的作用能量會(huì)被逐漸消耗。在振動(dòng)的過(guò)程中，振動(dòng)的動(dòng)能與彈性應(yīng)變能是相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

對(duì)于工作面周圍的煤巖體，宏觀上能量轉(zhuǎn)換的基本方式可以用Wr=ΔWS+Wf表示，而在微觀上每次破裂發(fā)生時(shí)，在局部的震源區(qū)，能量的轉(zhuǎn)換也在發(fā)生。雖然由于局部的能量釋放誘發(fā)了礦震，但是在多數(shù)情況下，局部的破裂不足以引起巖層顯著的宏觀運(yùn)動(dòng)，宏觀上巖層的運(yùn)動(dòng)仍然是準(zhǔn)靜態(tài)的。目前測(cè)量的礦山震動(dòng)能量與整個(gè)巖體破壞所釋放的能量相比是很小的一部分，占0.001到0.01倍[9]. 宏觀上煤巖體內(nèi)因破裂而消耗的能量Wf為每次破裂消耗的能量Wfi之和。

沖擊礦壓礦井可以利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)記錄和分析整個(gè)工作面甚至井田范圍內(nèi)煤巖體產(chǎn)生的破裂，包括每次礦震發(fā)生的位置以及礦震的能量等[9]，通過(guò)這些信息可以分析煤礦開(kāi)采過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換。暫不考慮礦震產(chǎn)生的動(dòng)載荷對(duì)工作面周圍煤巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能的影響，在理想狀態(tài)下，假設(shè)工作面周圍的煤巖體是均質(zhì)連續(xù)的，沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造的影響，且推進(jìn)速度保持恒定，則工作面回采時(shí)每天巖層釋放的能量Wr為固定值，根據(jù)公式Wr=ΔWS+Wf，工作面周圍的應(yīng)力升高區(qū)中積聚的彈性應(yīng)變能WS保持不變時(shí)，巖體內(nèi)破裂消耗的能量Wf也保持不變，表現(xiàn)到礦震上，每天的礦震次數(shù)和礦震能量應(yīng)保持穩(wěn)定。改變假設(shè)中的一個(gè)條件進(jìn)行分析：

1) 當(dāng)煤巖體為非均質(zhì)時(shí)，監(jiān)測(cè)到的礦震活動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)：當(dāng)工作面周圍或一部分煤巖體比較堅(jiān)硬完整時(shí)，比如出現(xiàn)了厚層堅(jiān)硬頂板，此時(shí)巖體內(nèi)的破裂比較少，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的基本方式，巖體內(nèi)破裂消耗的能量Wf減少時(shí)ΔWS會(huì)變大，因此彈性應(yīng)變能WS積聚增多，此時(shí)一旦發(fā)生破壞易產(chǎn)生能量較高的礦震；當(dāng)工作面周圍或一部分煤巖體比較軟弱破碎時(shí)，巖體內(nèi)發(fā)生的破裂較多，表現(xiàn)為發(fā)生的礦震次數(shù)較多，破裂消耗的能量Wf增多，ΔWS減少，彈性應(yīng)變能難以積聚，因此以低能量礦震為主。

2) 當(dāng)工作面的推進(jìn)速度顯著加快時(shí)，由于煤巖體內(nèi)破裂的擴(kuò)展是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，導(dǎo)致巖體內(nèi)破裂消耗的能量Wf減少，ΔWS變大，因此彈性應(yīng)變能WS2積聚增多。為了降低沖擊危險(xiǎn)，工作面回采時(shí)應(yīng)該保持較低且穩(wěn)定的回采速度。

3) 當(dāng)受上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響，巖層因開(kāi)挖釋放的能量Wr增大時(shí)，巖體內(nèi)破裂消耗的能量Wf與應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)彈性應(yīng)變能ΔWS都會(huì)增大，表現(xiàn)在礦震上就是礦震的活動(dòng)性增強(qiáng)，意味著彈性應(yīng)變能WS2積聚增多。

4) 當(dāng)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，比如遇到了逆斷層，在斷層附近煤巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能在回采前WS1就已經(jīng)較多，工作面回采導(dǎo)致在該地質(zhì)構(gòu)造附近區(qū)域的煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能WS2，相比于不受地質(zhì)構(gòu)造影響的區(qū)域，積聚到更高的水平甚至進(jìn)入到巖體破壞階段，因此在礦震上表現(xiàn)為礦震的活動(dòng)性增強(qiáng)，可能出現(xiàn)強(qiáng)礦震，甚至造成斷層活化。

在實(shí)際回采時(shí)，以上各種條件都可能會(huì)發(fā)生變化，煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能與礦震的變化就會(huì)復(fù)雜。對(duì)于礦震的次數(shù)與能量，也許是礦震的次數(shù)增多，但震動(dòng)的能量都較低；也許是礦震的次數(shù)減少，但是震動(dòng)的能量較高；也有可能是二者同步變化。

從空間上看，礦震經(jīng)常發(fā)生在工作面的周圍。礦井監(jiān)測(cè)到綜放工作面回采過(guò)程中礦震在豎直剖面和水平剖面上的投影，分別見(jiàn)圖1，2[10]. 圖1,2表明，工作面回采是誘發(fā)礦震的主要原因。

圖1 工作面軌順礦震超前分布圖

圖2 1 000 J以上礦震分布平面圖

從圖1看，工作面回采過(guò)程中煤巖體內(nèi)的破裂絕大部分都發(fā)生在工作面的周圍，而且主要是在工作面前方的煤巖體中，大部分是頂板巖層的破裂，這一區(qū)域與工作面前方的應(yīng)力升高區(qū)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明在應(yīng)力升高區(qū)，彈性應(yīng)變能積聚的同時(shí)，破裂也在增多，這一區(qū)域的巖體正處于應(yīng)力升高階段或破壞階段。對(duì)于發(fā)生在工作面后方的礦震，代表著頂板的垮落、破斷以及咬合結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

從圖2看，在工作面的初采階段，1 000 J以上礦震較少，直至工作面直接頂與基本頂初次來(lái)壓之后，隨著采空區(qū)面積的增大，礦震的分布也越來(lái)越密集，這是由于隨著工作面的回采，上覆巖層的運(yùn)動(dòng)逐漸向上發(fā)展，工作面前方煤巖體的載荷逐漸加大，導(dǎo)致礦震越來(lái)越多。在工作面擴(kuò)面之后，尤其是在擴(kuò)面段頂板來(lái)壓之后，工作面前方煤巖體應(yīng)力升高，因此礦震的分布范圍也隨之?dāng)U大。

上述分析表明，礦震活動(dòng)是工作面回采過(guò)程中能量釋放引起的正常事件。通過(guò)對(duì)礦震活動(dòng)的分析，可以推斷煤巖體中彈性應(yīng)變能的變化，但是受多方面因素的影響，在工作面回采過(guò)程中，煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能與礦震活動(dòng)之間的關(guān)系可能變得復(fù)雜。煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能在積聚增大時(shí)，礦震活動(dòng)的表現(xiàn)可能是在增強(qiáng)，也可能是在減弱，這與具體的地質(zhì)開(kāi)采條件有關(guān)。在利用礦震監(jiān)測(cè)分析工作面周圍煤巖體中彈性應(yīng)變能的變化情況時(shí)，可以與彈性波CT成像技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)反演計(jì)算劃分出的高波速區(qū)域?qū)?yīng)于高應(yīng)力區(qū)[11]，同時(shí)也可以采用其他方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 能量的轉(zhuǎn)換與沖擊礦壓的關(guān)系

在工作面回采過(guò)程中，能量的轉(zhuǎn)換時(shí)刻都在發(fā)生，大部分礦震并不會(huì)對(duì)工作面造成沖擊破壞。根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的原理[3]，沖擊礦壓發(fā)生的條件是采掘圍巖中的靜載荷和礦震誘發(fā)的動(dòng)載荷疊加后超過(guò)煤巖體沖擊破壞的臨界載荷。從能量的角度分析，圍巖中的靜載荷來(lái)源于開(kāi)采前積聚的彈性應(yīng)變能WS1和開(kāi)采過(guò)程中積聚的彈性應(yīng)變能ΔWS，而動(dòng)載荷來(lái)源于礦震傳播的能量，礦震的能量由煤巖體內(nèi)發(fā)生破裂前儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化而來(lái)。根據(jù)工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的基本方式，上述關(guān)系見(jiàn)圖3.

圖3 能量轉(zhuǎn)換與沖擊礦壓的關(guān)系圖

3 對(duì)沖擊礦壓監(jiān)測(cè)與防治的建議

上述分析和目前的研究成果都表明，沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)與防治需要從靜載荷與動(dòng)載荷兩個(gè)方面進(jìn)行。對(duì)于動(dòng)載荷的監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或者地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的分析，礦震活動(dòng)可以反映煤巖體中彈性應(yīng)變能，也就是靜載荷的變化。建議在使用微震監(jiān)測(cè)方法對(duì)沖擊礦壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警時(shí)，要注意結(jié)合工作面的具體條件，分析區(qū)域內(nèi)煤巖體中彈性應(yīng)變能的變化，可以采用礦震震動(dòng)波速度層析成像技術(shù)[11]，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確程度，對(duì)疑似應(yīng)變能積聚升高的區(qū)域，可以采用鉆屑監(jiān)測(cè)、應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)、電磁輻射監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)沖擊礦壓的發(fā)生機(jī)理，沖擊礦壓的發(fā)生，首先煤巖體要能夠進(jìn)入到峰后的應(yīng)變軟化階段，在高靜載或高動(dòng)載環(huán)境下，這種情況都是可能發(fā)生的；此外，煤巖體發(fā)生破壞后釋放的彈性能量要足夠?qū)ο锏喇a(chǎn)生沖擊破壞。在沖擊礦壓的防治中，根據(jù)工作面回采過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對(duì)于靜載荷，建議使用可以減少WS1與ΔWS以及增加Wf的方法。比如在回采前以及回采時(shí)通過(guò)打卸壓鉆孔改變煤體的力學(xué)性能，提前釋放一部分煤巖體中的彈性應(yīng)變能，人為制造一些裂隙，使應(yīng)力峰值向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。對(duì)于強(qiáng)震所產(chǎn)生的高動(dòng)載，要通過(guò)降低其與靜載荷的疊加進(jìn)行治理。動(dòng)載是否會(huì)對(duì)巷道造成沖擊破壞，與礦震能量的大小、傳播過(guò)程的衰減以及煤體中的靜載荷有關(guān)。發(fā)生強(qiáng)震說(shuō)明在震源區(qū)積聚有大量彈性應(yīng)變能，建議必要時(shí)可以通過(guò)分析震源區(qū)所在的巖層，提前采用深孔斷頂或者水力壓裂等措施釋放其中的彈性應(yīng)變能。為了增加動(dòng)載傳播過(guò)程的衰減，可以在巷道周圍人為的制造弱結(jié)構(gòu)[12].

4 總 結(jié)

1) 提出了工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的基本方式。巖層因開(kāi)挖所釋放的能量Wr，一部分轉(zhuǎn)化為應(yīng)力升高區(qū)域的彈性應(yīng)變能ΔWS儲(chǔ)存起來(lái)，另一部分Wf將被消耗于擴(kuò)展地下巖體中的裂隙和產(chǎn)生新的破裂，即Wr=ΔWS+Wf.

2) 基于能量轉(zhuǎn)換的基本方式，在不同地質(zhì)開(kāi)采條件下，結(jié)合礦震監(jiān)測(cè)實(shí)例，分析了礦震活動(dòng)與煤巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能的內(nèi)在關(guān)系以及工作面回采過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換與沖擊礦壓的關(guān)系。

3) 對(duì)沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)與防治提出了建議。在監(jiān)測(cè)方面，使用微震監(jiān)測(cè)方法時(shí)，建議結(jié)合工作面的具體條件，分析區(qū)域內(nèi)煤巖體中彈性應(yīng)變能的變化，可以采用礦震震動(dòng)波速度層析成像技術(shù)，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確程度。對(duì)于靜載荷的治理，建議從減少WS1與ΔWS以及增加Wf等方面考慮。對(duì)于動(dòng)載荷的治理，建議從減小震源區(qū)的能量及增加傳播過(guò)程的衰減等方面進(jìn)行。