煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理

煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一,也是目前评估和预测煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一。系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史,提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。对现有的16种冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、试验过程、分类标准等进行了详细介绍。对来自5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验,利用试验结果对16种冲击倾向性指数进行了计算,获得了具体的冲击倾向性类别。为了对煤的16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一验证,根据煤样破坏过程和破坏状态,提出了基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准。通过统一对比,结果表明剩余弹性能指数判别结果和定性判据判别结果完全一致。剩余弹性能指数以煤线性储能规律为基础,从煤样受力全过程中能量输入、储存、消耗、剩余的角度出发,以煤样破坏时剩余的绝对能量值作为判别指标,符合冲击地压发生时释放弹性应变能的本质。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数,所得结果实现了和定性判别结果的相互验证和统一,具有科学性与适用性。根据冲击地压属于深部工程地质灾害的特点,借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理,进一步明确了煤的冲击倾向性研究所起的作用和地位。从力学性质和材料性质2个方面分析了煤和岩石的本质属性差异,认为冲击地压属于固体可燃有机岩动力破坏,而岩爆属于固体不可燃无机岩动力破坏。最后,提出了煤的冲击倾向性指数研究中存在的6个关键科学问题。

赵固二_(1)煤样冲击倾向性与声发射特征的试验研究

煤矿冲击地压是煤矿灾害之一,煤岩体冲击倾向性指数是煤岩体的自然属性,利用RMT-150B伺服试验机对赵固二_(1)煤样进行冲击倾向性指数测试,在加载过程同步进行声发射信号检测,分析煤样冲击倾向性指数、关联性及声发射特征。试验结果表明:在煤样受载变形破坏过程中始终伴随着声发射事件,当载荷接近煤样峰值强度时宏观裂隙逐步形成,声发射活动异常活跃,声发射幅值、计数和能量均达到最大值,且超前于峰值强度3~17 s,声发射计数和能量累计曲线出现突变现象,可以作为判定煤样临近破坏前兆信息,与峰值前相比峰值后的声发射幅值、计数、能量有所降低。煤样抗压强度与弹性模量、峰值前积蓄能量呈正相关性,与冲击能指数、动态破坏时间呈负相关,可以采用线性拟合来表征单轴抗压强度与弹性模量、峰值前积蓄能量的特征。煤样抗压强度越高、弹性模量越大,积蓄弹性能越高,发生冲击地压的危险强度也就越大。对于煤层进行弹性能指数鉴定时,采用声发射同步检测煤样损伤演化过程,依据声发射突变信号作为卸载点更有利确定样弹性能指数。赵固二_(1)煤样单轴抗压强度为53.0 MPa,弹性模量为4.21 GPa,冲击能量指数5.45,动态破坏时间为708 ms,弹性能指数为16.44,综合评定二_(1)煤为(Ⅲ类)强冲击类型煤层。

巷道冲击地压软化区能量极值判别准则及试验研究

为了解决目前巷道冲击地压理论研究对于能量分析的不完善,对冲击地压危险性判别难以定量化的问题,基于弹塑性力学理论,建立了圆形巷道弹塑性软化力学模型,得到了圆形巷道发生冲击地压的围岩软化区能量解析解;提出了巷道冲击地压发生的软化区能量极值判别准则,给出了巷道冲击地压发生的临界软化区能量、临界软化区半径、临界巷道收缩位移及临界巷道收缩率;提出了冲击倾向性能量指数.通过室内相似模拟试验对理论结果进行了验证,试验所得临界巷道收缩率、临界软化区能量的值与理论解析解吻合,变形模量指数变化趋势及巷道破坏情况与理论推导得到的规律一致.结果表明:巷道冲击地压发生存在临界软化区能量、临界软化区半径、临界巷道收缩位移及临界巷道收缩率;变形模量指数越大,冲击倾向性能量指数越小,临界软化区能量越小,越容易发生冲击地压;通过降低变形模量指数来提高冲击倾向性能量指数是防治冲击地压的必要前提.