冲击矿压矿井工作面回采过程中的能量转换

黄家满

(晋城职业技术学院， 山西 晋城 048026)

冲击矿压是煤矿巷道或工作面周围的煤岩体，在一定条件下瞬时释放大量弹性应变能，导致煤岩体突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、声响、震动以及气浪等，是煤矿的重大灾害之一。据统计，截至2015年底，我国煤矿冲击矿压矿井已达177对，冲击矿压灾害正严重威胁着煤矿的安全高效生产[1]. 冲击矿压发生的机理比较复杂，目前有代表性的主要是强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论等[2]. 近年来，众多学者对静载和动载叠加诱发冲击矿压展开了研究，通过对煤岩破坏过程中能量变化的分析，提出了动静载叠加诱发冲击矿压原理[3]、冲击地压启动理论[4]等，并针对不同的力源，提出从动载和静载两方面进行冲击矿压监测和治理，即分源监测、分源治理，研究成果已应用于不同类型冲击矿压的防治[5]. 冲击矿压的监测方法很多，微震监测已在我国得到广泛应用[6]，但仍然存在预警准确程度不高的问题。

对于冲击矿压矿井，研究煤岩体中弹性应变能的储存与释放对于冲击矿压的监测与防治具有重要的意义。在进行开采活动前，原岩体中已储存有大量弹性应变能，开采活动破坏了原岩应力的平衡状态，在原岩应力重新分布达到新的平衡状态的同时，岩体内的能量也在发生着转换，对于工作面来说，这种转换伴随着整个回采过程，当大量弹性应变能突然释放时可能会发生冲击矿压等动力灾害。本文在提出工作面回采过程中能量转换基本方式的基础上，分析了工作面周围煤岩体内的弹性应变能与矿震的关系以及工作面回采过程中能量的转换与冲击矿压的关系，并对冲击矿压的监测与防治提出了建议。

1 回采过程中煤岩体中的能量

上覆岩层的运动是一个时间过程，将工作面回采看作是准静态，即不考虑上覆岩层运动的动能，主要对回采过程中工作面周围煤岩体中的弹性应变能与煤岩体破坏过程中的能量损耗进行分析。

1.1 工作面周围煤岩体的弹性应变能

煤岩体在地下处于三向受力状态，假设煤岩体单元中储存的弹性应变能为体积改变能，则弹性应变能密度可以用下式表示[7]：

由上式看出，弹性应变能与3个主应力的二次方正相关。

随着工作面的回采，原岩应力的平衡状态被打破，采场上覆岩层发生垮落、断裂、弯曲下沉，根据“砌体梁”结构模型[7]，由于上覆岩层所形成的块体咬合结构，回采工作面前方的煤壁将承受大部分悬露岩层的重量，导致工作面前方的支撑压力增加，采空区的支撑压力降低，应力重新分布后达到了新的平衡状态。由于弹性应变能与应力的二次方正相关，因此应力升高的区域意味着能量的积聚，而应力降低的区域意味着能量的减少。用WS1表示回采前煤岩体中储存的弹性应变能，用WS2表示回采后煤岩体中储存的弹性应变能，用ΔWS表示回采前后煤岩体中弹性应变能的变化，即：

ΔWS=WS2-WS1

在应力升高区域，ΔWS为正值；在应力降低区域，ΔWS为负值。工作面回采的过程中，在应力升高区域积聚的弹性应变能除了体积改变能，还有顶板弯曲弹性能，与顶板悬伸长度的五次方成正比[7]，因此对于厚层难冒顶板，悬顶面积越大，顶板中储存的弯曲弹性应变能就越大，发生冲击矿压的危险程度也就越高。

1.2 煤岩体内发生破裂消耗的能量

根据试验研究，岩体受力产生变形和破坏可以分为4个阶段，分别是压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段[7]. 在塑性阶段，岩体内的微破裂逐渐增多，但随着变形的增大，岩体内的应力仍在增加，最终达到极限强度。在破坏阶段，裂隙进一步扩展贯通，岩体会沿着某些破裂面运动，应力开始下降，冲击矿压往往发生在岩体的破坏阶段。用Wf表示扩展地下岩体中的裂隙和产生新的破裂所消耗的能量，这部分能量是不可恢复的。Wf的大小与地下煤岩体受力产生变形和破坏时所处的阶段有关。在岩体内裂隙产生、扩展和贯通的过程中，会发生很多物理信息的变化，包括应力、震动、温度、声音、电磁辐射等。从能量的角度分析，这些物理信息的变化意味着能量的变化。

2 回采过程中煤岩体内能量的转换

2.1 能量转换的基本方式

伴随工作面采煤机的割煤，上覆岩层缓慢弯曲下沉，工作面后方悬露的顶板面积逐渐增大，煤壁前方的支撑压力也逐渐升高。将工作面回采看作是准静态，假设地下煤岩体为弹性体，不考虑能量的损耗，根据能量守恒定律，上位岩层对下位岩层施加的载荷所做的功Wr，即岩层因开挖所释放的能量，将全部转化为下位岩层中应力升高区域的弹性应变能ΔWS储存起来。

考虑能量的损耗，Wr将不能全部转化为弹性应变能ΔWS，其中的一部分能量将被消耗于扩展地下岩体中的裂隙和产生新的破裂，即转化为Wf[8]. 工作面回采过程中能量转换的基本方式可以用下式表示：

Wr=ΔWS+Wf

从式中可以看出，在Wr固定不变的条件下，岩体内因破裂消耗的能量Wf越多，则在应力升高区内积聚的弹性应变能ΔWS就会越少。Wf可以反映岩体的破裂程度，如果已知岩体内产生破裂的次数以及每次破裂所消耗的能量，理论上就可以计算出Wf的大小。

2.2 煤岩体内的弹性应变能与矿震的关系

当矿震发生时，煤岩体内的破裂面突然扩张，煤岩体内因破裂而释放的能量会有一部分转化为动能。用Wrz表示煤岩体因一次破裂而释放的能量，用ΔWst表示在振动平衡位置处时的弹性应变能，用ΔWSmax表示在振动最大振幅处的弹性应变能，用Ek表示振动的动能，用Wfi表示一次破裂所消耗的能量，则在振动的最大振幅处，动能为0：

Wrz=ΔWSmax+Wfi

在振动的平衡位置处，动能最大：

Wrz=ΔWst+Wfi+Ek

在煤岩体内摩擦阻尼的作用下动能会被逐渐消耗，直至恢复到静力平衡状态。因此振动的动能Ek可以看作是煤岩体中多余的弹性应变能，即：

Ek=ΔWSmax-ΔWst

震源的振动在地下岩体内传播形成矿震，在传播的过程中由于内摩擦阻尼的作用能量会被逐渐消耗。在振动的过程中，振动的动能与弹性应变能是相互转化的关系。

对于工作面周围的煤岩体，宏观上能量转换的基本方式可以用Wr=ΔWS+Wf表示，而在微观上每次破裂发生时，在局部的震源区，能量的转换也在发生。虽然由于局部的能量释放诱发了矿震，但是在多数情况下，局部的破裂不足以引起岩层显著的宏观运动，宏观上岩层的运动仍然是准静态的。目前测量的矿山震动能量与整个岩体破坏所释放的能量相比是很小的一部分，占0.001到0.01倍[9]. 宏观上煤岩体内因破裂而消耗的能量Wf为每次破裂消耗的能量Wfi之和。

冲击矿压矿井可以利用微震监测技术记录和分析整个工作面甚至井田范围内煤岩体产生的破裂，包括每次矿震发生的位置以及矿震的能量等[9]，通过这些信息可以分析煤矿开采过程中的能量转换。暂不考虑矿震产生的动载荷对工作面周围煤岩体内弹性应变能的影响，在理想状态下，假设工作面周围的煤岩体是均质连续的，没有地质构造的影响，且推进速度保持恒定，则工作面回采时每天岩层释放的能量Wr为固定值，根据公式Wr=ΔWS+Wf，工作面周围的应力升高区中积聚的弹性应变能WS保持不变时，岩体内破裂消耗的能量Wf也保持不变，表现到矿震上，每天的矿震次数和矿震能量应保持稳定。改变假设中的一个条件进行分析：

1) 当煤岩体为非均质时，监测到的矿震活动将会产生波动：当工作面周围或一部分煤岩体比较坚硬完整时，比如出现了厚层坚硬顶板，此时岩体内的破裂比较少，根据能量转换的基本方式，岩体内破裂消耗的能量Wf减少时ΔWS会变大，因此弹性应变能WS积聚增多，此时一旦发生破坏易产生能量较高的矿震；当工作面周围或一部分煤岩体比较软弱破碎时，岩体内发生的破裂较多，表现为发生的矿震次数较多，破裂消耗的能量Wf增多，ΔWS减少，弹性应变能难以积聚，因此以低能量矿震为主。

2) 当工作面的推进速度显著加快时，由于煤岩体内破裂的扩展是一个时间过程，导致岩体内破裂消耗的能量Wf减少，ΔWS变大，因此弹性应变能WS2积聚增多。为了降低冲击危险，工作面回采时应该保持较低且稳定的回采速度。

3) 当受上覆岩层运动的影响，岩层因开挖释放的能量Wr增大时，岩体内破裂消耗的能量Wf与应力升高区内弹性应变能ΔWS都会增大，表现在矿震上就是矿震的活动性增强，意味着弹性应变能WS2积聚增多。

4) 当受地质构造运动的影响，比如遇到了逆断层，在断层附近煤岩体内弹性应变能在回采前WS1就已经较多，工作面回采导致在该地质构造附近区域的煤岩体内的弹性应变能WS2，相比于不受地质构造影响的区域，积聚到更高的水平甚至进入到岩体破坏阶段，因此在矿震上表现为矿震的活动性增强，可能出现强矿震，甚至造成断层活化。

在实际回采时，以上各种条件都可能会发生变化，煤岩体内的弹性应变能与矿震的变化就会复杂。对于矿震的次数与能量，也许是矿震的次数增多，但震动的能量都较低；也许是矿震的次数减少，但是震动的能量较高；也有可能是二者同步变化。

从空间上看，矿震经常发生在工作面的周围。矿井监测到综放工作面回采过程中矿震在竖直剖面和水平剖面上的投影，分别见图1，2[10]. 图1,2表明，工作面回采是诱发矿震的主要原因。

图1 工作面轨顺矿震超前分布图

图2 1 000 J以上矿震分布平面图

从图1看，工作面回采过程中煤岩体内的破裂绝大部分都发生在工作面的周围，而且主要是在工作面前方的煤岩体中，大部分是顶板岩层的破裂，这一区域与工作面前方的应力升高区相对应，说明在应力升高区，弹性应变能积聚的同时，破裂也在增多，这一区域的岩体正处于应力升高阶段或破坏阶段。对于发生在工作面后方的矿震，代表着顶板的垮落、破断以及咬合结构的失稳。

从图2看，在工作面的初采阶段，1 000 J以上矿震较少，直至工作面直接顶与基本顶初次来压之后，随着采空区面积的增大，矿震的分布也越来越密集，这是由于随着工作面的回采，上覆岩层的运动逐渐向上发展，工作面前方煤岩体的载荷逐渐加大，导致矿震越来越多。在工作面扩面之后，尤其是在扩面段顶板来压之后，工作面前方煤岩体应力升高，因此矿震的分布范围也随之扩大。

上述分析表明，矿震活动是工作面回采过程中能量释放引起的正常事件。通过对矿震活动的分析，可以推断煤岩体中弹性应变能的变化，但是受多方面因素的影响，在工作面回采过程中，煤岩体内的弹性应变能与矿震活动之间的关系可能变得复杂。煤岩体内的弹性应变能在积聚增大时，矿震活动的表现可能是在增强，也可能是在减弱，这与具体的地质开采条件有关。在利用矿震监测分析工作面周围煤岩体中弹性应变能的变化情况时，可以与弹性波CT成像技术相结合，通过反演计算划分出的高波速区域对应于高应力区[11]，同时也可以采用其他方法进行验证。

2.3 能量的转换与冲击矿压的关系

在工作面回采过程中，能量的转换时刻都在发生，大部分矿震并不会对工作面造成冲击破坏。根据动静载叠加诱发冲击矿压的原理[3]，冲击矿压发生的条件是采掘围岩中的静载荷和矿震诱发的动载荷叠加后超过煤岩体冲击破坏的临界载荷。从能量的角度分析，围岩中的静载荷来源于开采前积聚的弹性应变能WS1和开采过程中积聚的弹性应变能ΔWS，而动载荷来源于矿震传播的能量，矿震的能量由煤岩体内发生破裂前储存的弹性应变能转化而来。根据工作面回采过程中能量转换的基本方式，上述关系见图3.

图3 能量转换与冲击矿压的关系图

3 对冲击矿压监测与防治的建议

上述分析和目前的研究成果都表明，冲击矿压的监测与防治需要从静载荷与动载荷两个方面进行。对于动载荷的监测，主要是通过微震监测系统或者地音监测系统。通过对工作面回采过程中能量转换的分析，矿震活动可以反映煤岩体中弹性应变能，也就是静载荷的变化。建议在使用微震监测方法对冲击矿压灾害进行预警时，要注意结合工作面的具体条件，分析区域内煤岩体中弹性应变能的变化，可以采用矿震震动波速度层析成像技术[11]，以提高预警的准确程度，对疑似应变能积聚升高的区域，可以采用钻屑监测、应力与变形监测、电磁辐射监测等方法进行验证。

根据冲击矿压的发生机理，冲击矿压的发生，首先煤岩体要能够进入到峰后的应变软化阶段，在高静载或高动载环境下，这种情况都是可能发生的；此外，煤岩体发生破坏后释放的弹性能量要足够对巷道产生冲击破坏。在冲击矿压的防治中，根据工作面回采过程中能量的转换关系，对于静载荷，建议使用可以减少WS1与ΔWS以及增加Wf的方法。比如在回采前以及回采时通过打卸压钻孔改变煤体的力学性能，提前释放一部分煤岩体中的弹性应变能，人为制造一些裂隙，使应力峰值向煤岩体深部转移。对于强震所产生的高动载，要通过降低其与静载荷的叠加进行治理。动载是否会对巷道造成冲击破坏，与矿震能量的大小、传播过程的衰减以及煤体中的静载荷有关。发生强震说明在震源区积聚有大量弹性应变能，建议必要时可以通过分析震源区所在的岩层，提前采用深孔断顶或者水力压裂等措施释放其中的弹性应变能。为了增加动载传播过程的衰减，可以在巷道周围人为的制造弱结构[12].

4 总 结

1) 提出了工作面回采过程中能量转换的基本方式。岩层因开挖所释放的能量Wr，一部分转化为应力升高区域的弹性应变能ΔWS储存起来，另一部分Wf将被消耗于扩展地下岩体中的裂隙和产生新的破裂，即Wr=ΔWS+Wf.

2) 基于能量转换的基本方式，在不同地质开采条件下，结合矿震监测实例，分析了矿震活动与煤岩体内弹性应变能的内在关系以及工作面回采过程中能量转换与冲击矿压的关系。

3) 对冲击矿压的监测与防治提出了建议。在监测方面，使用微震监测方法时，建议结合工作面的具体条件，分析区域内煤岩体中弹性应变能的变化，可以采用矿震震动波速度层析成像技术，以提高预警的准确程度。对于静载荷的治理，建议从减少WS1与ΔWS以及增加Wf等方面考虑。对于动载荷的治理，建议从减小震源区的能量及增加传播过程的衰减等方面进行。