D0I:10.13374/i.issnl00It03.2007.0L.001 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 基于AE的深部复变环境下急斜特厚煤层 开采动力失稳分析 张立杰1) 蔡美峰)来兴平2,3)张勇2,3) 张海燕)吕兆海2,3) 任奋华) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)西安科技大学，西安710054 3)教育部西部矿山开采及灾害控制重点实验室，西安710054 摘要华亭煤矿5煤是赋存在深部的急斜特厚煤层，其开采扰动极其频繁，最大主应力与最小主应力相差较大，开采过程 中频繁出现动力失稳并诱致衍生灾害·基于声发射的煤岩动力失稳行为实验与现场相关测试的比较，综合分析了复杂变化环 境下煤岩在不同的动态拉伸比能、压缩变形阻力和剪切应力作用下的失稳声发射能率和总事件等定量规律。 关键词特厚煤层：声发射(AE):复变环境：大尺度采空区；动力失稳 分类号TD353:TB125 深部煤炭安全开采是国内外采矿界亟待攻克的 1 难题，煤岩破裂与失稳行为与浅部开采有巨大差 现场开采情况与地质环境综合分析 别】.华亭煤矿处于西部地震频发带，主采5#煤 华亭煤矿深部厚煤层采用水平分段综采低位放 倾角45°，平均厚度51.51m,采深已达819.45m,硬 顶煤方法开采，603工作面两顺槽分别沿煤层顶、底 度系数f=1~3,冒顶、坍塌、冲击等动力破坏频发， 板布置，从井田北翼向南翼跨上山无煤柱开采工作 井田范围内的主要断层附近岩体破碎、构造应力和 面平均长度为52m;分段高度为16m,机采高度 残留煤（矿）柱高应力集中以及采空区围岩结构动态 2.5m,放煤高度13.5m,采放比1：5.4.全矿3个综 演化，开采扰动极其频繁，在邻近区域开采中极易诱 采面、4个综掘面分布在6个区段内同时作业，每个 发动力灾害).在现场综合调查基础上，基于声 工作面生产能力达到200万ta.华亭煤矿深部 发射的室内岩石力学实验与现场测试的对比，对其 厚煤层急倾斜开采过程中的动力破坏对生产和人身 孕育动力失稳的原因及力学行为进行探讨，以期对 安全构成巨大威胁，图1描述了地层综合柱状特征 开采过程中动力灾害的危险性（或区域）进行预报， 和煤层开采布局情况：图2描述了巷道动力破坏情 为提出缓解和消除灾害的控制提供理论依据， 况，其中(a)为回风顺槽动力破坏和变形情况；(b)为 言图标样卡意 (a) (b) 图1地层综合柱状特征(a)和煤层开采布局(b) Fig-1 Lithologic correlation(a)and mining sequences (b) 收稿日期：2006-02-28修回日期：2006-05-22 603运输顺槽设备掀翻：(c)描述了该开采区域地表 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No-10402033,50490271): 及建筑动力破坏现象，这些动力学失稳的孕育和发 教有部西部矿山开采与灾害控制重点实验室重点资助项目(N。 生与开采深度、开采扰动、区域地震、地质构造以及 04s19) 作者简介：张立杰(1966一)男，副教授，博士研究生； 地应力密切相关 蔡美峰(1943-)，男，教授，博士生导师
基于 AE 的深部复变环境下急斜特厚煤层 开采动力失稳分析 张立杰12） 蔡美峰1） 来兴平23） 张 勇23） 张海燕2） 吕兆海23） 任奋华1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 西安科技大学西安710054 3） 教育部西部矿山开采及灾害控制重点实验室西安710054 摘 要 华亭煤矿5＃煤是赋存在深部的急斜特厚煤层其开采扰动极其频繁最大主应力与最小主应力相差较大开采过程 中频繁出现动力失稳并诱致衍生灾害．基于声发射的煤岩动力失稳行为实验与现场相关测试的比较综合分析了复杂变化环 境下煤岩在不同的动态拉伸比能、压缩变形阻力和剪切应力作用下的失稳声发射能率和总事件等定量规律． 关键词 特厚煤层；声发射（AE）；复变环境；大尺度采空区；动力失稳 分类号 TD353；TB125 收稿日期：20060228 修回日期：20060522 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．1040203350490271）； 教育部西部矿山开采与灾害控制重点实验室重点资助项目（No． 04JS19） 作者简介：张立杰（1966—）男副教授博士研究生； 蔡美峰（1943—）男教授博士生导师 深部煤炭安全开采是国内外采矿界亟待攻克的 难题煤岩破裂与失稳行为与浅部开采有巨大差 别［1—3］．华亭煤矿处于西部地震频发带主采5＃煤 倾角45°平均厚度51∙51m采深已达819∙45m硬 度系数 f＝1～3冒顶、坍塌、冲击等动力破坏频发 井田范围内的主要断层附近岩体破碎、构造应力和 残留煤（矿）柱高应力集中以及采空区围岩结构动态 演化开采扰动极其频繁在邻近区域开采中极易诱 发动力灾害［4—6］．在现场综合调查基础上基于声 发射的室内岩石力学实验与现场测试的对比对其 孕育动力失稳的原因及力学行为进行探讨以期对 开采过程中动力灾害的危险性（或区域）进行预报 为提出缓解和消除灾害的控制提供理论依据． 1 现场开采情况与地质环境综合分析 华亭煤矿深部厚煤层采用水平分段综采低位放 顶煤方法开采603工作面两顺槽分别沿煤层顶、底 板布置从井田北翼向南翼跨上山无煤柱开采工作 面平均长度为52m；分段高度为16m机采高度 2∙5m放煤高度13∙5m采放比1∶5∙4．全矿3个综 采面、4个综掘面分布在6个区段内同时作业每个 工作面生产能力达到200万 t·a —1．华亭煤矿深部 厚煤层急倾斜开采过程中的动力破坏对生产和人身 安全构成巨大威胁．图1描述了地层综合柱状特征 和煤层开采布局情况；图2描述了巷道动力破坏情 况其中（a）为回风顺槽动力破坏和变形情况；（b）为 图1 地层综合柱状特征（a）和煤层开采布局（b） Fig．1 Lithologic correlation （a） and mining sequences （b） 603运输顺槽设备掀翻；（c）描述了该开采区域地表 及建筑动力破坏现象．这些动力学失稳的孕育和发 生与开采深度、开采扰动、区域地震、地质构造以及 地应力密切相关． 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．001
北京科技大学学报 第29卷 图2巷道动力学失稳与破坏情况 Fig.2 Dynamical collapsing and destabilization conditions in roadway 2实验与分析 开采中煤岩动力学破坏与失稳的声发射过程研究还 比较薄弱.华亭煤矿自2003年以来，先后在505， 2.1基于声发射的煤岩破裂与失稳特征实验 506,506,507,508,509,601,602,603和606等工作 非均匀介质的损伤与破坏是力学中极复杂、极 面的掘进与回采过程中，多次发生煤、岩层巷道瞬间 具挑战性的难题，至今仍有许多基本问题尚未解决， 破坏并急剧变形，并伴有较大的煤爆声，出现很大的 例如在邻近破坏及灾变阶段，损伤演化不遵循稳态 动压现象，这为利用声发射技术分析煤岩动力学失 累积规律，传统的均匀连续介质力学理论难以处理， 稳与变形关系提供了绝好的机会，基于煤岩受外载 声发射(AE)是研究固体材料中损伤演化的重要工 荷、变形、破裂、失稳及断裂声发射特征综合分析，探 具，其可实时、连续测量获取材料内部损伤的信息， 索特殊地质构造环境下大尺度采空区的煤岩动力失 增大试件尺寸可提高声发射定位相对精度，因此煤 稳特征及规律，为物理与数值模拟分析提供可靠的 岩破坏声发射实验成为研究动力灾害孕育过程的重 定量参数，本实验采用声华科技公司的五通道 要手段[9] SWAES全波形数字化全波形声发射检测仪，其性 有关煤岩变形、破裂、失稳及断裂特征的实验研 能参数设置见表1，图3描述了室内煤样声发射破 究已有成功尝试10]，但对深部急倾斜特厚煤层 坏特征实验情况， 表1声发射实验主要参数 Table 1 Main parameters of acoustic emission device and experiment 数据传输/(MBs) 频率响应k五 功耗(RMS)/W 动态范围/dB 采样精度 工作电压/V 132(mar) (20-2000)±1.0 160 ≥72 16位 220(AC,50h) (a) (c) 图3煤样声发射破坏规律实验描述.(a)抗拉：(b)抗压：(c)抗剪 Fig.3 Photos of acoustic emission experiment on damaged specimens:(a)tensile deformation:(b)compression deformation:(c)shearing fracture 2.2实验结果综合对比分析 要条件.5°煤顶板以泥岩为主，岩层较破碎，单轴抗 在实验中全过程连续记录其声发射，从而获得 压强度约40MPa左右，靠近顶板及中部煤层强度相 了极其丰富的损伤演化数据（见表2和表3）·一个 对较低（约10MPa),靠近底板煤层强度相对较高， 大试件在实验过程中记录到的声发射事件（对应一 且具有弱冲击倾向性，地应力测试结果表明：最大 个损伤)达几千个之多，为今后的理论研究、数值模 主应力方向沿水平北偏东39°至61°，基本与煤层倾 拟及提高动力学灾害预报的时、空、强精度提供了必 向一致；最小主应力沿煤层走向，垂直应力值居中
图2 巷道动力学失稳与破坏情况 Fig．2 Dynamical collapsing and destabilization conditions in roadway 2 实验与分析 2∙1 基于声发射的煤岩破裂与失稳特征实验 非均匀介质的损伤与破坏是力学中极复杂、极 具挑战性的难题至今仍有许多基本问题尚未解决． 例如在邻近破坏及灾变阶段损伤演化不遵循稳态 累积规律传统的均匀连续介质力学理论难以处理． 声发射（AE）是研究固体材料中损伤演化的重要工 具其可实时、连续测量获取材料内部损伤的信息 增大试件尺寸可提高声发射定位相对精度因此煤 岩破坏声发射实验成为研究动力灾害孕育过程的重 要手段［7—9］． 有关煤岩变形、破裂、失稳及断裂特征的实验研 究已有成功尝试［10—12］．但对深部急倾斜特厚煤层 开采中煤岩动力学破坏与失稳的声发射过程研究还 比较薄弱．华亭煤矿自2003年以来先后在505 506506507508509601602603和606等工作 面的掘进与回采过程中多次发生煤、岩层巷道瞬间 破坏并急剧变形并伴有较大的煤爆声出现很大的 动压现象这为利用声发射技术分析煤岩动力学失 稳与变形关系提供了绝好的机会．基于煤岩受外载 荷、变形、破裂、失稳及断裂声发射特征综合分析探 索特殊地质构造环境下大尺度采空区的煤岩动力失 稳特征及规律为物理与数值模拟分析提供可靠的 定量参数本实验采用声华科技公司的五通道 SWAES 全波形数字化全波形声发射检测仪其性 能参数设置见表1图3描述了室内煤样声发射破 坏特征实验情况． 表1 声发射实验主要参数 Table1 Main parameters of acoustic emission device and experiment 数据传输／（MB·s —1） 频率响应／kHz 功耗（RMS）／W 动态范围／dB 采样精度 工作电压／V 132（max） （20～2000） ±1∙0 160 ≥72 16位 220（AC50Hz） 图3 煤样声发射破坏规律实验描述．（a）抗拉；（b）抗压；（c）抗剪 Fig．3 Photos of acoustic emission experiment on damaged specimens： （a） tensile deformation；（b） compression deformation；（c） shearing fracture 2∙2 实验结果综合对比分析 在实验中全过程连续记录其声发射从而获得 了极其丰富的损伤演化数据（见表2和表3）．一个 大试件在实验过程中记录到的声发射事件（对应一 个损伤）达几千个之多为今后的理论研究、数值模 拟及提高动力学灾害预报的时、空、强精度提供了必 要条件．5＃煤顶板以泥岩为主岩层较破碎单轴抗 压强度约40MPa 左右靠近顶板及中部煤层强度相 对较低（约10MPa）靠近底板煤层强度相对较高 且具有弱冲击倾向性．地应力测试结果表明：最大 主应力方向沿水平北偏东39°至61°基本与煤层倾 向一致；最小主应力沿煤层走向垂直应力值居中． ·2· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 张立杰等：基于AE的深部复变环境下急斜特厚煤层开采动力失稳分析 3 随采深增加，三向主应力都升高，最大主应力方向 表35#煤剪切实验结果统计 与顶底板巷道走向垂直，最大主应力与最小主应力 Table 3 Statistical shear characteristics of No.5 coal from experiment 相差较大，这对巷道稳定与安全非常不利 角度/（° 直径/cm 高度/cm 载荷kN 声发射特征 4.894 5.562 40 一般 表2顶底板岩石剪切实验结果统计 哈 Table 2 Statistical shear characteristics of roof-floor rock from ex- 45(1) 4.894 5.412 39 一般 periment 45(2) 4.894 4.480 32 强 直径/ 角度/ 高度/ 载荷/ 声发射 65 4.894 5.652 17 中强 岩石样本 cm ( cm kN 特征 75 4.894 5.354 11 极强 底板岩石 4.900 35 4.982 38 中 底板岩石 4.900 45(1) 4.982 28 中 图4描述了外载荷作用下煤岩破裂过程中声发 底板岩石 4.900 45(2) 5.020 31 的 射特征（能率和总事件）和规律.从图中可以看出 5#煤在不同的拉伸比能、压缩变形阻力和剪切断裂 底板岩石 4.900 65 5.094 15 书 底板岩石 4.900 75 5 过程中表现的声发射具有不一致性，这就再一次证 5.204 强 实了煤岩在大破裂前损伤演化的一系列复杂现象及 顶板岩石(1)4.916 35 4.748 52 为 顶板岩石(1)4.916 规律，如样本个性、临界敏感性和高加卸载响应比 45 4.686 36 中 等，在几块不同尺度试件的实验过程中，均发现大 顶板岩石(1)4.916 75 5.086 20 强 顶板岩石(2)4.922 35 破裂前夕声发射信号与外载信号间调制关系的紊 2.952 17 微弱 乱，这与材料在进入自驱动阶段后对外载的敏感性 顶板岩石(2) 4.922 45 5.040 290 极强 变弱及动力学失稳前的加卸载响应比下降具有相同 顶板岩石(2)4.922 65 4.582 34 有 公 机制.该结果可能为西部矿区深部急斜特厚煤层开 顶板岩石(2)4.922 5.056 31 有 采诱发动力学失稳短临预报提供新的思路、 g (a) 14 20 12 一总事件数 10 -总事件数 15 ·一能率 一能率 8 8 6 10 6 4 2 4 2 0 22 30 121620 28 时间s 时间s 1400 8人 (c) 1200 一-总事件数 6 一能率 1000 800 4 600 高2 400 200 0 8889ae9.b089898989agg-l 0 2 10 16222834 时间s 图4外载荷作用下煤一岩动态失稳的声发射特征和规律.()压缩：(b)拉伸；(c)剪切 Fig.4 Unstable characters and rule of coal-rock under load effect:(a)compression deformation;(b)tensile deformation:(c)shearing fracture 3动力学失稳综合分析 不会像缓倾斜条件下那样有规律，由于采用放顶煤 开采，阶段高度最大达到了40m,从而使顶板的悬 华亭煤矿由于急倾斜煤层矿压显现的特殊性， 臂长度增大，不能及时垮断，使顶底板岩层在悬臂位 在开采过程中，顶底板岩层将发生周期垮断，但垮断 置形成高度的应力集中，聚集大量的弹性能，这也为
随采深增加三向主应力都升高．最大主应力方向 与顶底板巷道走向垂直最大主应力与最小主应力 相差较大这对巷道稳定与安全非常不利． 表2 顶－底板岩石剪切实验结果统计 Table2 Statistical shear characteristics of roof-floor rock from experiment 岩石样本 直径／ cm 角度／ （°） 高度／ cm 载荷／ kN 声发射 特征 底板岩石 4∙900 35 4∙982 38 中 底板岩石 4∙900 45（1） 4∙982 28 中 底板岩石 4∙900 45（2） 5∙020 31 中 底板岩石 4∙900 65 5∙094 15 强 底板岩石 4∙900 75 5∙204 5 强 顶板岩石（1） 4∙916 35 4∙748 52 中 顶板岩石（1） 4∙916 45 4∙686 36 中 顶板岩石（1） 4∙916 75 5∙086 20 强 顶板岩石（2） 4∙922 35 2∙952 17 微弱 顶板岩石（2） 4∙922 45 5∙040 290 极强 顶板岩石（2） 4∙922 65 4∙582 34 有 顶板岩石（2） 4∙922 75 5∙056 31 有 表3 5＃煤剪切实验结果统计 Table3 Statistical shear characteristics of No．5coal from experiment 角度／（°） 直径／cm 高度／cm 载荷／kN 声发射特征 35 4∙894 5∙562 40 一般 45（1） 4∙894 5∙412 39 一般 45（2） 4∙894 4∙480 32 强 65 4∙894 5∙652 17 中强 75 4∙894 5∙354 11 极强 图4描述了外载荷作用下煤岩破裂过程中声发 射特征（能率和总事件）和规律．从图中可以看出 5＃煤在不同的拉伸比能、压缩变形阻力和剪切断裂 过程中表现的声发射具有不一致性这就再一次证 实了煤岩在大破裂前损伤演化的一系列复杂现象及 规律如样本个性、临界敏感性和高加卸载响应比 等．在几块不同尺度试件的实验过程中均发现大 破裂前夕声发射信号与外载信号间调制关系的紊 乱这与材料在进入自驱动阶段后对外载的敏感性 变弱及动力学失稳前的加卸载响应比下降具有相同 机制．该结果可能为西部矿区深部急斜特厚煤层开 采诱发动力学失稳短临预报提供新的思路． 图4 外载荷作用下煤－岩动态失稳的声发射特征和规律．（a）压缩；（b）拉伸；（c）剪切 Fig．4 Unstable characters and rule of coa-l rock under load effect： （a） compression deformation；（b） tensile deformation；（c） shearing fracture 3 动力学失稳综合分析 华亭煤矿由于急倾斜煤层矿压显现的特殊性 在开采过程中顶底板岩层将发生周期垮断但垮断 不会像缓倾斜条件下那样有规律．由于采用放顶煤 开采阶段高度最大达到了40m从而使顶板的悬 臂长度增大不能及时垮断使顶底板岩层在悬臂位 置形成高度的应力集中聚集大量的弹性能这也为 第1期 张立杰等： 基于 AE 的深部复变环境下急斜特厚煤层开采动力失稳分析 ·3·
北京科技大学学报 第29卷 动压的发生提供了应力条件，另外，由于开采形成 参考文献 空区尺度较大，采空区集中在一个较小的区域内，上 [1】谢和平，左建平.岩石断裂破环的声发射机理初探∥谢和平， 覆岩层活动相当激烈，必然造成强烈的应力集中 彭苏平，何满潮.深部开采基础理论与工程实践。北京：科学 在这样小的层间距和开采区域内，多层同采同掘必 出版社，2006 然造成采动影响相互叠加并耦合作用，更加剧了动 [2]何满潮，深部开采岩石力学现状及其展望∥第八次全国岩石 力学与工程学术大会论文集.北京：科学出版社，2004 力破坏程度 [3]周宏伟，谢和平，左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究 综合分析认为，华亭煤矿发生动压灾害的主要 进展.力学进展，2005,35(1)：91 原因是：()井田范围小，开采强度大，且煤岩具有一 [4]西安科技大学，甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿，华亭煤 定的冲击倾向性；(2)采深的加大使煤岩体中的原岩 矿急倾斜特厚煤层开采动力灾害预测及安全防御技术研究 西安：西安科技大学，2006 应力增加：(3)原岩应力场中存在较高的水平构造应 [5]甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿，天地科技股份有限公 力作用；(4)多阶段同采同掘使采动相互影响严重， 司开采事业部.急倾斜特厚煤层深部开采矿压规律研究与应 造成高应力叠加；(5)开采使顶底板岩层悬臂长度增 用技术.华亭：甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿，2004 大，储存的能量和垮断时释放的能量增加 [6]杨世杰，华亭煤矿复杂环境下厚煤层开采动力灾害预报研究 开采动力现象大多是岩体应力、变形和破坏产 [学位论文]西安：西安科技大学，2006 生局部化演变的结果，例如煤（矿）柱、采空区大规模 [7]Lai X P,Cai M F,Xie M W.In situ monitoring and analysis of rock mass behavior prior to collapse of the main transport roadway 坍塌造成的动力灾害，许多动力灾害构成具有突发 in Linglong Gold Mine.China.Int J Rock Mech Min Sci.2006, 性，如冲击地压、矿震和岩爆，由于地质环境、应力环 43(4):640 境和开采因素的复杂性和多样性，在动力灾害的宏 [8 Locker D A.The role of AE in the study of rock failure.Int J 观和局部区域定量预报方面至今仍是世界级难 Rock Mech Min Sci.1993,30(7):883 题3].建立有效的灾害危险区域评价和监测体 [9]Tang C A.Liu H,Lee P KK,et al.Numerical tests on micro 系，通过岩体稳定性演化过程中“多维信息”的探测 relationship of rock failure under uniaxial compression-Part I: Effect of heterogeneity.Int J Rock Mech Min Sci.2000.37 和分析，追踪灾害的孕育过程，最终将实现灾害的定 (4):555 位和预报 [10]吴立新，王金庄，煤岩受压红外热象与辐射温度特征实验研 究.中国科学D辑，1998,28(1)：41 4结论 [11】王恩元，何学秋，煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究，地球 华亭煤矿深部厚煤层处于区域地震频发带，井 物理学报，2000,43(1)：131 [12]来兴平，伍永平，任奋华，等.西部矿区深部复杂应力环境 田范围小，开采强度大，由于地质环境、应力环境和 下EDZ松软岩层力学特性实验与监测分析.北京科技大学 开采因素的复杂性和多样性，开采过程中动力破坏 学报，2006,28(4)：316 频繁，并诱致衍生灾害，通过现场综合调查及综合 [13】纪洪广，王金安，蔡美峰.冲击地压事件物理特征与几何特 研究，对华亭煤矿急倾斜特厚煤层开采产生动力灾 征相关性与统一性.煤炭学报，2003,28(1)：31 害的原因进行了深入分析，探索特殊地质构造环境 [14]Cai M F.Ji HG.Wang J A.Study of the time-space"strength relation for mining seismicity at Laohutai coal mine and predic- 下的大尺度采空区的煤岩动力失稳特征及规律，为 tion.Int J Rock Mech Min Sci.2005.42(1)145 今后的理论研究、数值模拟及进一步提高动力学灾 [15]章梦涛，我国冲击地压预测和防治，辽宁工程技术大学学 害预报的时、空、强精度提供了必要的条件，也为深 报，2001,20(4)：434 部急斜特厚煤层开采诱发动力学失稳短临预报和灾 (下转第24页) 变源的精确识别提供了新的思路
动压的发生提供了应力条件．另外由于开采形成 空区尺度较大采空区集中在一个较小的区域内上 覆岩层活动相当激烈必然造成强烈的应力集中． 在这样小的层间距和开采区域内多层同采同掘必 然造成采动影响相互叠加并耦合作用更加剧了动 力破坏程度． 综合分析认为华亭煤矿发生动压灾害的主要 原因是：（1）井田范围小开采强度大且煤岩具有一 定的冲击倾向性；（2）采深的加大使煤岩体中的原岩 应力增加；（3）原岩应力场中存在较高的水平构造应 力作用；（4）多阶段同采同掘使采动相互影响严重 造成高应力叠加；（5）开采使顶底板岩层悬臂长度增 大储存的能量和垮断时释放的能量增加． 开采动力现象大多是岩体应力、变形和破坏产 生局部化演变的结果例如煤（矿）柱、采空区大规模 坍塌造成的动力灾害．许多动力灾害构成具有突发 性如冲击地压、矿震和岩爆由于地质环境、应力环 境和开采因素的复杂性和多样性在动力灾害的宏 观和局部区域定量预报方面至今仍是世界级难 题［13—15］．建立有效的灾害危险区域评价和监测体 系通过岩体稳定性演化过程中“多维信息”的探测 和分析追踪灾害的孕育过程最终将实现灾害的定 位和预报． 4 结论 华亭煤矿深部厚煤层处于区域地震频发带井 田范围小开采强度大由于地质环境、应力环境和 开采因素的复杂性和多样性开采过程中动力破坏 频繁并诱致衍生灾害．通过现场综合调查及综合 研究对华亭煤矿急倾斜特厚煤层开采产生动力灾 害的原因进行了深入分析探索特殊地质构造环境 下的大尺度采空区的煤岩动力失稳特征及规律为 今后的理论研究、数值模拟及进一步提高动力学灾 害预报的时、空、强精度提供了必要的条件也为深 部急斜特厚煤层开采诱发动力学失稳短临预报和灾 变源的精确识别提供了新的思路． 参 考 文 献 ［1］ 谢和平左建平．岩石断裂破坏的声发射机理初探∥谢和平 彭苏平何满潮．深部开采基础理论与工程实践．北京：科学 出版社2006 ［2］ 何满潮．深部开采岩石力学现状及其展望∥第八次全国岩石 力学与工程学术大会论文集．北京：科学出版社2004 ［3］ 周宏伟谢和平左建平．深部高地应力下岩石力学行为研究 进展．力学进展200535（1）：91 ［4］ 西安科技大学甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿．华亭煤 矿急倾斜特厚煤层开采动力灾害预测及安全防御技术研究． 西安：西安科技大学2006 ［5］ 甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿天地科技股份有限公 司开采事业部．急倾斜特厚煤层深部开采矿压规律研究与应 用技术．华亭：甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿2004 ［6］ 杨世杰．华亭煤矿复杂环境下厚煤层开采动力灾害预报研究 ［学位论文］．西安：西安科技大学2006 ［7］ Lai X PCai M FXie M W．In situ monitoring and analysis of rock mass behavior prior to collapse of the main transport roadway in Linglong Gold MineChina．Int J Rock Mech Min Sci2006 43（4）：640 ［8］ Locker D A．The role of AE in the study of rock failure．Int J Rock Mech Min Sci199330（7）：883 ［9］ Tang C ALiu HLee P K Ket al．Numerical tests on micro relationship of rock failure under uniaxial compression—Part Ⅰ： Effect of heterogeneity．Int J Rock Mech Min Sci200037 （4）：555 ［10］ 吴立新王金庄．煤岩受压红外热象与辐射温度特征实验研 究．中国科学 D 辑199828（1）：41 ［11］ 王恩元何学秋．煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究．地球 物理学报200043（1）：131 ［12］ 来兴平伍永平任奋华等．西部矿区深部复杂应力环境 下 EDZ 松软岩层力学特性实验与监测分析．北京科技大学 学报200628（4）：316 ［13］ 纪洪广王金安蔡美峰．冲击地压事件物理特征与几何特 征相关性与统一性．煤炭学报200328（1）：31 ［14］ Cai M FJi H GWang J A．Study of the time-space-strength relation for mining seismicity at Laohutai coal mine and prediction．Int J Rock Mech Min Sci200542（1）：145 ［15］ 章梦涛．我国冲击地压预测和防治．辽宁工程技术大学学 报200120（4）：434 （下转第24页） ·4· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
.24. 北京科技大学学报 第29卷 redox potential,SO concentration and ferrous oxidation rate with time in bio culture as well as in bioleaching of chalcopyrite concentrate were elucidated.The bioleaching experiments show that using the trained sulfolobus strains at 75C in the shake blasting when the slurry mass fraction is below 10%,the chalcopyrite concentrate leaching rate could up to 90%after 150 h leaching.But when slurry mass fraction is up to 15%.after 350h leaching,the leaching rate is only 80%.It demonstrates that the slurry mass fraction has apparently effect on the leaching results. KEY WORDS biohydrometallurgy;chalcopyrite concentrate;bioleaching:thermophilic microorganism; solfolobus (上接第4页) Dynamical destabilization analysis of steep and heavy thick coal seam in a deep mine under the complex variable environment based on AE ZHANG Lijie),CAI Meifeng,LAI Xingping23),ZHANG Yong23),ZHA NG Haiyan2),LV Zhao hai23),REN Fenhua) 1)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Xi'an University of Science and Technology.Xi'an 710054.China 3)Key Lab for Western Safe Mining &Hacard Control.the Ministry of Education of China.Xi'an 710054.China ABSTRACT The No.5 coal of Huating Coal Mine in China is a deep and heavy thick coal seam.In the coal seam,the dependence of excavation and disturbance is very serious,the difference between the maximum and minimum principal stress levels is greater,and there are frequent destabilizations leading to hazards during min- ing.Based on the comparison of the acoustic emission(AE)experiment of coal-rock unstable crack propagation and destabilization with their in situ measurement,this paper investigated the regularity of various dynamics load and comprehensively analyzed the quantificational destabilization characters including variable dynamical specific energy of tension,resistance to compression,and proportional limit of shear under the complex variable excavation and geological environment. KEY WORDS heavy thick coal seam;acoustic emission (AE);complex variable environment;large scale mined-out area;dynamical destabilization
redox potentialSO 2— 4 concentration and ferrous oxidation rate with time in bio culture as well as in bioleaching of chalcopyrite concentrate were elucidated．The bioleaching experiments show that using the trained sulfolobus strains at 75℃ in the shake blasting when the slurry mass fraction is below 10％the chalcopyrite concentrate leaching rate could up to 90％ after 150h leaching．But when slurry mass fraction is up to 15％after 350h leachingthe leaching rate is only 80％．It demonstrates that the slurry mass fraction has apparently effect on the leaching results． KEY WORDS biohydrometallurgy；chalcopyrite concentrate；bioleaching；thermophilic microorganism； solfolobus （上接第4页） Dynamical destabilization analysis of steep and heavy thick coal seam in a deep-mine under the complex-variable environment based on AE ZHA NG L ijie 12）CAI Meifeng 1）LAI Xingping 23）ZHA NG Yong 23）ZHA NG Haiyan 2）LV Zhaohai 23）REN Fenhua 1） 1） Civil and Environmental Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Xi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China 3） Key Lab for Western Safe Mining ＆ Hazard Controlthe Ministry of Education of ChinaXi’an710054China ABSTRACT The No．5coal of Huating Coal Mine in China is a deep and heavy thick coal seam．In the coal seamthe dependence of excavation and disturbance is very seriousthe difference between the maximum and minimum principal stress levels is greaterand there are frequent destabilizations leading to hazards during mining．Based on the comparison of the acoustic emission （AE） experiment of coa-l rock unstable crack propagation and destabilization with their in-situ measurementthis paper investigated the regularity of various dynamics load and comprehensively analyzed the quantificational destabilization characters including variable dynamical specific energy of tensionresistance to compressionand proportional limit of shear under the complex-variable excavation and geological environment． KEY WORDS heavy thick coal seam；acoustic emission （AE）；complex-variable environment；large scale mined-out area；dynamical destabilization ·24· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
