煤矿冲击性灾害类型实验研究

D01:10.13374.ism1001053x.2009.01.001 第31卷第1期 北京科技大学学报 Vol.31 No.I 2009年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2009 煤矿冲击性灾害类型实验研究 李长洪12)张吉良12)蔡美峰12张磊12) 林清华) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为了充分了解煤矿冲击性灾害的发生机理.探讨了阴室开挖前后应力分布及其变化规律.结合原始地应力数据.通 过室内岩石力学模拟实验，获得了不同岩性特征及受力状态下，岩石破坏的不同表现模式.根据酮室围岩破裂源的空间位置. 将冲击灾害划分为岩爆、冲击地压和矿震三大类.分析了三类冲击灾害的发生机理、孕育过程及宏观特征， 关键词地应力：岩爆冲击地压：矿震：刚性实验 分类号TU458.3:TU459.4 Simulating test research of impacting disasters in coal mines LI Chang-hong.ZHANGJi-liang.CAI Mei-feng.ZHANG Lei.LIN Qing-hua2 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of Chima for Highefficient Mining and Safety of Metal Mines.University of Science and Technology Beijing.Bijng 100083.China 2)School of Civil and Envimnment Engineering University of Science and Technobgy Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The law of stress distribution and its variation in rock roadw ay before and after excavation were studied so as to probe clearly the mechanism of impacting disasters in coal mines Based on original imsitu stress data,rock damage modes under different rock characteristics and stress states were obtained by indoor rock mechanics simulation test.According to the location of mupture sources,impacting disasters had been divided into rock burst,pressure bump and mine earthquake.The mechanism,process and macro-characteristics of the three kinds of impacting disasters were analy zed. KEY WORDS imsitu stress rock burst;pressure bump:mine earthquake:rigid test 自1738年英国的南斯塔福锡矿山发生首次岩 的应力集中情况如图1所示.对于坚硬围岩而 爆以来，岩爆的定义就一直没得到统一，目前大体分 言，垂直岩壁方向的应力释放而平行岩壁方向的应 两种：一种认为只要岩体破坏时有声响，产生片帮、 力增加，越接近表面越显著，因此硐壁表面岩石单元 爆裂剥落甚至弹射等现象，有新鲜破裂面即可称为 应力集中值最高，如图1(a)所示，受力情况类似单 岩爆（以挪威专家Russenes为代表）：另一种观点则 轴加载.在较软岩体中，由于酮壁表层岩体的塑性 认为只有产生弹射、抛掷性破坏时才能称为岩爆，而 流变或剪切破坏，使硐壁岩体的承载力下降，应力集 无动力弹射现象的破裂属于静态下的脆性破坏（以 中最高值向围岩内部转移，通常在塑性破坏区与弹 中国专家谭以安等为代表)刂.关于岩爆的机理则 性区的交界面上，如图1(b)所示.在围岩深处，由于 是众说纷纭.本文根据岩石的受力环境、现场采样 原始应力受硐室开挖的影响较小，岩石仍处于原应 及室内力学模拟实验，研究岩石在不同受力环境中 力下的三轴受压状态 的破坏模式，进而分析煤矿冲击性灾害的发生机理. 根据以上分析，酮室围岩不同区域内岩石的受 1岩爆实验研究的基本设想 力状态不同：表层岩石处于单轴受压状态：较深部位 岩石处于酮室径向卸载一酮室周向加载状态：深处 根据地应力分布规律可知，地下圆形硐室周围 岩石处于三轴受压状态.根据该机理，可以分别用 收稿日期：2007-11-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50074002) 作者简介：李长洪(1962一），男，教授，博士生导师，E-maik lch@ces.ustb.edu.cm

煤矿冲击性灾害类型实验研究 李长洪1, 2) 张吉良1, 2) 蔡美峰1, 2) 张 磊1, 2) 林清华2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 为了充分了解煤矿冲击性灾害的发生机理, 探讨了硐室开挖前后应力分布及其变化规律.结合原始地应力数据, 通 过室内岩石力学模拟实验, 获得了不同岩性特征及受力状态下, 岩石破坏的不同表现模式.根据硐室围岩破裂源的空间位置, 将冲击灾害划分为岩爆、冲击地压和矿震三大类.分析了三类冲击灾害的发生机理、孕育过程及宏观特征. 关键词 地应力;岩爆;冲击地压;矿震;刚性实验 分类号 TU 458 +.3 ;TU 459 +.4 Simulating test research of impacting disasters in coal mines LI Chang-hong 1, 2) , ZHANG Ji-liang 1, 2) , CAI Mei-feng 1, 2) , ZHANG Lei 1, 2) , LIN Qing-hua 2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of C hina f or High-efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Environment Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The law of stress distribution and its variation in rock roadw ay befo re and after excava tio n were studied so as to probe clearly the mechanism of impacting disasters in coal mines.Based on original in-situ stress data, rock damage modes under different rock characteristics and stress states were obtained by indoor rock mechanics simulation test .According to the location of rupture sources, impacting disasters had been divided into rock burst, pressure bump and mine earthquake.The mechanism, process and macro-characteristics of the three kinds of impacting disasters were analy zed. KEY WORDS in-situ stress;rock burst ;pressure bump ;mine earthquake;rigid test 收稿日期:2007-11-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50074002) 作者简介:李长洪( 1962—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:lch@ces.ustb.edu.cn 自 1738 年英国的南斯塔福锡矿山发生首次岩 爆以来, 岩爆的定义就一直没得到统一, 目前大体分 两种:一种认为只要岩体破坏时有声响, 产生片帮 、 爆裂剥落甚至弹射等现象, 有新鲜破裂面即可称为 岩爆( 以挪威专家 Russenes 为代表) ;另一种观点则 认为只有产生弹射、抛掷性破坏时才能称为岩爆, 而 无动力弹射现象的破裂属于静态下的脆性破坏( 以 中国专家谭以安等为代表) [ 1] .关于岩爆的机理则 是众说纷纭 .本文根据岩石的受力环境 、现场采样 及室内力学模拟实验, 研究岩石在不同受力环境中 的破坏模式, 进而分析煤矿冲击性灾害的发生机理 . 1 岩爆实验研究的基本设想 根据地应力分布规律可知, 地下圆形硐室周围 的应力集中情况如图 1 所示[ 2] .对于坚硬围岩而 言, 垂直岩壁方向的应力释放而平行岩壁方向的应 力增加, 越接近表面越显著, 因此硐壁表面岩石单元 应力集中值最高, 如图 1( a) 所示, 受力情况类似单 轴加载.在较软岩体中, 由于硐壁表层岩体的塑性 流变或剪切破坏, 使硐壁岩体的承载力下降, 应力集 中最高值向围岩内部转移, 通常在塑性破坏区与弹 性区的交界面上, 如图 1( b) 所示 .在围岩深处, 由于 原始应力受硐室开挖的影响较小, 岩石仍处于原应 力下的三轴受压状态. 根据以上分析, 硐室围岩不同区域内岩石的受 力状态不同 :表层岩石处于单轴受压状态 ;较深部位 岩石处于硐室径向卸载-硐室周向加载状态;深处 岩石处于三轴受压状态 .根据该机理, 可以分别用 第 31 卷 第 1 期 2009 年 1 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.1 Jan.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.01.001

”2 北京科技大学学报 第31卷 国2o 平行硐壁方向的应力分布曲线 平行酮壁方向的应力分布曲线 降围压一增轴压实验模拟对象图 C. 垂直弱壁方向的应力分布曲线 垂直硐壁方向的应力分布曲线 与酮室中心的距离，rm 与弱室中心的距离，r/m 周定围压刚性实验模拟对象 单轴刚性实验模拟对象~ 单轴刚性实验模拟对象 1-2一塑性破坏区： 3-4一弹性区：1一松动区： 2~3一承载区：4一原岩应力区 ()坚硬弹性岩体中圆形酮室围岩应力集中示意图 (b)软弱弹塑性岩体中圆形雨室围岩应力集中示意图 图1阴室周围应力集中规律示意图 Fig I Stress concentmation around a cavern 单轴刚性实验、三轴降围压一增轴压实验和三轴固 压作用将侧翼岩块挤出，引发平行于样品轴向的一 定围压实验进行岩石单元的受力过程和破坏模式的 系列拉张裂纹（如图2）·值得注意的是，岩石越软弱 实验研究. 则X型剪切破坏越普遍.对五矿1而言，岩石强度 为客观反映现场情况，在大同矿区主巷道内选 较大，脆性较高，破坏模式均表现为拉张，几乎没有 择了四个测点开展原始地应力测量)，同时在测点 表1单轴刚性压缩实验数据记录 现场采集岩石样品进行室内力学实验，并根据巷道 Table 1 Data records of uniaxial rigid compression test 形状及尺寸进行数值计算.结果表明：一矿和三矿 地应力 样品 单样强度/ 平均强度/ 破坏 测点处巷道围岩的稳定性较好，五矿测点处巷道围 测点 编号 MPa M Pa 模式 岩发生了一定程度的塑性破坏，其中五矿1测点处 A05 67.58 剪切 一矿 5813 围岩破坏较为显著，现场调查得知曾发生过岩石弹 A01 48.68 剪切 射和片帮等轻微岩爆，数值计算和现场情况比较吻 B02 45.44 剪切 三矿 4812 合.为了深入了解岩爆发生过程，开展了室内岩石 B01 50.80 剪切 力学实验研究. C03 27.87 拉张 五矿1 K05 109.08 49.43 拉张 2单轴刚性压缩实验及冲击性倾向分析 K10 11.35 拉张 实验采用GAW一2000型微机控制电液伺服刚 D01 73.34 剪切 五矿2 55.35 性压力试验机完成，所选样品均为直径40mm、高 D02 37.36 剪切 80mm的圆柱形岩石试样.主要完成三项任务：(1) 注：声发射规律为，压密段强度为峰值强度的约10%破裂发有 通过压力和位移两种控制方式精确施加轴压，得到 段强度为峰值强度的80%。 岩石全应力一应变曲线：(2)借助声发射装置接收样 品发出的信号，分析微裂隙的发育和扩展特征；(3) 详细记录样品的破裂现象以明确岩石破坏模式.实 验结果见表1. 由表1可知，同一测点处岩石强度值的离散性 均较大，尤其是五矿1更为严重：这是由于五矿1处 完整岩样比较难取，节理和微裂隙普遍发育.从岩 石破坏模式看，一矿、三矿和五矿2的岩石均属剪切 破坏，且X型剪切破坏比较普遍，局部尤其是样品 图2X型剪切破坏中的瑞部效应及其引发的拉张破坏示意图 侧翼还有显著的拉张属性：这是由于端部效应在样 Fig.2 Sketching of endeffect in X-shear destruction and extension- 品两端产生对称的锥形剪切面，两个相对锥体的挤 al destruction

图 1 硐室周围应力集中规律示意图 Fig.1 Stress concentration around a cavern 单轴刚性实验、三轴降围压-增轴压实验和三轴固 定围压实验进行岩石单元的受力过程和破坏模式的 实验研究 . 为客观反映现场情况, 在大同矿区主巷道内选 择了四个测点开展原始地应力测量[ 3] , 同时在测点 现场采集岩石样品进行室内力学实验, 并根据巷道 形状及尺寸进行数值计算.结果表明:一矿和三矿 测点处巷道围岩的稳定性较好, 五矿测点处巷道围 岩发生了一定程度的塑性破坏, 其中五矿 1 测点处 围岩破坏较为显著, 现场调查得知曾发生过岩石弹 射和片帮等轻微岩爆, 数值计算和现场情况比较吻 合.为了深入了解岩爆发生过程, 开展了室内岩石 力学实验研究. 2 单轴刚性压缩实验及冲击性倾向分析 实验采用 GAW-2000 型微机控制电液伺服刚 性压力试验机完成, 所选样品均为直径 40 mm 、高 80 mm 的圆柱形岩石试样 .主要完成三项任务 :( 1) 通过压力和位移两种控制方式精确施加轴压, 得到 岩石全应力-应变曲线;( 2) 借助声发射装置接收样 品发出的信号, 分析微裂隙的发育和扩展特征;( 3) 详细记录样品的破裂现象以明确岩石破坏模式 .实 验结果见表 1 . 由表 1 可知, 同一测点处岩石强度值的离散性 均较大, 尤其是五矿 1 更为严重;这是由于五矿 1 处 完整岩样比较难取, 节理和微裂隙普遍发育.从岩 石破坏模式看, 一矿 、三矿和五矿 2 的岩石均属剪切 破坏, 且 X 型剪切破坏比较普遍, 局部尤其是样品 侧翼还有显著的拉张属性;这是由于端部效应在样 品两端产生对称的锥形剪切面, 两个相对锥体的挤 压作用将侧翼岩块挤出, 引发平行于样品轴向的一 系列拉张裂纹( 如图2) .值得注意的是, 岩石越软弱 则 X 型剪切破坏越普遍 .对五矿 1 而言, 岩石强度 较大, 脆性较高, 破坏模式均表现为拉张, 几乎没有 表1 单轴刚性压缩实验数据记录 Table 1 Dat a records of uniaxial ri gid compression test 地应力 测点 样品 编号 单样强度/ MPa 平均强度/ M Pa 破坏 模式 一矿 A05 67.58 58.13 剪切 A01 48.68 剪切 三矿 B02 45.44 48.12 剪切 B01 50.80 剪切 C03 27.87 拉张 五矿 1 K05 109.08 49.43 拉张 K10 11.35 拉张 五矿 2 D01 73.34 55.35 剪切 D02 37.36 剪切 注:声发射规律为,压密段强度为峰值强度的约 10%, 破裂发育 段强度为峰值强度的 80%. 图 2 X 型剪切破坏中的端部效应及其引发的拉张破坏示意图 Fig.2 S ket ching of end-effect in X-shear destruction and extension￾al destruction · 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第1期 李长洪等：煤矿冲击性灾害类型实验研究 。3。 端部效应引起的锥体发育.若非原始节理发育，强 于岩石的全应力应变曲线，计算公式为W=F1/ 度应在100MPa以上，属坚硬岩石.因此从岩石属 F2.式中W为冲击能指标，F1和F2分别为岩石 性上看，五矿1处发生岩爆的倾向性相对较高. 的全应力一应变曲线（如图3）图中以峰值荷载为界 根据岩爆倾向理论可知，岩石冲击能指标取决 的左右部分曲线与应变坐标轴围成的面积9. 80 100 80 40 6 40 0.1 0.2 03 0.4 0.050.100.150.200.25030 轴向应变/% 轴向应变% (a)一矿-样品D11-05单轴刚性实验 (b)三矿一样品D31-02单轴刚性实验 160m 80 80 40 20 0.050.100.15 0.20 00 0.1020.30.40.50.60.7 轴向应变% 轴向应变% (©)五矿1-样品K05单轴刚性实验 (d五矿2-样品D52-01单轴刚性实验 图3四个测点处样品的单轴全应力小应变曲线图 Fig.3 Uniaxial stssstrain curves of samples at four measuring points 由图3中曲线获得冲击能指标W:一矿为 表2大同矿区地应力测点处岩石B系数计算结果 3.09,三矿为6.47，五矿1为9.98，五矿2为7.23. Table 2 Calculated results of factor B of rock in Datong Mine 于是得到四个测点处岩石的冲击能指标的排序：五 地应力 平均抗压 平均抗拉 脆性 岩爆 矿五矿2>三矿>一矿. 测点 强度/MPa 强度/MPa 系数 倾向 单轴实验中轴向加载速率为0.01 mm'min1, 一矿 5813 2553 22949 中等岩爆 三矿 48.12 3.241 14991 中等岩爆 计数间隔为2s.分析上图，五矿1和五矿2测点处 五矿1 49.43 5.486 9.010 强岩爆 样品破坏迅速，以至于破坏瞬间记录的数据点间隔 五矿2 55.35 3.576 15.478 中等岩爆 很大.尤其是五矿1测点处样品(K05)的W值最 大，峰后强度几乎瞬时下降.可见，五矿1岩爆倾向 3三轴降围压一增轴压刚性实验 性更高习 岩石的单轴抗压强度与抗拉强度之比称为脆性 3.1实验要求 系数，记为B=oJo.式中B为岩石的脆性系数： 为了客观反映岩爆的孕育和发展过程，对三轴 oe为单轴抗压强度，MPao1为单轴抗拉强度， 降围压一增轴压实验做出如下要求. M Pal. ()初始应力条件：给岩石样品施加一定的初 国内外己有研究表明：(1)B>40,无岩爆； 始围压和轴压，初始围压值选择巷道开挖前原始地 (2)B=40~267,弱岩爆：(3)B=26.7~14.5,中 应力的竖向主应力或中间主应力值，初始轴压选择 等岩爆；(4④B<14.5,强岩爆.根据实验结果，各测 巷道最大原始主应力值. 点岩石的脆性系数列于表2. (2)加卸载同步要求：考虑到岩爆是应力释放 由表2可知，各测点处岩石均具有一定的岩爆 和集中共同作用的结果，要求各方向应力变化必须 倾向，尤其是五矿1测点处岩石具有强岩爆的潜在 同步，即围压匀速下降而轴压同步增加，且保证围压 属性，只要应力条件足够，极可能发生岩爆 降低至零或接近零的瞬间，轴压恰好达到岩石最大

端部效应引起的锥体发育.若非原始节理发育, 强 度应在 100 MPa 以上, 属坚硬岩石 .因此从岩石属 性上看, 五矿 1 处发生岩爆的倾向性相对较高 . 根据岩爆倾向理论可知, 岩石冲击能指标取决 于岩石的全应力-应变曲线, 计算公式为 Wcf =F1/ F2 .式中 Wcf为冲击能指标, F1 和 F2 分别为岩石 的全应力-应变曲线( 如图 3) 图中以峰值荷载为界 的左右部分曲线与应变坐标轴围成的面积[ 4] . 图 3 四个测点处样品的单轴全应力-应变曲线图 Fig.3 Uniaxial stress-strain curves of samples at f our measuring points 由图 3 中曲线获得冲击能指标 Wcf :一矿为 3.09, 三矿为 6.47, 五矿 1 为 9.98, 五矿 2 为 7.23 . 于是得到四个测点处岩石的冲击能指标的排序 :五 矿 1 >五矿 2 >三矿 >一矿. 单轴实验中轴向加载速率为 0.01 mm·min -1 , 计数间隔为 2 s .分析上图, 五矿 1 和五矿 2 测点处 样品破坏迅速, 以至于破坏瞬间记录的数据点间隔 很大.尤其是五矿 1 测点处样品( K05) 的 Wcf值最 大, 峰后强度几乎瞬时下降.可见, 五矿 1 岩爆倾向 性更高 [ 5] . 岩石的单轴抗压强度与抗拉强度之比称为脆性 系数, 记为 B =σc/ σt .式中 B 为岩石的脆性系数 ; σc 为单轴抗压强度, M Pa;σt 为单轴抗拉强度, M Pa [ 6] . 国内外已有研究表明[ 7-8] :( 1) B >40, 无岩爆 ; ( 2) B =40 ～ 26.7, 弱岩爆 ;( 3) B =26.7 ～ 14.5, 中 等岩爆;( 4) B <14.5, 强岩爆 .根据实验结果, 各测 点岩石的脆性系数列于表 2 . 由表 2 可知, 各测点处岩石均具有一定的岩爆 倾向, 尤其是五矿 1 测点处岩石具有强岩爆的潜在 属性, 只要应力条件足够, 极可能发生岩爆. 表 2 大同矿区地应力测点处岩石 B 系数计算结果 Table 2 Calculat ed results of f act or B of rock in Dat ong Mine 地应力 测点 平均抗压 强度/ MPa 平均抗拉 强度/ MPa 脆性 系数 岩爆 倾向 一矿 58.13 2.553 22.949 中等岩爆 三矿 48.12 3.241 14.991 中等岩爆 五矿 1 49.43 5.486 9.010 强岩爆 五矿 2 55.35 3.576 15.478 中等岩爆 3 三轴降围压-增轴压刚性实验 3.1 实验要求 为了客观反映岩爆的孕育和发展过程, 对三轴 降围压-增轴压实验做出如下要求. ( 1) 初始应力条件 :给岩石样品施加一定的初 始围压和轴压, 初始围压值选择巷道开挖前原始地 应力的竖向主应力或中间主应力值, 初始轴压选择 巷道最大原始主应力值 . ( 2) 加卸载同步要求 :考虑到岩爆是应力释放 和集中共同作用的结果, 要求各方向应力变化必须 同步, 即围压匀速下降而轴压同步增加, 且保证围压 降低至零或接近零的瞬间, 轴压恰好达到岩石最大 第 1 期 李长洪等:煤矿冲击性灾害类型实验研究 · 3 ·

4 北京科技大学学报 第31卷 承载力使其压破.此时将获得的抗压强度值称为临 提下算出加载耗时，进而求得围压的卸载速率 界抗压强度，即确保岩爆得以孕育和发展的最低应 (4多次预设目标值：轴向加载目标值是事先 力集中值.该值应大于单轴抗压强度而小于固定围 预设的，而在达到该目标值时岩石可能仍然完好，轴 压下的强度 向应力则会稳定在目标值而围压已下降为零.为了 (3)快速加卸载要求：岩爆是个快速爆发过程， 得到恰好使岩石破坏时对应的加载目标值，需要预 应力释放和集中进行迅速，为此选择仪器所能提供 设多个轴压目标值，并分别算出对应的加卸载参数 的最大轴向加载速率800N·s1.同时为确保卸围（见表3），再反复加载，直至获得恰好使岩石破裂的 压和增轴压同步，在预设一个轴向加载目标值的前 轴压目标值为止. 表3三轴降围压一增轴压实验条件及参数设置 Table 3 Parameters in triaxial test of reducing the confining pressure and increasing the axial pressure 实验计划 实验前条件要求 实验过程参数设置 测点 轴压目标值， 轴压目标值， 初始围压， 初始轴压， 初始轴力 轴力变化. 最终轴力， 加载耗时， 围压卸载速率。 P2 Py/MPa G/MPa P/MPa F/N △FIN F2/N t/s d/(kPa's) 60。 45.00 7.50 1205 57148 508052 56520.0 635 1181 80= 6000 7.50 1205 57148 696452 75360.0 87.1 861 100a 75.00 7.50 1205 57148 88485.2 942000 1106 67.8 120。 9000 7.50 1205 57148 107325.2 1130400 1342 559 14o。 105.00 7.50 1205 57148 126165.2 131880.0 157.7 47.6 160。 12000 7.50 1205 57148 145005.2 150720.0 1813 414 60. 41.46 691 1236 68452 452286 52073.8 565 1222 80. 5530 691 1236 68452 625865 69431.7 782 884 100。 69.10 691 1236 6845.2 799444 86789.6 99.9 692 三 120。 8292 691 1236 6845.2 973023 104147.5 121.6 568 14。 9674 691 1236 6845.2 1146602121505.4 1433 482 160。 11056 691 1236 6845.2 1320182 138863.4 165.0 419 6加。 4374 7.29 1295 7109.0 478285 54937.5 59.8 121.9 80. 5832 7.29 1295 7109.0 66141.0 73250.0 827 881 100。 7290 7.29 1295 7109.0 844534 915624 105.6 69.0 五矿1 120m 87.48 7.29 1295 7109.0 1027659 109874.9 1285 567 140a 10206 7.29 1295 7109.0 1210784 128187.4 151.3 482 160。 11664 7.29 1295 7109.0 1393909 146499.8 1742 41.8 60. 5244 874 13.11 54887 603759 65864.6 755 1158 80. 69.92 874 13.11 54887 823308 87819.5 1029 849 10加。 87.40 874 13.11 54887 1042857 109774.4 1304 67.0 五矿2 120。 10488 874 1311 54887 1262406 131729.3 157.8 55.4 140。 12236 874 1311 54887 148195.4 1536842 185.2 47.2 16c. 139.84 874 13.11 54887 1701503175639.0 2127 41.1 (5)降低岩石疲劳度：反复加载实验会给样品 3).由于受试样数量限制，必须充分利用现有试样 造成一定程度的疲劳，以至其原始力学参数发生变 同时避免无限次的加卸载操作，采用折中方案，要求 化，为避免此情况必须降低加载重复率.由数值模 同一试样的反复加载次数不得超过三次，若三次加 拟结果可知，巷道应力集中最高值约为原始围压值 载后试件仍未破坏则必须舍弃该样品，选择同一测 的6倍.本实验从6倍初始围压算起，选取6~16 点的其他样品代替并继续实验. 倍围压中最接近理想目标值的数值进行实验（见表 (6样品过早破坏时目标值的调整：理论上讲

承载力使其压破 .此时将获得的抗压强度值称为临 界抗压强度, 即确保岩爆得以孕育和发展的最低应 力集中值 .该值应大于单轴抗压强度而小于固定围 压下的强度. ( 3) 快速加卸载要求:岩爆是个快速爆发过程, 应力释放和集中进行迅速, 为此选择仪器所能提供 的最大轴向加载速率 800 N·s -1 .同时为确保卸围 压和增轴压同步, 在预设一个轴向加载目标值的前 提下算出加载耗时, 进而求得围压的卸载速率. ( 4) 多次预设目标值 :轴向加载目标值是事先 预设的, 而在达到该目标值时岩石可能仍然完好, 轴 向应力则会稳定在目标值而围压已下降为零.为了 得到恰好使岩石破坏时对应的加载目标值, 需要预 设多个轴压目标值, 并分别算出对应的加卸载参数 ( 见表 3) , 再反复加载, 直至获得恰好使岩石破裂的 轴压目标值为止. 表 3 三轴降围压-增轴压实验条件及参数设置 Table 3 Paramet ers in triaxial test of reducing the confining pressure and increasing the axial pressure 测点 实验计划 实验前条件要求 实验过程参数设置 轴压目标值, P 2 轴压目标值, P2/ MPa 初始围压, σa/ MPa 初始轴压, P 1/ MPa 初始轴力, F 1/ N 轴力变化, ΔF/ N 最终轴力, F 2/N 加载耗时, t/ s 围压卸载速率, σ′a / ( kPa·s -1 ) 6σa 45.00 7.50 12.05 5 714.8 50 805.2 5 6520.0 63.5 118.1 8σa 60.00 7.50 12.05 5 714.8 69 645.2 75 360.0 87.1 86.1 一矿 10σa 75.00 7.50 12.05 5 714.8 88 485.2 94 200.0 110.6 67.8 12σa 90.00 7.50 12.05 5 714.8 107 325.2 113 040.0 134.2 55.9 14σa 105.00 7.50 12.05 5 714.8 126 165.2 131 880.0 157.7 47.6 16σa 120.00 7.50 12.05 5 714.8 145 005.2 150 720.0 181.3 41.4 6σa 41.46 6.91 12.36 6 845.2 45 228.6 52 073.8 56.5 122.2 8σa 55.30 6.91 12.36 6 845.2 62 586.5 69 431.7 78.2 88.4 三矿 10σa 69.10 6.91 12.36 6 845.2 79 944.4 86 789.6 99.9 69.2 12σa 82.92 6.91 12.36 6 845.2 97 302.3 104 147.5 121.6 56.8 14σa 96.74 6.91 12.36 6 845.2 114 660.2 121 505.4 143.3 48.2 16σa 110.56 6.91 12.36 6 845.2 132 018.2 138 863.4 165.0 41.9 6σa 43.74 7.29 12.95 7 109.0 47 828.5 54 937.5 59.8 121.9 8σa 58.32 7.29 12.95 7 109.0 66 141.0 73 250.0 82.7 88.1 五矿 1 10σa 72.90 7.29 12.95 7 109.0 84 453.4 91 562.4 105.6 69.0 12σa 87.48 7.29 12.95 7 109.0 102 765.9 109 874.9 128.5 56.7 14σa 102.06 7.29 12.95 7 109.0 121 078.4 128 187.4 151.3 48.2 16σa 116.64 7.29 12.95 7 109.0 139 390.9 146 499.8 174.2 41.8 6σa 52.44 8.74 13.11 5 488.7 60 375.9 65 864.6 75.5 115.8 8σa 69.92 8.74 13.11 5 488.7 82 330.8 87 819.5 102.9 84.9 五矿 2 10σa 87.40 8.74 13.11 5 488.7 104 285.7 109 774.4 130.4 67.0 12σa 104.88 8.74 13.11 5 488.7 126 240.6 131 729.3 157.8 55.4 14σa 122.36 8.74 13.11 5 488.7 148 195.4 153 684.2 185.2 47.2 16σa 139.84 8.74 13.11 5 488.7 170 150.3 175 639.0 212.7 41.1 ( 5) 降低岩石疲劳度:反复加载实验会给样品 造成一定程度的疲劳, 以至其原始力学参数发生变 化, 为避免此情况必须降低加载重复率.由数值模 拟结果可知, 巷道应力集中最高值约为原始围压值 的6 倍.本实验从 6 倍初始围压算起, 选取 6 ～ 16 倍围压中最接近理想目标值的数值进行实验( 见表 3) .由于受试样数量限制, 必须充分利用现有试样 同时避免无限次的加卸载操作, 采用折中方案, 要求 同一试样的反复加载次数不得超过三次, 若三次加 载后试件仍未破坏则必须舍弃该样品, 选择同一测 点的其他样品代替并继续实验. ( 6) 样品过早破坏时目标值的调整:理论上讲, · 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第1期 李长洪等：煤矿冲击性灾害类型实验研究 5 轴压加载至目标值时样品恰好破坏的理想情况几乎 3.2实验结果分析 不可实现，更无法一次成功，为此设定一个围压区间 根据以上列出的加卸载参数表进行室内力学实 0~0.3MPa.若岩石提前破坏.且在破坏瞬间围压 验，将实验结果记录于表4.由表中数据可知，由于 值已接近于零(<03MPa),也认为实验成功，此时 围压的限制使各测点处岩石强度显著提高，同时降 将破坏瞬间对应的围压值称为临界围压：若临界围 低了单样间强度值的离散性.在破坏模式上均表现 压大于0.3MPa,则应降低预设目标值并选择同一 为向剪切破坏模式转变的趋势，且X型剪切破坏逐 测点的其他样品重做实验，直至满足上述要求为止. 渐减少而斜切型剪切破坏模式有所增加（如图4④）. 通过压力和位移两种控制方式，可获得岩石破 可见，围压是影响岩石强度和破坏属性的重要因素 坏过程中应力应变数据及力学关系曲线.结合数据 但从K02和K06样品看，由于围压较小且在破坏瞬 记录、关系曲线和样品破裂照片，既能测得岩石的主 间下降为零，仍不足以改变其拉张破坏的特征，再次 要力学参数，也能比较清晰地了解岩石破裂的过程 证明五矿1测点处岩爆发生的倾向性较高. 和机理. 表4三轴降围压一增轴压实验结果 Table 4 Results from triaxial test of reducing the confining pressure and increasing the axial pressure 地应力测点 样品编号 围压初始值/MPa 最终加截倍数 临界抗压强度/MPa 平均强度/MPa 破坏模式 A03 7.50 12 8620 剪切 矿 8486 A06 7.50 83.51 剪切 B07 691 12 8285 剪切 三矿 81.81 B08 691 12 8077 剪切 C02 7.29 6 10864 剪切 五矿1 K02 7.29 白 8653 9896 拉张 K06 7.29 女 101.70 拉张 D05 874 0 83.08 剪切 五矿2 8414 D06 874 四 85.20 剪切 之下，五矿1样品(D5一02)的临界强度值最高，虽 稍有屈服但表现不显著，且具有突然的脆性断裂特 征. 4三轴固定围压刚性实验 分析得知，围岩深处的原始地应力场受开挖的 扰动不明显，主要受地壳运动和大规模开采的影响. 由地壳运动的基本特征可知：构造运动常表现为区 图4斜切型剪切破坏滑移面 域性特定方向的应力逐步增加或降低，而其他方向 Fig.4 Oblique-shear destruction and slip surface 上变化甚微.为此选择固定围压下的三轴刚性实验 进行模拟.为真实反映现场情况，选择最小主应力 从应力一应变曲线上看（如图5：强度较低的塑 值为固定围压值.主要实验数据记录于表5. 性岩石在应力接近临界强度时会表现塑性流变属 由表5可知，固定围压条件使得各样品的强度 性，如样品D1一03和D3一07，其特点是临界强度 显著提高，同时降低了单样间强度值的离散性.在 值较低且岩石脆性较小：强度较低的脆性岩石应 岩石破坏模式上均表现为剪切破坏，且全部为斜切 力-应变曲线出现波动现象，如样品D52O5,反映了 型剪切破坏模式（如图4）.即使曾经表现为拉 原始裂隙的闭合和新裂隙的发育及扩展过程：相比 张破坏的五矿1岩石也转变为剪切，且强度猛增至

轴压加载至目标值时样品恰好破坏的理想情况几乎 不可实现, 更无法一次成功, 为此设定一个围压区间 0 ～ 0.3M Pa .若岩石提前破坏, 且在破坏瞬间围压 值已接近于零( <0.3 M Pa) , 也认为实验成功, 此时 将破坏瞬间对应的围压值称为临界围压;若临界围 压大于 0.3 M Pa, 则应降低预设目标值并选择同一 测点的其他样品重做实验, 直至满足上述要求为止 . 通过压力和位移两种控制方式, 可获得岩石破 坏过程中应力应变数据及力学关系曲线 .结合数据 记录 、关系曲线和样品破裂照片, 既能测得岩石的主 要力学参数, 也能比较清晰地了解岩石破裂的过程 和机理. 3.2 实验结果分析 根据以上列出的加卸载参数表进行室内力学实 验, 将实验结果记录于表 4 .由表中数据可知, 由于 围压的限制使各测点处岩石强度显著提高, 同时降 低了单样间强度值的离散性 .在破坏模式上均表现 为向剪切破坏模式转变的趋势, 且 X 型剪切破坏逐 渐减少而斜切型剪切破坏模式有所增加( 如图 4) . 可见, 围压是影响岩石强度和破坏属性的重要因素. 但从 K02 和 K06 样品看, 由于围压较小且在破坏瞬 间下降为零, 仍不足以改变其拉张破坏的特征, 再次 证明五矿 1 测点处岩爆发生的倾向性较高 . 表4 三轴降围压-增轴压实验结果 Table 4 Results from triaxial t est of reducing the confining pressure and increasing the axial pressure 地应力测点 样品编号 围压初始值/ MPa 最终加载倍数 临界抗压强度/M Pa 平均强度/ MPa 破坏模式 一矿 A03 7.50 12 86.20 84.86 剪切 A06 7.50 12 83.51 剪切 三矿 B07 6.91 12 82.85 81.81 剪切 B08 6.91 12 80.77 剪切 C02 7.29 16 108.64 剪切 五矿 1 K02 7.29 12 86.53 98.96 拉张 K06 7.29 14 101.70 拉张 五矿 2 D05 8.74 10 83.08 84.14 剪切 D06 8.74 10 85.20 剪切 图 4 斜切型剪切破坏滑移面 Fig.4 Oblique-shear destruction and slip surface 从应力-应变曲线上看( 如图 5) :强度较低的塑 性岩石在应力接近临界强度时会表现塑性流变属 性, 如样品 D11-03 和 D31-07, 其特点是临界强度 值较低且岩石脆性较小;强度较低的脆性岩石应 力-应变曲线出现波动现象, 如样品 D52-05, 反映了 原始裂隙的闭合和新裂隙的发育及扩展过程;相比 之下, 五矿 1 样品( D51-02) 的临界强度值最高, 虽 稍有屈服但表现不显著, 且具有突然的脆性断裂特 征 . 4 三轴固定围压刚性实验 分析得知, 围岩深处的原始地应力场受开挖的 扰动不明显, 主要受地壳运动和大规模开采的影响. 由地壳运动的基本特征可知 :构造运动常表现为区 域性特定方向的应力逐步增加或降低, 而其他方向 上变化甚微 .为此选择固定围压下的三轴刚性实验 进行模拟 .为真实反映现场情况, 选择最小主应力 值为固定围压值.主要实验数据记录于表 5 . 由表 5 可知, 固定围压条件使得各样品的强度 显著提高, 同时降低了单样间强度值的离散性 .在 岩石破坏模式上均表现为剪切破坏, 且全部为斜切 型剪切破坏模式 ( 如图 4) .即使曾经表现为拉 张破坏的五矿1岩石也转变为剪切, 且强度猛增至 第 1 期 李长洪等:煤矿冲击性灾害类型实验研究 · 5 ·

。6 北京科技大学学报 第31卷 100 90 60 20 30 o.I 0.10.20.30.40.5 96.160.1020.30.40.50.6070.80.91.0 轴向应变% 轴向应变% (a)一矿样品D11-03三轴变围压实验12g (b)三矿样品D31-07三轴变围压实验12c 120 90 60 0.1 0.2 0.5 0.8 6.100.1020.30.40.50.60.70.80.91.0 轴向应变% 轴向应变% (C)五矿1样品D51-02三轴变围压实验16G, (d五矿2样品D52-05三轴变围压实验10g 图5四个测点处样品的降围压一增轴压实验应力一应变曲线 Fig 5 Stress strain curves of samples in triaxial test of reducing the confining and incmeasing the axial pressure 表5三轴刚性压缩实验结果 199.97MPa.可见，围压条件足可以改变岩石的破 Table5 Results from triaxial rigid compression test 坏模式. 地应力 样品 围压 峰值 破坏 再由三轴实验的全应力一应变曲线可知（见 测点 编号 条件/MPa 强度/MPa 模式 图6，样品的残余强度明显高于单轴实验中的残余 一矿 A02 583 109.22 剪切 强度，约为三轴实验中峰值强度的1/5~1/2.而在 B04 637 116.12 剪切 三矿 单轴实验中普遍不足峰值强度的10%（见图3）.可 B05 637 116.56 剪切 见，围压的存在不仅改变了岩石的破坏模式，也大大 五矿1 K03 7.14 199.97 剪切 提高了岩石的残余强度.该残余强度在一定程度上 五矿2 D04 874 100.23 剪切 可以代替同一围压下的岩体抗压强度， 120 140 100 120 100 20 20 02 0.40.60.8 1.0 1.2 0.2 0.40.6 0.8 1.0 轴向应变% 轴向应变% (a)一样品D11-02三轴刚性实验 (b)三矿样品D31-05三轴刚性实验 250 100 80 60 40 50 0.2 04 0.6 轴向应变% 轴向应变% ()五矿1样品K03三轴刚性实验 (d)五矿2样品D52-04三轴刚性实验 图6四个测点处样品的三轴全应小应变曲线 Fig.6 Triaxial stressstrain curves of samples at four measuring points

图5 四个测点处样品的降围压-增轴压实验应力-应变曲线 Fig.5 Stress-strain curves of samples in triaxial t est of reducing the confining and increasing the axial pressure 表 5 三轴刚性压缩实验结果 Tabl e 5 Results from triaxial rigid compression test 地应力 测点 样品 编号 围压 条件/ MPa 峰值 强度/ MPa 破坏 模式 一矿 A02 5.83 109.22 剪切 三矿 B04 6.37 116.12 剪切 B05 6.37 116.56 剪切 五矿 1 K03 7.14 199.97 剪切 五矿 2 D04 8.74 100.23 剪切 199.97 MPa.可见, 围压条件足可以改变岩石的破 坏模式 . 再由三轴实验的全应力-应变曲线可知( 见 图 6) , 样品的残余强度明显高于单轴实验中的残余 强度, 约为三轴实验中峰值强度的 1/5 ～ 1/2, 而在 单轴实验中普遍不足峰值强度的 10 %( 见图 3) .可 见, 围压的存在不仅改变了岩石的破坏模式, 也大大 提高了岩石的残余强度 .该残余强度在一定程度上 可以代替同一围压下的岩体抗压强度 . 图 6 四个测点处样品的三轴全应力-应变曲线 Fig.6 Triaxial stress-strain curves of samples at f our measuring points · 6 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第1期 李长洪等：煤矿冲击性灾害类型实验研究 。7。 5受压岩体的破坏模式探讨 脆性特征，岩体必然会以弹射方式突然崩出，并伴随 巨大的脆性断裂声响，该类型冲击灾害即为岩爆. 根据以上实验得知，受压岩体的破坏模式主要 由于岩爆的破裂源位于围岩表层，因此其破坏 有如下特征：(1)岩石的单轴抗压强度越高则脆性破 范围较浅，如图7所示.主要表现为围岩表层岩体 坏越显著，宏观上越接近拉张破坏模式.(2)岩石所 以片状、碎块状或颗粒状向硐室中心方向弹射飞出， 受的围压越大则内部越容易发生剪切作用，宏观上 伴随爆炸般的噼啪作响声，弹出距离可达2.0m甚 越接近剪切破坏模式.(3)软弱岩石随围压的增加， 至更远，且常伴随干岩粉喷冒.由于该过程发生极 表现为X型剪切破坏向斜切型剪切破坏模式转变； 为迅速，突发性强且瞬间完成：因此冲击特性明显， 坚硬岩石随围压的增加，表现为拉张破坏模式向斜 容易造成人员伤亡. 切型剪切破坏模式转变.(4)岩石的围压越高，获得 的残余强度不仅是绝对值越大，且与峰值强度的比 值也越大. 三P 6冲击性灾害类型划分与机理分析 单轴刚性实验模拟对象 目前，划分冲击性灾害类型有多种方法，但大多 与酮室中心的距离，rm 停留在现象上，很少依据冲击性灾害的发生机理进 岩爆发生区威 行划分，笔者根据以上硐室开挖引发的应力集中特 征、岩石本身具有的力学属性及破坏模式，结合室内 图7坚硬弹性岩体中岩爆发生机理 Fig.7 Mecharism of rock burst in hard elastic rock 岩石力学刚性实验，将冲击性灾害划分为如下三大 类型，并进一步探讨三类冲击性灾害的发生机理. 从岩爆机理上看，由于围岩坚硬，且表层岩体在 6.1岩爆 垂直酮壁方向的应力已基本卸载为零，类似于坚硬 当硐室围岩十分坚硬，弹性属性较为显著时，由 岩石的单轴压缩情形.根据单轴实验得知，五矿1 于岩体的抗压强度较高，只有较大的应力集中值才 测点处岩石即属此种情况，岩石坚硬且在实验中表 能引发围岩破坏，此时危险区域是酮壁表层，如 现为拉张破坏，样品破裂瞬间也可听到较大的声响. 图1(a)所示.根据室内单轴刚性实验可知，坚硬围 样品的破裂模式如图8所示，表现为拉张破裂，甚至 岩的破坏模式必然是垂直受压方向的拉张破坏.又 在破裂瞬间样品整体破碎.这些属性也反映出五矿 因硐室表面单元均为拉张破坏，加之岩石本身的高 1测点处岩石发生岩爆的可能性较大. a b 图8单轴实验中五矿1岩石的拉张破坏模式照片 Fig.8 Extension fracture mode photos of a sample from the 5 th Mine in uniaxial test 当然，若硐室围岩并非十分坚硬而是较硬时，在 会形成强有力的弹射，围岩不具有岩爆倾向，不至于 较大应力集中值下便可造成岩石破坏.实验可知， 产生岩爆 破坏模式应为斜切型剪切破坏，岩体必然以剪切剥 6.2冲击地压 离方式脱离岩壁，形成垮落或塌方，虽然有声响但不 若酮室围岩为软弱岩石，根据单轴刚性实验得

5 受压岩体的破坏模式探讨 根据以上实验得知, 受压岩体的破坏模式主要 有如下特征:( 1) 岩石的单轴抗压强度越高则脆性破 坏越显著, 宏观上越接近拉张破坏模式 .( 2) 岩石所 受的围压越大则内部越容易发生剪切作用, 宏观上 越接近剪切破坏模式 .( 3) 软弱岩石随围压的增加, 表现为 X 型剪切破坏向斜切型剪切破坏模式转变 ; 坚硬岩石随围压的增加, 表现为拉张破坏模式向斜 切型剪切破坏模式转变.( 4) 岩石的围压越高, 获得 的残余强度不仅是绝对值越大, 且与峰值强度的比 值也越大 . 6 冲击性灾害类型划分与机理分析 目前, 划分冲击性灾害类型有多种方法, 但大多 停留在现象上, 很少依据冲击性灾害的发生机理进 行划分, 笔者根据以上硐室开挖引发的应力集中特 征、岩石本身具有的力学属性及破坏模式, 结合室内 岩石力学刚性实验, 将冲击性灾害划分为如下三大 类型, 并进一步探讨三类冲击性灾害的发生机理. 6.1 岩爆 当硐室围岩十分坚硬, 弹性属性较为显著时, 由 于岩体的抗压强度较高, 只有较大的应力集中值才 能引发围岩破坏, 此时危险区域是硐壁表层, 如 图 1( a) 所示.根据室内单轴刚性实验可知, 坚硬围 岩的破坏模式必然是垂直受压方向的拉张破坏 .又 因硐室表面单元均为拉张破坏, 加之岩石本身的高 脆性特征, 岩体必然会以弹射方式突然崩出, 并伴随 巨大的脆性断裂声响, 该类型冲击灾害即为岩爆 . 由于岩爆的破裂源位于围岩表层, 因此其破坏 范围较浅, 如图 7 所示.主要表现为围岩表层岩体 以片状 、碎块状或颗粒状向硐室中心方向弹射飞出, 伴随爆炸般的噼啪作响声, 弹出距离可达 2.0 m 甚 至更远, 且常伴随干岩粉喷冒.由于该过程发生极 为迅速, 突发性强且瞬间完成;因此冲击特性明显, 容易造成人员伤亡 . 图 7 坚硬弹性岩体中岩爆发生机理 Fig.7 Mechanism of rock burst in hard elastic rock 从岩爆机理上看, 由于围岩坚硬, 且表层岩体在 垂直硐壁方向的应力已基本卸载为零, 类似于坚硬 岩石的单轴压缩情形 .根据单轴实验得知, 五矿 1 测点处岩石即属此种情况, 岩石坚硬且在实验中表 现为拉张破坏, 样品破裂瞬间也可听到较大的声响. 样品的破裂模式如图 8 所示, 表现为拉张破裂, 甚至 在破裂瞬间样品整体破碎.这些属性也反映出五矿 1 测点处岩石发生岩爆的可能性较大. 图 8 单轴实验中五矿 1岩石的拉张破坏模式照片 Fig.8 Extension fracture mode photos of a sample from the 5 th Mine in uniaxial t est 当然, 若硐室围岩并非十分坚硬而是较硬时, 在 较大应力集中值下便可造成岩石破坏.实验可知, 破坏模式应为斜切型剪切破坏, 岩体必然以剪切剥 离方式脱离岩壁, 形成垮落或塌方, 虽然有声响但不 会形成强有力的弹射, 围岩不具有岩爆倾向, 不至于 产生岩爆. 6.2 冲击地压 若硐室围岩为软弱岩石, 根据单轴刚性实验得 第 1 期 李长洪等:煤矿冲击性灾害类型实验研究 · 7 ·

8 北京科技大学学报 第31卷 知，岩石普遍表现为X型剪切破裂模式，如图9() 干扰下，塑性区扩展到一定位置后通常趋于稳定，于 所示.由于岩体的低脆性属性，在酮壁形成一个塑 是形成一个“弹性区推挤一塑性区抵抗”的力学系 性破坏区，应力集中区向围岩深部扩展，于是在塑性 统.在该系统中，虽然弹性区内岩体积蓄了大量的 区与弹性区的分界面处平行内壁方向的应力达到最 弹性能，但由于塑性区的抵抗作用而得不到释放，二 大值，而垂直内壁方向的应力因塑性破坏区的发展 者的相互对抗使得整个力学系统处于平衡状态.当 而降低，如图1(b)所示.此时岩体的受力情况即为 塑性区内裂隙不断发育，抵抗力逐渐降低时，原有平 三轴降围压一增轴压受力模式. 衡极可能被瞬间打破.这种突然的失衡，使弹性区 由降围压一增轴压实验可知，岩石的破坏模式 内积蓄的弹性变形能突然猛烈地释放，强大的推力 逐渐向斜切型剪切破坏模式靠拢，如图9b)所示， 必将塑性破坏区内的岩体整体推出：表现为围岩的 这种斜切作用必然将塑性破坏区内的岩体向酮室中 突然涌出，伴随振动声响，造成大规模灾害.该过程 心方向推挤.加速塑性区内的裂隙发育，导致塑性区 是一个突发过程，且具极强的冲击性，即称为冲击地 与弹性区的分界面逐渐向深部扩展.在无外界因素 压，如图10所示. (a) (b) 图9X型剪切（和斜切型剪切(b)破坏模式照片 Fig.9 Photos of X-shear (a)and tilt-shear(b)fracture modes 明显，冲击过程极为短促，持续时间仅为几秒到几十 秒，强度急剧猛烈，常有大量煤岩块抛出和气浪现 Ge P 象，破坏深度可达3m甚至更深，波及范围可达百 降围压，增轴压实验模拟对象 米：发生时可摧垮支柱，严重时围岩（煤体可将巷道 Ⅱ固定围压性 单轴刚性 实验模拟对客 充填堵塞，对安全生产和人身安全造成重大威胁. ·实验模拟对象 冲击地压发生区域 1一塑性破坏区：1一弹性区 6.3矿震 距离硐室较远处，地应力受到的扰动通常很小. 图10软弱弹塑性岩（煤）体中冲击地压发生机理 只有构造运动或大规模开采才会影响深部地应力 Fig.10 Mechanism of pressure bump in soft elstic-plastic rock coal) 场.在地应力背景值很高的区域，如构造活动带或 断层带，岩石很可能处于三轴受压下的极限平衡或 通常的岩石均较坚硬，因此冲击地压在岩体介 接近极限平衡状态.此时轻微的构造运动或规模性 质中很少发生.对于煤层而言，作为一种特殊的岩 开挖扰动，极可能打破原有的极限平衡，导致深部断 石，强度较低，若应力集中过高，极易产生塑性剪切 层的活动，最终引发矿震 破坏区并向工作面深部扩展，更易发生冲击地压，所 7结论 以冲击地压通常发生在煤层介质或煤岩互层的介质 中.尤其在岩层夹持状态下的煤体，由于岩性的差 (1)岩石的单轴抗压强度越高则脆性破坏越显 异性，采矿掘进时的应力集中情况及煤岩系统的破 著，宏观上越接近拉张破坏模式.岩石所受的围压 坏模式更为复杂. 越大则内部越容易发生剪切作用，宏观上越接近剪 由于冲击地压的破裂源位于围岩较深部位，因 切破坏模式.软弱岩石随围压的增加，表现为X型 此其破坏范围较大，如图10.其特点为：宏观征兆不 剪切破坏向斜切型剪切破坏模式转化：坚硬岩石随

知, 岩石普遍表现为 X 型剪切破裂模式, 如图 9( a) 所示.由于岩体的低脆性属性, 在硐壁形成一个塑 性破坏区, 应力集中区向围岩深部扩展, 于是在塑性 区与弹性区的分界面处平行内壁方向的应力达到最 大值, 而垂直内壁方向的应力因塑性破坏区的发展 而降低, 如图 1( b) 所示 .此时岩体的受力情况即为 三轴降围压-增轴压受力模式 . 由降围压-增轴压实验可知, 岩石的破坏模式 逐渐向斜切型剪切破坏模式靠拢, 如图 9( b) 所示, 这种斜切作用必然将塑性破坏区内的岩体向硐室中 心方向推挤, 加速塑性区内的裂隙发育, 导致塑性区 与弹性区的分界面逐渐向深部扩展.在无外界因素 干扰下, 塑性区扩展到一定位置后通常趋于稳定, 于 是形成一个“弹性区推挤-塑性区抵抗” 的力学系 统 .在该系统中, 虽然弹性区内岩体积蓄了大量的 弹性能, 但由于塑性区的抵抗作用而得不到释放, 二 者的相互对抗使得整个力学系统处于平衡状态.当 塑性区内裂隙不断发育, 抵抗力逐渐降低时, 原有平 衡极可能被瞬间打破 .这种突然的失衡, 使弹性区 内积蓄的弹性变形能突然猛烈地释放, 强大的推力 必将塑性破坏区内的岩体整体推出;表现为围岩的 突然涌出, 伴随振动声响, 造成大规模灾害 .该过程 是一个突发过程, 且具极强的冲击性, 即称为冲击地 压, 如图 10 所示. 图 9 X 型剪切( a) 和斜切型剪切( b) 破坏模式照片 Fig.9 Phot os of X-shear ( a) and tilt-shear ( b) fracture modes 图 10 软弱弹塑性岩( 煤) 体中冲击地压发生机理 Fig.10 Mechanism of pressure bump in soft elastic-plastic rock ( coal) 通常的岩石均较坚硬, 因此冲击地压在岩体介 质中很少发生.对于煤层而言, 作为一种特殊的岩 石, 强度较低, 若应力集中过高, 极易产生塑性剪切 破坏区并向工作面深部扩展, 更易发生冲击地压, 所 以冲击地压通常发生在煤层介质或煤岩互层的介质 中.尤其在岩层夹持状态下的煤体, 由于岩性的差 异性, 采矿掘进时的应力集中情况及煤岩系统的破 坏模式更为复杂 . 由于冲击地压的破裂源位于围岩较深部位, 因 此其破坏范围较大, 如图 10 .其特点为 :宏观征兆不 明显, 冲击过程极为短促, 持续时间仅为几秒到几十 秒, 强度急剧猛烈, 常有大量煤岩块抛出和气浪现 象, 破坏深度可达 3 m 甚至更深, 波及范围可达百 米 ;发生时可摧垮支柱, 严重时围岩( 煤) 体可将巷道 充填堵塞, 对安全生产和人身安全造成重大威胁 . 6.3 矿震 距离硐室较远处, 地应力受到的扰动通常很小. 只有构造运动或大规模开采才会影响深部地应力 场 .在地应力背景值很高的区域, 如构造活动带或 断层带, 岩石很可能处于三轴受压下的极限平衡或 接近极限平衡状态 .此时轻微的构造运动或规模性 开挖扰动, 极可能打破原有的极限平衡, 导致深部断 层的活动, 最终引发矿震. 7 结论 ( 1) 岩石的单轴抗压强度越高则脆性破坏越显 著,宏观上越接近拉张破坏模式.岩石所受的围压 越大则内部越容易发生剪切作用, 宏观上越接近剪 切破坏模式.软弱岩石随围压的增加, 表现为 X 型 剪切破坏向斜切型剪切破坏模式转化;坚硬岩石随 · 8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第1期 李长洪等：煤矿冲击性灾害类型实验研究 。9。 围压的增加，表现为拉张破坏向斜切型剪切破坏模 in Datong mining area.J Univ Sci Technol Beijing.2008.30 式转化.岩石围压越高，获得的残余强度不仅绝对 (2):108 (李长洪，张吉良，蔡美峰，等.大同矿区地应力测量及其与地质 值越大，且与峰值强度的比值也越大 构造的关系.北京科技大学学报，2008.30(2)：108) (2)根据破裂源的位置和岩石破坏机理，将冲 [4 Singh S P.Technical mte burst energy release index.Rock 击性灾害分为岩爆、冲击地压和矿震三大类型.岩 Mech Rock Eng,.1988,21(2):149 爆发生在弹脆性岩石地下工程围岩表层，由压应力 [5 LiC H.Cai M F.Qiao L,ct al.Rock complete stress-strain 引发的拉张破坏机理，弹性能释放造成：冲击地压发 curve and its wehtionship to rock burst.J Uniy Sci Technol Bei- 生在弹塑性围岩的交界处，由塑性区强度降低，弹性 ing,1999.21(6):513 (李长洪，蔡美峰，乔兰.等.岩石全应厂应变曲线及其与岩爆 区能量释放推挤塑性区形成：矿震是由于开采扰动， 关系.北京科技大学学报，1999.21(6)：513) 断层处应力失衡，导致断层错动所致. [6 Cai M F.Wang J A.Wang S H.Amalysis on energy distribution and prediction of rock burst during deep mining excavation in Lin- 参考文献 glong gold mine.ChinJ Rock Mech Eng.2001.20(1):38 [1]Tan Y A.Types and treatments of rockburst.Geoscience,1991, (蔡美峰，王金安，王双红.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与 5(4):450 岩爆综合预测.岩石力学与工程学报，2001,20(1)：38) (谭以安.岩爆类型及其防治.现代地质，1991.5(4：450) [7]Peng Z Wang Y H.Li T J.Griffith theory and the criteria of [2]Zhang Y X.He YN.Rock Mechanics.Beijng:Chim Architec rock burst.Chin J Rock Mech Eng.1996.15(Supp):491 ture Building Press,2004:126 (彭祝，王元汉，李廷芥.Gfth理论与岩爆的判别准则.岩石 (张永兴，贺永年.岩石力学.北京：中国建筑工业出版社，2004 力学与工程学报，199615（增）：491) 126) [8 Kwasniew ski M,Wang J A.3D numerical modeling and study of [3]Li C H,Zhang J L,Cai M F.et al.In-situ stress measurement mine tremors associated with coal mining invicinity of major and the relationships betw een the stress and the geologic structure faults.Publs Inst Goophys,1999 310:351

围压的增加, 表现为拉张破坏向斜切型剪切破坏模 式转化 .岩石围压越高, 获得的残余强度不仅绝对 值越大, 且与峰值强度的比值也越大. (2) 根据破裂源的位置和岩石破坏机理, 将冲 击性灾害分为岩爆、冲击地压和矿震三大类型.岩 爆发生在弹脆性岩石地下工程围岩表层, 由压应力 引发的拉张破坏机理, 弹性能释放造成 ;冲击地压发 生在弹塑性围岩的交界处, 由塑性区强度降低, 弹性 区能量释放推挤塑性区形成;矿震是由于开采扰动, 断层处应力失衡, 导致断层错动所致. 参 考 文 献 [ 1] Tan Y A.Types and treatments of rockburst .Geoscience, 1991, 5( 4) :450 ( 谭以安.岩爆类型及其防治.现代地质, 1991, 5( 4) :450) [ 2] Zhang Y X, He Y N .Rock Mechanics.Beijing :C hina Architec￾ture &Building Press, 2004:126 ( 张永兴, 贺永年.岩石力学.北京:中国建筑工业出版社, 2004: 126) [ 3] Li C H, Zhang J L, Cai M F, et al.In-situ stress measuremen t and the relati onships betw een the stress and the geologic structure in Datong mining area .J U niv S ci Technol Beijing , 2008, 30 ( 2) :108 ( 李长洪, 张吉良, 蔡美峰, 等.大同矿区地应力测量及其与地质 构造的关系.北京科技大学学报, 2008, 30( 2) :108) [ 4] Singh S P .Technical not e:burst energy release index .Rock Mech Rock E ng, 1988, 21( 2) :149 [ 5] Li C H, Cai M F, Qiao L, et al.Rock complet e stress-strain curve and its relationship t o rock bu rst .J Uni v S ci Technol Bei￾jing , 1999, 21( 6) :513 ( 李长洪, 蔡美峰, 乔兰, 等.岩石全应力-应变曲线及其与岩爆 关系.北京科技大学学报, 1999, 21( 6) :513) [ 6] Cai M F, Wang J A, Wang S H .Analysis on energy distribu tion and prediction of rock burst during deep mining excavation in Lin￾glong gold mine.Chin J Rock Mech Eng , 2001, 20( 1) :38 ( 蔡美峰, 王金安, 王双红.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与 岩爆综合预测.岩石力学与工程学报, 2001, 20( 1) :38) [ 7] Peng Z, Wang Y H, Li T J.Griffith theory and the crit eria of rock burst .Chin J Rock Mech Eng , 1996, 15( Suppl) :491 ( 彭祝, 王元汉, 李廷芥.Griffith 理论与岩爆的判别准则.岩石 力学与工程学报, 1996, 15( 增) :491) [ 8] Kwasniew ski M, Wang J A .3-D numerical modeling and study of mine tremors associated w ith coal mining invicinit y of major faults.Publs Inst Geophys, 1999, 310:351 第 1 期 李长洪等:煤矿冲击性灾害类型实验研究 · 9 ·