2 北京科技大学学报 2004年第1期 (⑤)不规范开采，如地方小窑小井的不规则开 承受复杂环境作用的演化过程，体现出明显的复 采，其数量之多，破坏性之大，加之小窑之间的井 杂性以及动态变化等特征，现场监测关键要对大 界间距有限，这样很容易造成破坏作用叠加效 尺度采空区准剪切带、剪切带和坍塌区域煤岩断 应 裂界面的滑动摩擦效应，顶板岩层内部形成的拉 (6)气候干旱.西部自然降水较少，造成生态 张应力、抗拉临界强度时产生向下的弯曲和移动 环境极其脆弱，这就为采空区动力破坏孕育提供 进行监测与预报. 了自然条件 监测内容主要包括：(1)开挖边界岩石的破裂 和滑移：(2)垂直或沿单个节理或裂隙面的移动： 3数字化监测与预报分析 (3)边界点上两点间的相对位移：(4)地下水渗流： (5)支护构件的荷载变化：(6)剪切带（面）的正应 要进行灾害及时、有效治理与控制，必须对 力和剪应力：(T)断层活动：（⑧）波的传播.从实际 其进行全过程实时监测，加强“时、空、强”（即能 量、几何、时间)监测预报，其过程监控是以数字 应用来看，综合压力、位移、瞬态瑞雷波和CT探 化过程异变检测和动态系统灾害检测与诊断为 测、声波测井、地质雷达、钻孔电视等探测与监控 基础，其主要研究包括过程的异常变化或动态系 是非常有效的预报方法2- 统功能性故障，涉及过程破坏检测、幅度识别、时 4结论 间推断、机理诊断、影响分析以及针对不同灾害 应该采取的处理措施或对策等.针对大尺度采空 ()大尺度采空区衍生动力灾害治理具有很 区围岩介质非稳态运动力学特征，其预测预报基 大的复杂性，是迫切需要解决的重大科学问题， 础理论必须是室内实验与现场监测相结合， 也是目前和今后西部矿山开采中面临的最大技 3.1室内测试与实验 术难题，综合应力/应变、位移、地质异常探测与 利用实验可获取对机理的认识，利用声发射 监控是解决西部矿山大尺度采空区衍生灾害与 监测大尺度采空区动力破坏相似模拟材料实验 控制的基础研究很有创新性， 中动力破坏过程以及定量化分析，找出表征大采 (2)利用室内物理实验获取衍生灾害产生机 空区突然失稳特征参数的“警戒值（区）”，为大尺 理，找出表征大采空区突然失稳特征参数的“警 度采空区灾害治理提供决策依据网.地质领域中 戒值（区）”，为大尺度采空区的有效、准确及时预 存在的大量剪切带或应变局部化现象可以在煤 报以及灾害治理提供决策依据 岩等材料中观测到.应用应变梯度塑性理论对韧 (3)建立有效的大尺度采空区动力灾害监测 性剪切带进行理论分析可获得韧性剪切带内部 预报体系，提供大采空衍生灾害预报与控制的有 局部剪应变（率）分布规律，剪切带错动总位移及 效途径，验证大采空区关键煤柱与层位的失稳检 剪切带法向位移的理论表达式，以及韧性剪切带 测、非对称载荷造成的剪切破坏（源）、煤柱结构 内部体积应变（率）和孔隙率分布规律酬.声发射 参数合理性，完善采空区衍生灾害过程检测实验 和CT研究大空区煤岩介质断裂韧度以及破裂过 理论与技术 程是非常有效的手段，CT技术可以观测岩石在 空间和时间上破坏形态、变化的全过程，为介质 致谢感谢北京科技大学蔡美峰教授、窑街煤业股份公 损伤与裂隙动力演化趋势提供可视化理论基础， 司王军高级工程师、宁夏煤业集团李玉民总工程师、西 利用扫描电镜对煤岩等介质破裂断口和不同损 安科技大学石平五教授、伍永平教授和柴敬教授以及 西安光机所纤维与集成光学研究所李会录博士的鼓励 伤阶段过程时损伤界面形貌观察，为确定断裂源 与启发， 或初始坍塌位置提供理论依据. 另外已有学者成功开展了煤岩受压红外热 参考文献 象与辐射温度特征实验研究与煤岩变形破裂电 【朱旺喜，王来贵，王建国，等，资源枯竭城市灾害形成 磁辐射的实验研究.川 机理与控制战略研讨[M).北京：地质出版社，2003 3.2现场监测应用 2谢和平.中国能源发展趋势与跨世纪煤炭科技展望 可持续发展与煤炭工业报告文集M.北京：煤炭工 西部矿山衍生灾害实质上是复杂地层结构 业出版社，1998北 京 科 技 大 学 学 报 20 04 年 第 1期 ( 5) 不 规 范开采 , 如地 方 小窑 小井 的不 规则 开 采 , 其 数量 之 多 , 破 坏 性之 大 , 加之 小 窑之 间 的井 界 间距 有 限 , 这 样 很 容 易 造 成破 坏 作 用 叠 加 效 应 . (6 ) 气 候干 旱 . 西部 自然 降水较 少 , 造 成 生 态 环 境极 其脆弱 , 这 就 为采 空 区动力 破坏 孕育 提供 了 自然 条 件 . 3 数字 化 监 测 与 预报 分 析 要 进行 灾 害及 时 、 有效治 理 与控 制 , 必须 对 其 进 行全 过 程 实 时监测 , 加 强 “ 时 、 空 、 强 ” ( 即能 量 、 几 何 、 时 间 ) 监 测 预报 , 其 过程 监 控 是 以数 字 化 过 程 异 变检 测 和 动 态 系 统 灾 害检 测 与诊 断 为 基 础 , 其 主要 研 究包括过 程 的异 常变 化或 动态 系 统 功 能性 故 障 , 涉 及 过程 破坏 检测 、 幅度 识 别 、 时 间推 断 、 机 理 诊 断 、 影 响 分析 以及 针 对 不 同灾 害 应 该 采取 的处理 措施 或对 策等 . 针 对 大尺 度采 空 区 围岩 介质 非稳态 运动 力 学特征 , 其预 测预 报 基 础 理 论 必须 是 室 内实 验 与现 场监 测 相 结合 件, . .3 1 室 内测试 与实 验 利 用 实验 可获 取对 机 理 的认 识 , 利 用 声发 射 监测 大 尺 度采 空 区动 力 破 坏 相似 模 拟 材 料 实验 中动 力破 坏过 程 以及 定量 化分 析 , 找 出表 征大采 空 区 突然 失稳特 征参 数 的 “ 警 戒值 ( 区 ) ” , 为大 尺 度采 空 区灾 害 治理 提供 决策 依 据` 5,6] . 地 质领 域 中 存在 的大 量 剪 切 带 或应 变 局 部 化现 象 可 以 在 煤 岩等材料 中观 测 到 . 应用 应变梯度 塑性 理论 对韧 性剪 切 带 进 行 理 论 分析 可 获 得 韧性 剪 切 带 内部 局部 剪应 变 (率 )分 布规 律 , 剪 切 带错 动 总位 移及 剪切 带法 向位 移 的理 论表 达 式 , 以及 韧性 剪切 带 内部 体积 应 变 (率 ) 和孔 隙率 分布 规 律 〔7, . , . 声发射 和 C T研 究大 空 区 煤 岩介 质 断裂 韧度 以及破 裂 过 程是 非 常有 效 的手 段 , C T 技术 可 以观 测岩 石 在 空 间和 时 间上 破坏 形 态 、 变 化 的全过 程 , 为介 质 损伤 与裂 隙动 力演 化趋 势 提供 可视 化理 论基 础 . 利 用扫 描 电镜对 煤 岩 等 介 质 破裂 断 口 和 不 同损 伤阶 段过程 时损伤 界面 形 貌观 察 , 为 确定 断裂源 或初 始坍 塌 位 置提 供 理 论依 据 `刃 . 另外 己 有 学 者 成 功 开 展 了煤 岩 受 压 红 外 热 象 与辐 射 温 度特 征 实验 研 究 与煤 岩 变 形 破 裂 电 磁辐 射 的 实验 研 究`, 0,1 1] . .3 2 现 场 监 测应 用 西 部 矿 山衍 生 灾 害 实 质 上 是 复 杂 地 层 结 构 承 受复 杂环 境 作用 的演 化过 程 , 体 现 出 明显 的复 杂 性 以及动 态变 化等 特征 , 现场 监 测关 键 要对 大 尺 度采 空 区准剪切 带 、 剪切 带 和坍 塌 区域 煤岩 断 裂 界面 的滑 动摩 擦 效应 , 顶 板 岩层 内部 形 成 的拉 张应 力 、 抗 拉 临界 强度 时产 生 向下 的 弯 曲和移 动 进 行监 测 与 预报 . 监 测 内容主 要包 括 : ( l) 开挖边 界岩 石 的破 裂 和 滑移 ; (2 ) 垂直 或 沿单 个 节 理 或裂 隙 面 的移 动 ; (3 )边 界 点上 两 点 间 的相对 位 移 ; ( 4) 地 下 水渗 流 ; (5) 支 护 构件 的荷载 变 化 ; (6) 剪切 带 ( 面 ) 的正 应 力 和剪 应 力 ; (7) 断层 活 动 : ( 8) 波 的传 播 . 从 实 际 应 用来 看 , 综合 压 力 、 位移 、 瞬 态 瑞 雷波 和 C T 探 测 、 声波 测 井 、 地质 雷达 、 钻 孔 电视 等探 测 与监控 是 非 常有 效 的预 报方 法 `12 一 10] . 4 结论 ( l) 大 尺度 采 空 区衍 生动 力 灾 害 治理 具 有很 大 的 复杂 性 , 是 迫切 需 要 解 决 的重 大科 学 问题 , 也 是 目前和 今 后 西 部矿 山开采 中面 临 的最 大 技 术 难题 , 综 合应 力 /应 变 、 位移 、 地 质 异 常探 测 与 监 控 是 解 决西 部 矿 山 大 尺 度采 空 区 衍 生 灾 害 与 控 制 的基 础研 究 很 有创 新 性 . (2 ) 利 用 室 内物 理 实验 获 取衍 生 灾 害产 生机 理 , 找 出表 征 大采 空 区突 然 失稳 特 征 参数 的 “ 警 戒 值 ( 区 ) ” , 为大 尺度采空 区 的有 效 、 准 确及 时预 报 以及 灾 害 治理 提 供 决策 依 据 . (3 ) 建 立有 效 的 大尺 度 采 空 区动 力 灾害监 测 预 报体 系 , 提供 大采 空 衍生 灾 害预报 与 控制 的有 效 途径 , 验 证大 采空 区关键 煤柱 与层 位 的失稳 检 测 、 非 对称 载 荷造 成 的剪切 破 坏 ( 源 ) 、 煤 柱结 构 参 数合 理性 , 完 善采 空 区衍 生 灾害过 程检 测 实验 理 论 与技 术 . 致 谢 感谢 北京科 技 大学 蔡美峰 教授 、 窑街煤 业股份 公 司王 军高 级工程 师 、 宁夏 煤业集 团李 玉 民总 工程师 、 西 安 科技 大学 石平 五教 授 、 伍 永 平教授 和柴 敬教 授 以及 西 安光机所 纤 维与集 成光 学研究所 李 会录博 士 的鼓励 与启发 . 参 考 文 献 l 朱 旺喜 , 王 来 贵 , 王建 国 , 等 . 资源 枯 竭城 市 灾害 形成 机 理与 控制 战略研 讨 [M ] . 北 京 : 地 质 出版 社 , 2 0 0 3 2 谢 和平 . 中国能源发 展趋势 与跨 世纪煤 炭科 技展 望 , 可 持续 发展 与煤 炭工 业报 告文集 [M ] . 北 京: 煤 炭工 业 出版 社 , 1 9 9 8