沖擊礦壓機理研究概述

1.1.1 強度理論

早期的強度理論主要涉及煤(巖)體的破壞原因。認為井巷和采場周圍產(chǎn)生應力集中。當應力達到煤〔巖)強度的極限時，煤(巖)體突然發(fā)生破壞，形成沖擊礦壓，并對煤(巖)體形成應力集中的原因提出各種假說。如20世紀30年代末的拱頂理論和懸臂梁理論等等。近代強度理論以“礦體——圍巖”系統(tǒng)為研究對象。其主要特點是考慮“礦體——圍巖”系統(tǒng)的極限平衡。認為煤(巖)體的承載能力應是“煤體——圍巖”系統(tǒng)的強度，導致煤(巖)體破壞的決定因素不僅僅是應力值大小，而是它與巖體強度的比值。

70年代強度理論得到進一步的發(fā)展，Brauner提出煤(巖)體夾持理論，并導出煤體極限壓應力的計算公式。李七生等的研究將此理論做了進一步的完善。

1.1.2剛度理論

剛度理論是由Cook等人根據(jù)剛件壓力機理論而得到的。該理論認為：礦山結構的剛度大于礦山負載系統(tǒng)的剛度是發(fā)生沖擊礦壓的必要條件。近年來Petukhov在他所提出的沖擊礦壓機理模型中也引入了剛度條件。但他進一步將礦山結構的剛度明確為達到峰值強度后其裁荷——變形曲線下降的剛度。在剛度理論中，如何確定礦山結構剛度是否達到峰值強度后的剛度是一難題，它不能由試驗測定。數(shù)值方法可能是有效途徑之一，但目前的結果仍存在

一定的偏差，需要開展進一步的研究工作。

1.1.3 能量理論

能量理論從能量轉化角度解釋沖擊礦壓的成因，是沖擊礦壓機理研究的一大進步。該理論認為礦體——圍巖系統(tǒng)在其力學平衡狀態(tài)遭破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時發(fā)生沖擊礦壓。20世紀70年代Brauner提出沖擊礦壓的能量判據(jù)，該判據(jù)考慮了能量釋放與時間因素的相關件。其后，吳耀混等對此加以補充修正，引入空間坐際系統(tǒng)以說明沖擊礦壓發(fā)生的條件應同時滿足能量釋放的時間效應和空間效應。

沖擊發(fā)生的能量源分析至關重要。Petukhocv認為沖擊能量由被破壞的煤(巖)積蓄的能量和鄰接于煤柱或煤(巖)層邊緣部分的彈性變形能所組成、即從外部流人的能量賦予沖擊礦壓以動力。

剩余能量理論認為剩余能量的存在是圍巖動力失穩(wěn)的力學原因，該理論20世紀70年代由美國人提出，其后得到了進一步的發(fā)展相應用。

能量理論說明礦體——圍巖系統(tǒng)在力學平衡狀態(tài)時，釋放的能量大于消耗的能量, 沖擊礦壓就可能發(fā)生，但沒有說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞條件，特別是圍巖釋放能量的條件，因此，沖擊礦壓的能量理論判據(jù)尚缺乏必要條件。

1.1.4沖擊傾向性理論

沖擊傾向性是指煤(巖)介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或屬性。煤(巖)體沖擊傾向性是產(chǎn)生沖擊礦壓的必要條件。沖擊傾向理論是波蘭和前蘇聯(lián)學者提出的，我國學者在這方面作了大量的工作，提出用煤樣動態(tài)破壞時間、彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的試驗方法。此外，在試驗方法、數(shù)據(jù)處理及綜合評判等研究中取得了一定的進展。

沖擊傾向理論的另一重要方面是頂板沖擊傾向性的研究，而且也越來越引起人們的重視。這方面的研究包括頂板彎曲能指標和長壁開采方式下頂板斷裂引起的煤層沖擊等。

顯然，用一組沖擊傾向指標來評價煤(巖)體本身的沖擊危險具有實際意義，并已得到了廣泛的應用。然而，沖擊礦壓的發(fā)生與采掘和地質(zhì)環(huán)境有關，而且實際的煤(巖)物理力學性質(zhì)隨地質(zhì)開采條件不同而有很大差異，實驗室測定的結果往往不能完全代表各種環(huán)境下的煤(巖)性質(zhì)，這也給沖擊傾向理論的應用帶來了局限性。

1.1.5穩(wěn)定性理論

穩(wěn)定性理論應用于沖擊礦壓問題最早可追溯到20世紀60年代中期NevilleCook的研究。剛性試驗機的出現(xiàn)使人們可以獲得受壓巖石的全應力——應變曲線，得到巖石峰后變形的描述，從而可以研究采動巖體的平衡以及這種平衡的穩(wěn)定性。Lippmann將沖擊礦壓處理為彈塑性極限靜力平衡的失穩(wěn)現(xiàn)象，進一步又提出煤層沖擊的“初等理論”，同—時期，章夢濤根據(jù)煤(巖)變形破壞的機理，認為煤(巖)介質(zhì)受采動影響而在采場周圍形成應力集中。煤(巖)體內(nèi)高應力區(qū)局部形成應變軟化介質(zhì)與尚未形成應變軟化(包括彈性和應變硬化)的介質(zhì)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在外界擾動下的動力失穩(wěn)，形成腫沖礦壓，提出沖擊礦壓的失穩(wěn)理論，并得到了初步的應用。

在目前的研究中。以斷裂力學和穩(wěn)定性理論為基礎的圍巖近表面裂紋的擴展規(guī)律、能量耗散和局部園巖穩(wěn)定性研究備受關注大量研究農(nóng)明裂紋的擴展方向受最大壓應力方向控制，圍壓對裂紋的擴展起限制作用。Vardoulakis研究指出近自由表面的裂紋—旦開始擴展，將失去穩(wěn)定，導致表面局部屈曲，臨界屈曲應力隨自由表面與裂紋間距離的減小而急劇減小。Dyskin對壁面附近裂紋擴展方式及裂紋貫穿后的壁面穩(wěn)定進行了分析，認為比應力集中造成初始裂紋以穩(wěn)定的方式平行于最大壓應力方向擴展。這種擴展與自由表面相互作用加速了裂紋的增長并最終導致失穩(wěn)擴展，裂紋面出現(xiàn)分離，分離層屈曲破壞形成沖擊礦壓。并建立了一個二維裂紋擴展模型以計算非穩(wěn)定裂紋起裂點的應力大小。Bazant等分析了近壁裂紋擴展引起的能量耗散及尺度效應，使對沖擊礦壓的能量估算成為可能。張曉春等在這方面結合實際情況對近表面裂紋擴展、壁面局部穩(wěn)定性作了初步的研究。探討了煤礦巷道附近圍巖層裂區(qū)的形成和破壞機理，通過理論分忻和試驗模擬，建立了煤礦片幫型沖擊礦壓發(fā)生的層裂板結構失穩(wěn)破壞模型，認為巷道或采場壁面的局部穩(wěn)定是由高應力集中區(qū)內(nèi)形成的層裂板結構區(qū)的穩(wěn)定控制的，沖擊礦壓是煤逐形成的層裂板結構區(qū)的局部壓屈。齊慶新等在煤與巖石以及煤層之間摩擦滑動實驗研究基礎上，考察了煤礦沖擊礦壓煤巖層間結構粘滑失穩(wěn)機制。

材料破壞的分叉理論是沖擊礦壓研究的一個重要方面，Vardoulakis和Deborst等作了一系列的工作，并在數(shù)值計算上采用粘塑性、塑性應變梯度和Cosserat介質(zhì)理論的本構關系等，以求實現(xiàn)對破壞失穩(wěn)部位的預測。