煤岩动力系统的能量特征及对冲击地压的控制作用研究

Rockburst is a process of energy accumulation and rapid release in in coal and rock mass, which poses a serious threat to the safety of workers and mine production. Coal-rock dynamic system is an expected and effective model for evaluating the risk and calculating the impact range of rockburst. In our project, we will research the energy characteristics and structure characteristics of coal-rock dynamic system, and its action in the process of development and occurrence of rockburst. In order to research the formation process, instability process, energy dissipation process and evolution law, we will set a dynamic analysis model of coal-rock dynamic system. The structural characteristics of coal-rock dynamic system will be studied, and the structural intervals will be divided by numerical simulation, static blasting fracturing test of rock mass in laboratory, et al. The energy characteristics and structure characteristics of coal-rock dynamic system will be identified, instability criterion of dynamic system will be proposed based on the research results of the project. A method for calculating the interval scale of each structure of dynamic system will be proposed, and the corresponding evaluation index system will be established. The relationship between the energy of each structural interval of dynamic system and the apparent strength of rockburst will be determined, and the control effect of coal-rock dynamic system on rockburst will also be determined. The research results can provide important basis for effective monitoring, early warning and targeted prevention of rockburst, and ensure safe production at the same time.

冲击地压是积聚于煤岩体中能量瞬间释放的动态破坏过程，对工人生命安全和矿山生产安全构成严重威胁。“煤岩动力系统”是一种评价冲击危险、计算冲击地压影响范围的可期待的有效模型。项目主要研究煤岩动力系统的能量特征、结构特征及在冲击地压的孕育、发生和发展过程中的作用。构建煤岩动力系统动态分析模型，基于能量耗散理论和Mises屈服强度准则，研究煤岩动力系统形成过程、失稳过程、释放能量的耗散过程以及演化规律；运用数值模拟、实验室岩体静态爆破致裂试验等方法，研究煤岩动力系统的结构特征，并划分煤岩动力系统的结构区间。通过研究将确定煤岩动力系统的能量特征和结构特征，提出失稳判据；提出煤岩动力系统各结构区间尺度计算方法，并建立相应的评价指标体系；确定煤岩动力系统各结构区间能量与冲击地压显现强度关系，阐明煤岩动力系统对冲击地压的控制作用。研究成果能够为冲击地压的有效监测预警和针对性防治提供重要依据，保障安全生产。

冲击地压是破坏性最强的矿井动力灾害，对工人生命安全和矿山生产安全构成严重威胁。通过本项目的研究，构建了煤岩动力系统与冲击地压显现关系模型，将煤岩动力系统划分为动力核区、破坏区、损伤区和影响区等4个区域，建立了不同区域与不同等级冲击地压显现间的对应关系。揭示了煤岩动力系统的能量特征及释放规律，明确了自然地质动力条件和采掘工程活动是煤岩动力系统的2项主要能量来源，其中自然地质动力条件下煤岩动力系统的能量源于现代构造运动，是煤岩动力系统能量的核心构成；当冲击地压发生时，煤岩动力系统能量主要以煤岩体的破碎消耗能和破碎煤岩体的抛出动能形式进行释放，其他能量残留于煤岩体中作为下一次冲击地压发生的能量储备；在此基础上提出了自然地质条件下和采动应力场条件下的煤岩动力系统能量计算方法。基于爆破理论和Mises强度准则，提出了煤岩动力系统的结构尺度计算方法，采用液态CO2致裂和落球试验等方法对本计算方法进行了准确性验证。提出了煤岩动力系统的失稳判据，对于矿井的实际生产，根据工作面或巷道周边的微震事件或煤岩动力现象快速确定“动力核区”的中心位置，对于冲击地压危险性评价具有重要的意义。提出了冲击地压矿井的地质动力条件评价方法并建立了相应评价指标体系，表明构造应力、构造运动、断裂构造、开采深度、顶板岩层和本区及邻区情况等6项指标是冲击地压发生的主要影响因素。明确了煤岩动力系统对冲击地压的控制作用，对于矿井实际生产，根据微震事件或煤岩动力现象判定煤岩动力系统的影响范围，对于冲击地压等矿井动力灾害的防治具有重要的意义。通过煤岩动力系统模型的构建，确定系统不同尺度范围内煤岩的冲击危险性和系统能量对冲击地压的影响，对于研究冲击地压孕育、发生和发展过程具有重要意义。对于矿井的实际生产，确定煤岩动力系统的能量特征和结构特征，可用于确定采取冲击地压防治措施的时空关系，指导冲击地压防治技术措施的有效实施。