冲击地压的地质动力环境与致灾机理研究

Rockburst is one of the serious dynamic disasters in coal mines, which poses a great threat to coal mining safety. Rockburst is a rapid energy release process, which affected by geological dynamic environment and mining combined action, and the energy comes from the dynamic system of coal and rock. The work will be based on geodynamics and plate tectonics theory, by using the geo-dynamic division method and other corresponding methods to research the spatial-temporal evolution and geological structure in coal mines, the modern tectonic movement theory and characteristics of tectonic stress field. The project will reveal the control action from geological dynamic factors in rockburst seismogenic process by applying the modern tectonic movement theory and characteristics of tectonic stress field and energy field. The project will establish evaluation method and a set of evaluation index system of geological dynamic environmental, to prejudge whether rockburst hazard exists in coal mines or not, thus providing decision basis for construction and safety production of coal mines, especially for the new mines. We will set a dynamic system model of coal and rock for the coal mines with rockburst risk, research the structure characteristics, energy characteristics and failure characteristics of the system. The project will propose the driving force and energy dissipation process of coal and rock structure, analyse the relationship between system energy and rockburst strength quantificationally, reveal the essential law of coal and rock structure failure. System instability criterion will be revealed by the project. The work will be an exciting breakthrough research in the field of rock burst. The results of this work will provide a scientific basis for the development and application of rockburst prediction, monitoring and prevention.

冲击地压是煤矿中严重的动力灾害之一，对煤矿安全生产造成巨大威胁。冲击地压是在相应的地质动力环境下煤岩动力系统因开采扰动诱发的能量快速释放过程。项目基于地质动力学和板块构造理论，应用地质动力区划等方法，研究区域地质构造型式及其时空演化过程，确定现代构造运动和构造应力场、能量场特征，揭示地质动力因子在冲击地压的孕育过程中的控制作用；建立冲击地压的地质动力环境评价方法和相应的评价指标体系，实现对矿井特别是新建矿井是否具备冲击地压危险的预先判断，为矿井建设和安全生产提供决策依据；对于已具备冲击地压危险的矿井，建立煤岩动力系统模型，确定其结构、能量和失稳特征，研究系统动力来源和能量耗散过程，定量分析系统能量与冲击地压的显现强度关系，揭示煤岩体结构灾变的本质规律，提出系统灾变失稳的判据，实现对冲击地压的动力机制和发生机理研究的突破。研究成果为开发和应用有效的冲击地压预测、预警和防治技术提供科学依据。

冲击地压是我国煤矿重大动力灾害之一。通过本项目的研究，在对现代应力场分析的基础上，提出了构造应力场判别方法；阐明了按应力状态分类，我国绝大多数煤矿的冲击地压类型为构造应力型冲击地压。针对这一类型冲击地压，认为研究冲击地压一定要研究现代构造运动和现代构造应力场，构造运动引起的应力变化和能量传递必然影响到矿井所处工程地质体。应用地质动力区划方法，确定了地质构造型式对冲击地压的控制作用，揭示了我国冲击地压等矿井动力灾害具有“110”分布规律；在分析现代构造应力场作用的基础上，对井田岩体应力进行分析计算，划分应力区，进而计算和划分了井田的能量场，确定了构造应力和能量场对对冲击地压的控制作用；建立了地质动力环境评价方法和指标体系，矿井地质动力环境划分为无、弱、中、强4个类别，可评价区域地质动力演变过程和现代构造运动对井田的影响程度，据此给出了冲击地压矿井分类方法；构建了煤岩动力系统，根据能量积聚程度和影响范围等特征，将煤岩动力系统的结构划分为“动力核区”“破坏区”“损伤区”和“影响区”等4个区域，用于研究系统能量与冲击地压发生和显现特征的关系，发生冲击地压时，煤岩动力系统总能量转换过程中分解为四部分，认为构造应力场下煤岩动力系统的能量是冲击地压的主要能量来源，并给出了计算方法，基于系统能量释放强度确定了动力系统失稳的判据。根据Mises屈服强度准则，确定了煤岩动力系统4个区域尺度计算方法；明确了冲击地压能量积聚条件主要是自然地质动力条件和开采工程条件，其动力学基础是能量的积聚，确定了冲击地压的动力机制是地质体提供的能量和工程活动提供的能量综合作用结果；提出了冲击地压发生的“三条件”准则。相应的理论研究内容都给出了现场应用实例。