沖擊地壓發(fā)生的機理

1、第二章沖擊地壓發(fā)生的機理第一節(jié)沖擊傾向性鑒定一、彈性變形能沖擊地壓的巨大破壞性在于煤巖體瞬間釋放出大量的能量。從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，沖擊地壓的孕育和發(fā)生過程就是能量的積聚和突然釋放過程。為了說明沖擊地壓這種現(xiàn)象，首先必須搞清彈性變形能的概念。地下巖體（包括媒體）處在復(fù)雜的和強大的自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和開采的附加應(yīng)力場中。這樣，地下賦存的巖層和煤層，由于強大的應(yīng)力作用，必然導(dǎo)致其體積與形狀發(fā)生變化，即產(chǎn)生變形。這種變形是外力做功的結(jié)果。當(dāng)巖塊尚處于彈性狀態(tài)且變形不能解除時，外力做的功將以能量的形式儲存在巖體內(nèi)。這種由變形獲得的能量稱為彈性變形能，也稱為彈性位能，或簡稱為彈性能。因此，處于三向高應(yīng)力

2、狀態(tài)下的地下巖體，可能儲存有大量的彈性能。由于在外力作用下巖體發(fā)生體積和形狀變化，所以巖體內(nèi)的彈性能分為由于體積變化和由于形狀變化而形成的彈性能，分別稱為體變彈性能和形變彈性能。開采活動將改變原巖的應(yīng)力狀態(tài)。一旦積聚的彈性能釋放出來，就會表現(xiàn)出一系列的礦山壓力現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)彈性能的力學(xué)分析，表明地下巖體中積聚的彈性能與應(yīng)力大小及煤巖體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。、沖擊傾向煤層沖擊是沖擊地壓的最常見的顯現(xiàn)形式。因此煤的沖擊傾向是沖擊地壓機理研究的重要內(nèi)容之一。大量的沖擊地壓實例表明，同一礦井，在幾乎相同的自然地質(zhì)和開采技術(shù)條件下，有些煤層發(fā)生沖擊地壓，有些則不發(fā)生。這就說明發(fā)生沖擊地壓的煤體一般都具有一定的

3、物理力學(xué)特性，決定其積聚能量并產(chǎn)生沖擊破壞的能力，這種能力可稱之為沖擊傾向，是煤的固有屬性。煤層沖擊傾向鑒定，是進行預(yù)測和治理的前提，也是管理工作的基礎(chǔ)。在地質(zhì)勘探階段，從勘探鉆孔取得煤芯，在實驗室進行煤的沖擊傾向鑒定，其結(jié)果可作為礦井設(shè)計的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)，以便從開采程序及方法、開拓布置上采取措施，從根本上消除沖擊地壓的發(fā)生條件。在煤層開采以后，通過進一步的沖擊傾向鑒定工作，確定待采區(qū)的沖擊傾向級別，為生產(chǎn)、管理工作提供客觀的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)。煤的沖擊傾向可以通過試驗指標(biāo)加以度量。以下介紹三種較重要的指標(biāo)。1 .煤樣動態(tài)破壞時間在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下，煤試件從極限強度到完全破壞所經(jīng)歷的瞬態(tài)延續(xù)時間

4、稱為煤樣動態(tài)破壞時間，見圖2-1。沖擊地壓之所以成為一種災(zāi)害，不僅在于煤體破壞釋放出的能量非常大，而目在于煤體沖擊破壞的過程短暫。顯然，破壞過程的長短是能量積聚與耗散動態(tài)特征的綜合反映。因此，煤樣的動態(tài)破壞時間可以衡量沖擊傾向的程度。在一定條件下，煤樣的破壞時間取決于斷裂發(fā)展的速度。對巖塊斷裂機理的研究表明。巖石（包括煤）在壓縮下的脆性破裂分為三個階段，如圖2-2所示。從斷裂開始出現(xiàn)到臨界能量釋放點，屬斷裂穩(wěn)定擴展階段，斷裂速度從零開始增大；從臨界能量釋放到極限強度，屬斷裂不穩(wěn)定擴展階段，斷裂速度繼續(xù)增大并漸近于極限值Vt,對于給定的介質(zhì)，Vt為常值；從極限強度到試件完全崩裂，屬斷裂的分叉與匯

5、合階段，在普通試驗機加載條件下，這一過程是在極高的速度下完成的。上述分析證明，在普通試驗機加載條件下，脆性煤塊的破壞時間取決于斷裂分叉與匯合的速度，它反映了煤介質(zhì)的固有屬性。測試系統(tǒng)如圖圖2-2斷裂速度的變化圖2-3煤樣動態(tài)破壞時間測試系統(tǒng)1材料試驗機上加壓板；2一試件；3載荷傳感器；4一試驗機下加壓板；5動態(tài)應(yīng)變儀；6模擬磁帶機；7記憶示波器；8X-Y函數(shù)記錄儀2-3所示。試驗方法與常規(guī)單軸抗壓強度試驗相同。在普通壓力試驗機上，以加載速率控制方式對煤試件加載。加載速率取恒定值，約0.51.0MPa/S。利用載荷傳感器把試件所受的力變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)動態(tài)應(yīng)變儀放大后，輸入模擬磁帶機進行連續(xù)記錄

6、至試件破壞、然后，用記憶示波器捕捉磁帶機回放過程中載荷信號的跌落過程。最后，測量載荷從峰值跌落回零的延續(xù)時間（以ms為測量單位），并用X-Y函數(shù)記錄儀繪制破壞過程中的載荷一時間曲線，便得到測量結(jié)果。對我國和波蘭沖擊地壓情況不同的11個煤層，用共1070個試件進行試驗的典型破壞過2。4。的0/MPa10-a/MPfad/MPa200400套MMT/e程曲線見圖2-4,可以看出，煤的沖擊傾向不同，它們在極限強度后的斷裂不穩(wěn)定擴展形式圖2-4典型破壞過程曲線也不相同。強烈沖擊傾向的煤，斷裂擴展異常迅速，試件急速喪失承載能力；中等沖擊傾向的煤，結(jié)構(gòu)失效和材料失效的階段分界比較明顯，試件首先經(jīng)歷較慢的承

7、載能力降低的過程,以后才很快失去抵抗能力；無沖擊傾向的煤，斷裂擴展比較緩慢，承載能力的降低呈現(xiàn)多次臺階式的發(fā)展過程，殘余強度表現(xiàn)明顯。這6種煤樣的測試結(jié)果見表2-1。試驗表明，所測11種煤樣的動態(tài)破壞時間DT服從以下鑒定判據(jù)：DTW50ms沖擊傾向強烈50<DT<500ms沖擊傾向中等DT>500ms無沖擊傾向表2-1煤層DT試驗結(jié)果類別取樣煤層的沖擊地壓顯現(xiàn)情況DT試驗名果ms試件數(shù)量1強度和頻度均高（中國）35342強度和頻段均高（波蘭）14233強度和頻度均高（波蘭）11254強度較低（中國）254315強度較低（波蘭423396無沖擊礦井顯現(xiàn)（中國）250420DT作

8、為煤的沖擊傾向鑒別指標(biāo)具有以下優(yōu)點：綜合反映了煤在加載系統(tǒng)作用下，能量變換的全過程，突出表現(xiàn)了煤的破壞動態(tài)特點；在一定范圍內(nèi)，不受加載速度、試驗機剛度和試樣強度的影響，反映了煤的固有沖擊傾向?qū)傩?；對沖擊傾向敏感，沖擊傾向不同的煤，其DT有量級差別，便于分級；試驗方法簡單，便于采用先進的量測系統(tǒng)。2 .彈性能指數(shù)Wet彈性能指數(shù)Wet是單位體積的煤破壞前在受力過程中所儲存的彈性變形能與消耗的能量的比值。顯然，煤受力后所消耗的能量越少，而儲存的能量越多。它發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。因此，彈性能指數(shù)的大小反映了煤層的沖擊傾向性。根據(jù)大量的實驗結(jié)果，按Wet對煤層沖擊傾向進行鑒別的指標(biāo)如下：3 et&

9、gt;5煤層具有強烈沖擊傾向4 <Wet<5煤層具有較弱沖擊傾向WetV2煤層不具有沖擊傾向彈性能指數(shù)的具體測定方法如下：首先，對煤層進行地質(zhì)分析，把煤層分成若干分層，對每個分層分別取樣、抽樣測定一批煤樣的極限強度平均值；然后在試驗機上進行單軸加載試驗，當(dāng)載荷加到強度的75%85%時卸載。作出試塊的加載、卸載應(yīng)力一應(yīng)變曲線，見圖2-5。卸載曲線下的面積A1代表試件儲存的變形能，而加載曲線和卸載曲線包圍的面積A2代表加載過程中試塊所消耗的能量。因此用下式求出Wet：對整個煤層按分層厚度為權(quán)，進行加權(quán)平均：1Wet=a（Wet1M1+Wet2M2+We訃Mn）（2-1）式中Wet、喋、

10、Wet2、，、We2分別為整個煤層、第一分層、第二分層、第n分層的彈性能指數(shù)；MM2、，、Mn一分別為整個煤層、第一分層、第二分層、，、第n分層的厚度。彈性能指數(shù)Wet是波蘭在50年代首先提出來的鑒別沖擊傾向指標(biāo)。目前，在波蘭、法國、日本等國家得到一定程度的推廣。我國和波蘭部分煤層的典型試驗數(shù)據(jù)列于表2-2。表2-2煤層彈性能試驗參數(shù)類別取樣煤層沖擊地壓情況彈性能指數(shù)Wet全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征參量沖擊傾向n類曲線沖擊能系數(shù)K1強度和頻度均高（中國）5.209.56有8.3強烈2強度和頻段均高（波蘭）7.5110.75有11.334.6強烈4強度較低（中國）2.422.70無3.0中等5強度較低（

11、波蘭）2.533.16無3.5中等6無沖擊礦井顯現(xiàn)（中國）1.902.05無1.3無應(yīng)該指出，彈性能指數(shù)僅涉及煤塊在加載過程中儲存變形能的能力，沒有反映煤在破壞階段的能量釋放與消耗的特點。此外，煤塊的彈性能指數(shù)的測定存在一定困難，不夠方便和準(zhǔn)確。3 .全應(yīng)力一應(yīng)變曲線單向壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線是研究煤巖材料變形破壞性質(zhì)的方便工具。包括從開始加載到徹底破裂全部變形范圍的這種曲線稱為單向壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線，簡稱為全應(yīng)力一應(yīng)變曲線。煤屬于脆性材料，其典型的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖2-6所示。圖中曲線OA段為壓密階段，AB段為彈性階段，BC為破裂發(fā)展階段.C點所對應(yīng)的應(yīng)力為煤的強度極限，又稱為峰值強度。由此O

12、AB又稱為峰前特性曲線，而CD段相應(yīng)地稱為峰后特性曲線、在CD段,材料抵抗載荷的能力隨著變形的增加而減少。D點稱為完全破壞點，該點所保持的某一較小的應(yīng)力值稱為殘余強度。由于這時試件已散裂，所以殘余強度反映了破裂碎塊之間的摩擦所產(chǎn)生的應(yīng)力。在討論煤的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線時，通常對“破壞”和“破裂”賦以不同的含義。破裂用來表示材料某一斷面的內(nèi)聚力喪失；而破壞則是材料抵抗載荷的能力不斷降低的連續(xù)過程，這個過程從圖2-6中C點開始，到D點結(jié)束。圖2-6煤的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖2-7兩類全應(yīng)力一應(yīng)變曲線試驗機剛度對全應(yīng)力一應(yīng)變曲線的特性有很大影響。試驗機的剛度定義為力的變化量和相應(yīng)的工作臺位移的比值。利用普通

13、試驗機進行煤的單向壓縮試驗時，由于試驗機剛度較小，在試件產(chǎn)生變形和積聚一定變形能的同時，試驗機的機械系統(tǒng)也相應(yīng)產(chǎn)生變形和積聚一部分變形能。如果試驗機的剛度遠(yuǎn)小于試件的剛度，則在應(yīng)力超過試件的極限強度以后，隨著試件破裂的迅速發(fā)展抵抗載荷的能力降低，試驗機的變形能就會通過試塊迅速地釋放，使試件出現(xiàn)炸裂式破壞、因此，為了得到全應(yīng)力一應(yīng)變曲線，就要使用剛性試驗機或電液伺服控制試驗機。研究表明，巖石（包括煤）的峰后特性可以分成兩類（圖2-7）。I類屬破裂穩(wěn)定傳播特性，在試件最大承載能力被超過以后，外力仍需做功以使試件進一步破壞，使其承載能力進一步降低；n類屬破裂非穩(wěn)定傳播特性，在試件最大承載能力剛被超過

14、的瞬間，試件所積蓄的能量足夠保持裂隙的生長并使其擴展至整個試件。兩類試件的分界線為圖（2-7）中的垂線CD。它代表所積蓄的能恰好能造成試件完全破壞這樣一種情況。因此，全應(yīng)力一應(yīng)變曲線的類型能夠反映煤的沖擊傾向性能。為了定量地表達沖擊傾向的強弱，可以從I類曲線中取峰值強度前后的面積之比作為鑒別指標(biāo)，見圖2-6,稱為沖擊能系數(shù)K,它直觀地反映了蓄能和耗能情況。面積A代表試件在加載過程中所積蓄的能量，面積B是試件破壞過程中耗損的能量。顯然，如果煤的破壞所需要的能量越多，而它破壞時所消耗的能量越少，則這種煤越容易發(fā)生沖擊地壓。對實際沖擊地壓情況不同的煤層所進行的測定結(jié)果見表2-2,典型的曲線見圖2-8

15、。根據(jù)這些試驗所得出的鑒定判據(jù)如下：具有I類形狀峰后特性的煤或K>5沖擊傾向強烈4 .5WKV5沖擊傾向中等KV1.5無沖擊傾向利用煤的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線反映煤的沖擊傾向有以下優(yōu)點：全應(yīng)力一應(yīng)變曲線包含有關(guān)沖擊傾向的豐富信息，的全部過程，對于揭示沖擊傾向的物理本質(zhì)具有重要意義。圖2-8典型的實測全應(yīng)力一應(yīng)變曲線AcAi一未注水樣；A4一注水樣；B一未注水弱沖擊傾向樣；C一無沖擊傾向樣直觀和全面地反映了從蓄能到耗能在伺服控制試驗條件下，各種煤樣盡管峰前特性或多或少具有相似之處，但峰后特性卻全然不同，明顯地反映了不同的破壞特點。井下采場附近煤體具有結(jié)構(gòu)弱面，在不同程度上受到了支承壓力等的破壞，

16、因此，試塊試驗結(jié)果的峰后特性更接近于實際情況。其缺點是需要特殊的試驗裝置，受應(yīng)變速率等因素影響較大，因此它的實用性受到一定的限制。上述三種鑒定煤的沖擊傾向的指標(biāo)均來自實驗室，且僅涉及單向壓縮試驗條件。今后的研究方向是探索現(xiàn)場試驗的方法和指標(biāo)，研究三向應(yīng)力狀態(tài)對沖擊傾向的影響。除了煤層可能具有沖擊傾向外，巖石也有沖擊傾向問題。實際上，在發(fā)生嚴(yán)重沖擊地壓的地點，頂板往往是又厚又硬。為了標(biāo)定頂板的特性，從沖擊地壓防治的觀點加以分類，已提出了一些指標(biāo)，其中最簡單的是W3WnWf=Wi+W2+-（2-2）n-2式中Wf頂板彈性能指數(shù)；n從煤層垂直向上30m內(nèi)的分層數(shù)；Wi、，、Wn從底層算起，各分層厚（

17、按m計）與該層權(quán)的乘積。權(quán)值，對砂巖、石灰?guī)r取2.0;對粉砂巖、泥巖、頁巖和煤取1.0。若算出的指數(shù)Wf為4060,則頂板中累積的彈性能可能很大，這種頂板需要在工作面前方預(yù)先使其破裂，以避免發(fā)生嚴(yán)重的沖擊地壓；當(dāng)Wf為2040時，則累積的能量不太大；如Wf在20以下，說明頂板松軟易碎，不會產(chǎn)生沖擊地壓。第二節(jié)機理研究概述沖擊地壓發(fā)生機理的研究始于南非對金屬礦巖爆問題的研究。早期的沖擊地壓強度理論，基于當(dāng)時的力學(xué)水平和實際觀測，主要著眼于煤巖體的破壞原因，認(rèn)為當(dāng)井巷和采場周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力達到煤巖極限強度時，巖層發(fā)生突然破壞，形成沖擊地壓。在強度理論指導(dǎo)下，采取的降低應(yīng)力集中措施，促進了沖擊

18、地壓的防治工作。然而，實際上井巷和采場周圍煤巖體經(jīng)常出現(xiàn)局部超過其強度的現(xiàn)象，但并不發(fā)生沖擊地壓。這說明應(yīng)力達到極限強度，只是煤巖開始破壞的條件，而不是沖擊破壞的條件。60年代中期，庫克等在總結(jié)南非防治沖擊地壓經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)沖擊地壓發(fā)生時引起的地震和破壞，并猛烈拋出巖石等動力現(xiàn)象的事實，認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓需要大量能量。而且這樣大的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被破壞巖體原儲存的變形能，所以圍巖必然也參與釋放能量。他們提出了隨著采掘范圍的不斷擴大，“礦體-圍巖”系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時所釋放的能量大于消耗的能量時就發(fā)生沖擊地壓的理論。由于是從能量轉(zhuǎn)換角度建立的沖擊地壓發(fā)生理論，所以稱能量理論。能量理論為沖擊地

19、壓防治提出了采取降低“礦體-圍巖”系統(tǒng)破壞時所釋放的能量和增加消耗的能量，以避免或減緩沖擊地壓危害的新途徑。不過能量理論雖然說明了沖擊地壓是在“礦體-圍巖”系統(tǒng)力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時，釋放的能量大于消耗的能量時發(fā)生，但沒有說明力學(xué)平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞的條件，特別是圍巖釋放能量的條件，所以也是不夠完善的。剛性試驗機問世以后，庫克等根據(jù)用普通試驗機試驗時試件猛烈破壞，而用剛性試驗機試驗時則破壞并不猛烈，且可以得到應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，追其原因是試驗機的剛度大于試件的剛度。把礦柱與圍巖的關(guān)系比擬為試件與試驗機的關(guān)系，把礦柱中發(fā)生的沖擊地壓解釋為圍巖的剛度小于礦柱的剛度。70年代布萊克將其普遍化，并用于分

20、析沖擊地壓問題，把礦體視為礦山結(jié)構(gòu)，把圍巖視為礦山負(fù)荷系統(tǒng)，提出了礦山結(jié)構(gòu)的剛度大于礦山負(fù)荷系統(tǒng)的剛度是產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件。1984年佩圖霍夫在他提出的沖擊地壓發(fā)生理論中也引入了剛度條件，但他把礦山結(jié)構(gòu)的剛度明確為達到極限強度后的應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的剛度。這種理論稱剛度理論。事實上，這只是沖擊地壓發(fā)生的必要條件，還要有充分條件，而布萊克并沒有說明。沖擊地壓的發(fā)生不僅與外部條件有關(guān)，而且與煤巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者進行了大量試驗研究，以尋求一種或一組指標(biāo)來衡量煤巖介質(zhì)產(chǎn)生沖擊式破壞的能力。這種能力稱之為沖擊傾向，是煤巖介質(zhì)的固有屬性，產(chǎn)生沖擊地壓的內(nèi)在因素，因此稱其為沖擊傾向理論

21、?；谏鲜隼碚摰木窒扌裕筇岢霭巡煌碚摰呐袆e準(zhǔn)則組合在一起作為沖擊地壓發(fā)生理論的所謂組合理論。國內(nèi)外學(xué)者都在這方面進行過嘗試。例如強度理論缺乏沖擊地壓發(fā)生的充分條件，能量理論缺乏必要條件。把它們組合在一起可以互相補充，并視強度準(zhǔn)則為煤巖的破壞準(zhǔn)則，是沖擊地壓發(fā)生的必要條件；視能量準(zhǔn)則和沖擊傾向度準(zhǔn)則為煤巖突然破壞準(zhǔn)則，是沖擊地壓發(fā)生的充分條件。根據(jù)已揭示的煤巖變形破壞機理，礦體承受的應(yīng)力達到極限強度即開始破壞。在“礦體-圍巖”組成的系統(tǒng)無外力做功的條件下，礦體與圍巖相互作用。由于礦體應(yīng)力已超過強度，其承載能力隨變形增大而降低，導(dǎo)致圍巖卸載和釋放能量。當(dāng)釋放能量大于所消耗的能量時，破壞過程將

22、加速進行，直至發(fā)生沖擊式破壞，即形成沖擊地壓。隨著剛性試驗機和伺服控制試驗機等現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對煤巖變形破壞機理有了更多的了解，認(rèn)識到煤巖的突然破壞是破裂的失穩(wěn)形式。1983年以后，國內(nèi)外許多學(xué)者把沖擊地壓視為力學(xué)的失穩(wěn)現(xiàn)象進行論述，從煤巖破壞機理出發(fā)，提出沖擊地壓失穩(wěn)理論。認(rèn)為采掘造成應(yīng)力集中，部分煤巖體因進入極限強度后變形而具有應(yīng)變軟化性質(zhì)。其周圍煤巖體因尚未進入極限強度后變形，力學(xué)性質(zhì)還不具有應(yīng)變軟化性質(zhì)，導(dǎo)致原來的煤巖系統(tǒng)變成由兩種不同性質(zhì)介質(zhì)組成的新系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時，在外界擾動下將發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)失穩(wěn)過程中系統(tǒng)釋放的能量大于消耗的能量時，多余的能量轉(zhuǎn)化為動能而引

23、起沖擊地壓。從煤巖破裂角度看，進入強度后期的煤巖已開始出現(xiàn)宏觀裂隙，當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時，裂縫發(fā)生失穩(wěn)擴展，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所消耗的能量時，發(fā)生沖擊地壓。第三節(jié)沖擊地壓發(fā)生的判別準(zhǔn)則沖擊地壓發(fā)生理論主要包括沖擊地壓發(fā)生的機理和發(fā)生的判別準(zhǔn)則。前者指沖擊地壓發(fā)生的物理過程，后者是發(fā)生的充分及必要條件?；凇暗V體一圍巖”系統(tǒng)的力學(xué)平衡狀態(tài)破壞而釋放能量的認(rèn)識，本節(jié)根據(jù)國內(nèi)外沖擊地壓研究中傳統(tǒng)的強度理論和近期提出的從能量積聚釋放形成沖擊的理論，著重介紹強度理論、能量理論、沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論，并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。一、強度理論從力學(xué)觀點看，沖擊地壓機理研究中，首先關(guān)注的是煤巖體的強度問題，并逐

24、步形成強度理論。早期的強度理論主要是圍繞巖體形成應(yīng)力集中的原因而提出多種假說。近代的強度理論則主要著眼于“礦體-圍巖”力學(xué)系統(tǒng)極限平衡條件的分析推斷，并開始用實測資料進行具體的定量分析。具有代表性的是“夾持”煤體理論。認(rèn)為煤體處于頂?shù)装鍔A持之中，夾持特性決定了“煤體圍巖”系統(tǒng)的力學(xué)特性。在煤體夾持帶不僅產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中和儲存相當(dāng)高的彈性能。而且高壓帶和高彈性能積聚區(qū)就位于煤壁附近，且承載能力儲備小。因此,只要煤體載荷稍有增加，就可能導(dǎo)致煤體破裂。其破裂形式取決于釋放的類型和強度。如果應(yīng)力大小足以釀成一次沖擊地壓，則被壓縮的煤體將產(chǎn)生沖擊式加速破壞。這時煤體中原有的結(jié)構(gòu)弱面處或新破裂面處的強度

25、急劇下降，煤體作為一個內(nèi)部具有一定破裂的整體，沖擊式地拋入巷道。若煤體夾持力不高，則煤體破裂和釋放能量通常并不能導(dǎo)致煤體強度大幅度下降。這時煤體破裂帶隨著煤壁變形、片幫而不斷擴大，或是破裂帶擴展而發(fā)生劈裂聲或微沖擊。由于井下煤巖體除了承受深度壓力和支承壓力作用外，還存在由于地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力和其它應(yīng)力。而且由于“煤體一圍巖”系統(tǒng)處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，內(nèi)部存在弱面，所以煤巖體的承載能力應(yīng)是煤體-圍巖系統(tǒng)的強度。只要外載大于承載能力，就會發(fā)生破壞。導(dǎo)致巖體破壞的決定因素，不是應(yīng)力本身，而是它與巖體強度的比值。當(dāng)煤巖應(yīng)力等于或大于煤巖系統(tǒng)的強度時發(fā)生破壞。因此發(fā)生沖擊地壓的強度條件或強度判據(jù)為

26、：CT1/、卜*廣(2-3)沖擊地壓的形成主要取決于煤巖體產(chǎn)生沖擊式破壞的能力，也就是力學(xué)中的儲能或脆性破壞的能力。關(guān)于沖擊地壓發(fā)生理論存在許多不同見解。主要有能量理論、剛度理論，沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論。二、能量理論能量理論認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓需要大量能量，不僅礦體釋放能量，圍巖也釋放能量。提出隨著采掘范圍的不斷擴大，“礦體-圍巖”系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時，可釋放的能量大于消耗的能量時就產(chǎn)生沖擊地壓。考慮到發(fā)生沖擊地壓能量轉(zhuǎn)換的不均勻性和時間效應(yīng)，礦體和圍巖儲存的能量應(yīng)乘以釋放系數(shù)，以單位時間的能量釋放和消耗作為判據(jù)：:dWE.dWs(2-4)IdtJIdtJdWD""dT式

27、中：We圍巖儲存的能量;Ws礦體儲存的能量;a圍巖釋放能量有效系數(shù)；3礦體釋放能量有效系數(shù)；Wd消耗于“礦體-圍巖”交界處和礦體破壞阻力的能量。三、沖擊傾向理論沖擊傾向理論是基于發(fā)生沖擊地壓的煤巖介質(zhì)都有一定的力學(xué)特性，具有產(chǎn)生沖擊式破壞的能力沖擊傾向。采用相應(yīng)的指標(biāo)或指標(biāo)組來度量介質(zhì)的沖擊傾向稱沖擊傾向度。：生沖擊地壓的沖擊傾向判據(jù)是介質(zhì)實際的沖擊傾向度Ke大于規(guī)定的極限值Ke*,即Ke*Ke-1(2-5)關(guān)于沖擊傾向的指標(biāo)很多，主要的有彈性能指數(shù)WEt、沖擊能指數(shù)Ke、動態(tài)破壞時間Dt等。其中彈性能指數(shù)Wet應(yīng)用較廣。它是在試驗室內(nèi)對試件進行單軸壓縮試驗，加載至強度的70%80%后卸載至零

28、，然后根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線用圖形積分法求出彈性變形能與塑性變形能之比，即彈性能指數(shù)。并規(guī)定Wet>5屬嚴(yán)重沖擊傾向，Wet在25之間屬中等沖擊傾向；Wet<2屬無沖擊傾向。四、組合理論組合理論是把強度理論、能量理論的判據(jù)以及把煤巖沖擊傾向指數(shù)是否達到極限值作為沖擊傾向度判據(jù)，組成了新的沖擊地壓判據(jù)：'WWe、+bj-WSctcxjjctcxj:2Wdft?xj(2-6)式中：fi采掘造成的附加應(yīng)力；f2地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力；f3巖層自重應(yīng)力；f4其它應(yīng)力（瓦斯壓力、裂隙水壓力、溫度壓力等）；f5煤體一圍巖交界處的應(yīng)力；Ke煤巖沖擊傾向指數(shù)；Ke煤巖沖擊傾向指數(shù)極限值；*.b煤體一圍巖系統(tǒng)的極限強度；