中国矿业大学 窦林名 何学秋 王恩元重庆大学 曹树刚
摘要 本文分析了煤矿冲击矿压与矿山震动之间的关系，提出了矿山震动的机理及震动模型，给出了矿山震动中心的定位方法以及矿山震动能量的计算方法。在此基础上，提出了冲击矿压危险性评价与预测预报的微震法。实践检验结果，证明效果良好。 关键词 冲击矿压 震动 危险性评价 预报
1 震动与冲击矿压
从煤矿发生的动力现象震动来看，岩体中发生的震动都是由于地下开采引起的，是岩体断裂破坏的结果。从记录的地震图来看，震动发生的时间很短，从几秒到几十秒，震动传播的距离有长有短。有些震动传播的距离很远，强烈的在地表都能感觉到。 冲击矿压是煤岩体中聚积的弹性能震动动力释放、动力冲击造成的。冲击矿压可能出现在震动中心。若在震动中心没有发生动力过程，则不会在震中发生冲击矿压，而在有动力过程的地点发生。即冲击矿压的地点可能是震动中心，也可能是发生在距震中很远的地方。因此震动和冲击矿压的基本关系为:
(1)冲击矿压是矿山震动的事件集合之一;(2)冲击矿压是岩体震动集合中的子集;(3)每一次冲击矿压的发生都与岩体震动有关，但并非每一次岩体震动都会引发冲击矿压。
图1 冲击矿压和震动的次数与震动能量级之间的关系
从冲击矿压与岩体震动的关系来看，发生冲击矿压的最低能量为1E 03J ，大部分是从1E 05J 开始的。在能量级别为1E 06J 时，发生的冲击矿压最多。但并非每次1EJ 的震动都有冲击矿压发生。图1表示发生震动、冲击矿压发生的次数与震动释放的能量级之间的关系。2 震动发生的机理
在开采应力影响下，岩体的弹性特性决定读反对本本主义有感
使机头下降，机器越上调，下沉越严重，最后任其下沉，达极限后再慢爬坡进行。
(6)进行地质编录工作困难，后盾后底部仅有3m 2的开口暴露处。所以在机械运行中，无法判断围岩情况。
作者简介 贾春年,1964年生。1985年毕业于阜新矿业学院采矿系,1988年考入中国矿业大学研究生部学习，研究方向为矿山压力。曾从事煤矿安全培训教学等工作，现在山西引黄工程任施工监理工程师，已发表论文多篇。
夹竹桃教学设计(收稿日期:1999-01-06；责任编辑：晓南)
着岩体的动态变化，而且与岩体的震动参数相关。图2表示了几种由于采矿引发的震动
。
图2 由采矿引发的断裂和震动模型
211 震动位移方程
地震波源是某个封闭的区域，其内部为非弹性变形，外部只有地震波传播。如果是在距波源较远，如大于几个波长的地方，则可将该波源的区域处理为点。图3为地震波的点源模型。
图3 地震波的点源模型
在这种情况下，岩石介质中的弹性波在作用力f (t )的作用下，从零(t <0)迅速增加到稳定值。如该力作用x 轴方向，这时，当t ≥0时，位移场(x ,y ,z 方向)可由下式表示:
u =1
4ΠΘ52( -7)
5x
锻压技术
2
+ 27Τ=
14ΠΘ52( -7)
5x 5y (1)w =
14ΠΘ52( -7)5x 5z
式中 Θ密度;
,7球形波函数;
=1
r F (t -r
ΤΑ)
7=
1
r
F (t -
r
ΤΚ
)
(2)
苯磺唑酮F (t )是与力源f (t )的变化有关的函数。
f (t )=
d 2F (t )
d t 2
(3)
借助上式，可分析在震源不同力系的作用情况。考虑波源的发射特征，并通过地震观察确认，地震学中最常用的是双力带力矩的模型。用M (t )代替f (t )，远波场中不考虑1 r 2、1 r 3，并用球形坐标r ,(, 表示，则
纵波 u r =14ΠΘ1Τ3
Α1r M ’(t -r
ΤΑ)sin 2(sin2 横波 u (=14ΠΘ1Τ3
Β1r M ’(t -r
ΤΒ)sin (cos (sin2 (4)横波 u =14ΠΘ1Τ3
Β1r
M ’(t -r
ΤΒ)sin (sin2 由上式可见，对于纵波和横波，其位移场是变化的。存在两个相互垂直的平面，一是断
层的剪切面，一是垂直于断层面的法向面，在该两个平面上，纵波的振幅为零。纵波的最大振幅在(=±45°，向外为正，向内为负。而横波却恰好旋转了45°。图4为双力带力矩的模型的震动纵横波位移图。
图4 双力带力矩的模型的震动纵横波位移图
212 震动中心位置的确定
矿山微震观测的主要任务之一是确定震动中心的位置。而岩体震动中心位置的确定主要是根据微震网各个观测站观察、记录到的地震波为基础的。采矿中，确定矿山震动中心位置的近似方法主要有:
—强度法。以人的感觉或环境破坏的程度，作出等震线，其最高值的中心即为震动源。—方位角法。在微震观测中，布置两个三维地震仪观测站，根据地震波纵波首次进入的振幅，来预计其运动方向和近似确定中心位置。
计算机软件保护条例震动中心定位法有:
(1)纵横波首次进入时间差法。根据纵横波传播时间的不同，而确定其中心位置。即
t s -t p =s
ΤΑ-ΤΒ
ΤΑ-ΤΒ(5)式中 ts ,tp 横波，纵波的首次进入时间;ΤΒ,ΤΑ
横波，纵波的传播速度; s 震源到观测站的距离。
(2)纵波首次进入时间法。根据纵波从震动中心传播到各个观测站首次进入时间的不同，确定震动中心的位置。即:
s i =ΤΑ(t i -t 0)(6)式中 s i 震源到i 个观测站的距离;t 0震动发生的时刻;t i 纵波首次进入第i 个观
测站的时间。
(3)相对定位法。即在震源附近，采用人工激发(如爆炸等)的方法，进行修正，以便精确定位。
213 震动能量的估算
(1)Gutenberg -R ich ter 法。根据质点的振动传播理论，并认为质点以正弦的形式振动，则其能量可由下式计算:
E =2Π3ΘΤk r 2e kr (A k f k )2
Σk (7)式中 Σ
波组的持续时间;A ,f 波的振幅和频率;Θ
地震波的阻尼系数;
k
表示纵波或横波;
r
距震中的距离。
(2)能量密度法。根据观测点测量的能量密度来计算震动能量。认为，震动能量可由某个封闭球表面的能量密度参数来计算。即:
Ε(r )=2Π3Θ2Τk (A k f k )2
Σk
(8) Ε(R )=Ε(r )F (r )
F (r )=(2r )2n e r (2r -1)
如取球半径R =500m ，从震源释放的能量为 E =106ΠΕ(r )F (r )(9)(3)震动持续时间法 l og E =B l og t +F (10)
t =L 2-L 1
式中 L 1震动波进入的时间;L 2震动波结束的时间。
(4)地震图积分法
E =4ΠΘΤk r 2e r ∫
t 2
t 1 Τ(t ) 2
d t (11)
式中 Τ(t )振动速度;t 1,t 2i 波组的时间间隔。(5)里氏震级法
l og E =a +B l og M L
(12)
3 冲击矿压危险性的评价311 指标的选取
对冲击矿压的危险性评价，主要是根据矿山震动能量的大小进行。其选用的指标如下:(1)发生的某个能量等级的能量(E )和最大能量(E m ax )；即e 1=l og (E ),e 2=l og (E m ax );(2)5m 推进度内平均释放能量总和(
∑E
5),e 3=l og (
∑E
5);(3)振动卸压放炮激发的能量(E strz ),e 4=l og (E strz );
(4)巷道中的震动后果观察;(5)5m 推进度的总平均能量(
∑E
5)与推进5m 释放的总能量(∑E sr 5)之比,
e 5=
2E 5
2E sr 5
312 冲击矿压危险状态的评价
采掘工作面冲击矿压的危险性及危险性预报可由下式来进行:
Λs =∨n
i =1{Λei (e i )}
(13)
其中:
当 a i ≤e i <b i 时 Λei (e i )=
e i -a i b i -a i
(14)
当 e i <a i 时 Λei (e i )=0当 e i ≥b i 时 Λei (e i )=1
式中 a i ,b i 系数，根据是采面还是巷道及采用的支护方式，采煤方法等来确定。图5表示了采用微震法对某矿535b 垮落法工作面、535a 充填法工作面、535a 切眼及535a 风巷的冲
击矿压危险性评价的危险状态值。结果表明，其危险性评价及防治的效果良好。
图5 冲击矿压危险性的变化情况
-・-535a面;-■-535b面;-▲-535a斜巷;-×-535a切眼
4 总结与结论
(1)岩体中发生的震动都是由于地下开采引起的，是岩体断裂破坏的结果。
(2)每次发生冲击矿压都与岩体震动有关，但并不是每次岩体震动都会引发冲击矿压。
(3)岩体中力作用的结果，将产生两种变形，以两种不同的波，即纵波和横波，波速为ΤΑ和ΤΒ传播。
参考文献
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(收稿日期:1999-07-20；责任编辑：尤里)
作者简介 窦林名,1963年生，中国矿业大学副教授，博士。1986年毕业于中国矿业大学，获硕士学位。1994年至1998年在波兰西里西亚工业大学进修学习，获博士学位。从事矿山压力，冲击矿压的预测预报、危险性评价及防治，采场控制设计，顶板灾害防治，支护质量与顶板动态监测，采矿地球物理方法等方面的研究与实践工作。完成《支护质量与顶板动态监测》、《冲击地压危险性评价》等科研课题多项，发表论文20多篇，参加《中国煤矿采场围岩控制》等书的编写工作。
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