階段。

圖8??Fig.8

m=5,D=0時(shí),不同剛度比時(shí)荷載及AER對(duì)x關(guān)系(箭頭表示沖擊地壓發(fā)生點(diǎn))

CurvesofloadPandAERversusdimensionlessdenotestheoccurrencepointofrockburst)

a.k=0.1;b.k=0.5

displacementxwhenm=5andD=0(thearrow

圖9??m=20,D=0時(shí),不同剛度比時(shí)荷載及AER對(duì)

x關(guān)系(箭頭表示沖擊地壓發(fā)生點(diǎn))

Fig.9??CurvesofloadPandAERversusdimensionlessdisplacementxwhenm=20andD=0(thearrow

denotestheoccurrencepointofrockburst)

圖7??m=1,D=0時(shí),不同剛度比時(shí)荷載及AER對(duì)

x關(guān)系(箭頭表示沖擊地壓發(fā)生點(diǎn))

Fig.7

CurvesofloadPandAERversusdimensionlessdenotestheoccurrencepointofrockburst)

a.k=0.5;b.k=0.9

a.k=0.1;b.k=0.5

displacementxwhenm=1andD=0(thearrow

幅度隨m的增大而升高,表明釋放的能量增大,沖擊地壓越猛烈。

m值小時(shí)(如m=1),煤柱內(nèi)部微單元的強(qiáng)度分布很不均勻(強(qiáng)的各向異性)且強(qiáng)度較低,加載時(shí)AE事件比較分散且大都出現(xiàn)在荷載峰值前,每個(gè)AER峰值基本對(duì)應(yīng)一個(gè)或很少個(gè)微單元的破壞,所以AER峰值較低。這說(shuō)明各向異性的煤柱在峰值,從圖7~圖10看出,隨m值增大,即煤柱的均勻性或脆性增大,AER活動(dòng)集中區(qū)將由遠(yuǎn)離峰值荷

,,

444JournalofEngineeringGeology??工程地質(zhì)學(xué)報(bào)??2005??13(4)

的活躍期出現(xiàn)在峰值荷載前,失穩(wěn)前AE活動(dòng)明顯降低;不發(fā)生沖擊地壓時(shí),AER幅度較高,AE活動(dòng)在峰值荷載前后一直活躍,且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并較明顯,呈現(xiàn)較為均勻的變化。這說(shuō)明煤柱在緩慢變形過(guò)程中,破壞是逐漸發(fā)生的,能量是逐漸釋放的,是一穩(wěn)態(tài)過(guò)程,不發(fā)生猛烈的破壞。根據(jù)這一現(xiàn)象,在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中如發(fā)現(xiàn)AE活動(dòng)活躍后的突然下降或平靜階段,應(yīng)及時(shí)綜合分析,作出合理預(yù)報(bào)。

圖10Fig.10

m=80,D=0時(shí),不同剛度比時(shí)荷載及AER對(duì)x關(guān)系(箭頭表示沖擊地壓發(fā)生點(diǎn))

CurvesofloadPandAERversusdimensionlessdenotestheoccurrencepointofrockburst)

a.k=0.1;b.k=0.5

displacementxwhenm=80andD=0(thearrow

無(wú)明顯的AE活動(dòng)峰值。m值較大時(shí)(如m=20,80),微單元的強(qiáng)度分布比較均勻且強(qiáng)度較高,所以AE活動(dòng)多出現(xiàn)在近峰值荷載前后;每個(gè)AER峰值

[5]

對(duì)應(yīng)著多個(gè)微單元的同時(shí)或基本同時(shí)的破壞,所以AER值較大。

圖8、圖9和圖10別說(shuō)明了3個(gè)不同AE序列的模式。(1)群震模式(圖8,m=5);(2)前震-主震-余震模式(圖9,m=20);(3)主震模式(圖10,

[25]

m=80)。這些觀察與Mogi依據(jù)試驗(yàn)工作的發(fā)現(xiàn)一致,他說(shuō)明在結(jié)構(gòu)均勻性上的差別會(huì)導(dǎo)致不同的AE模式。

對(duì)同一個(gè)m值,隨k的增大失穩(wěn)點(diǎn)位置后移(臨界位移x2,3增大),AER的幅度減小,能量釋放減小。m=1時(shí)(圖7b),失穩(wěn)前AE活動(dòng)降低,出現(xiàn)平靜期,預(yù)報(bào)人員可能會(huì)被從異常轉(zhuǎn)平靜的假象所迷惑,難以作出預(yù)報(bào);m=5時(shí)(圖8),AE活動(dòng)為群震模式,作出預(yù)報(bào)也較困難;m=20時(shí)(圖9),失穩(wěn)前出現(xiàn)明顯的前兆異常,比較容易預(yù)報(bào);m=80(圖10),失穩(wěn)前異常值不太明顯且持續(xù)時(shí)間短且緊鄰失穩(wěn),作出預(yù)報(bào)也較困難。可見(jiàn)煤柱-頂板系統(tǒng)失穩(wěn)的可預(yù)報(bào)性主要取決于煤柱材料的均勻性指標(biāo)或脆性指標(biāo)m值,m值太大或太小都不易預(yù)報(bào)。較好的預(yù)報(bào)方法是結(jié)合試驗(yàn)(確定m,k等參數(shù))、頂板沉降觀測(cè)與煤柱AE監(jiān)測(cè),根據(jù)(41)式進(jìn)行物理預(yù)報(bào)。

為對(duì)比沖擊地壓發(fā)生(D=0)與不發(fā)生(D??0)的AER變化情況,下面結(jié)合圖11做進(jìn)一步的分

圖11??m=2,k=0.5時(shí)荷載與AER對(duì)無(wú)量綱

位移的變化

Fig.11??CurvesofloadPandAERversusdimensionless

displacementxwhenm=2andk=0.5

a.D=0,發(fā)生沖擊地壓;b.D??0,不發(fā)生沖擊地壓

以上分析說(shuō)明,AE活動(dòng)不僅與m和k有關(guān),而且與系統(tǒng)的控制參數(shù)a和b及分叉集方程D有關(guān),即與系統(tǒng)的演化路徑有關(guān),失穩(wěn)系統(tǒng)與不失穩(wěn)系統(tǒng)的AE圖像有本質(zhì)區(qū)別。4.3

系統(tǒng)失穩(wěn)過(guò)程的分維特征謝和平

[1]

分析了巖爆過(guò)程的微震活動(dòng),認(rèn)為是

一種分形結(jié)構(gòu),并通過(guò)對(duì)實(shí)際觀測(cè)資料的分析發(fā)現(xiàn)接近發(fā)生巖爆時(shí),有降維現(xiàn)象。筆者利用他提出的分維計(jì)算方法,對(duì)上述AE活動(dòng)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分維計(jì)算。從圖12可看出,不同m值時(shí),分維隨x的變化規(guī)律不同;m值相同時(shí),k對(duì)分維變化規(guī)律的影響不大,這說(shuō)明分維的變化規(guī)律主要取決于m值。m=1時(shí),沖擊地壓都發(fā)生在分維突然下降后的階段。k=0.9時(shí),發(fā)生在最小分維值點(diǎn);k=0.5時(shí),發(fā)生在分維突然下降后的稍微上升階段。m=5時(shí),分維先上升后下降,然后變化比較平穩(wěn)且略有上升,

秦四清等:煤柱-頂板系統(tǒng)協(xié)同作用的脆性失穩(wěn)與非線性演化機(jī)制445

影響很小。

勻性(或脆性指標(biāo))m值及系統(tǒng)演化路徑的控制,不同的m值及不同的系統(tǒng)演化路徑對(duì)應(yīng)著不同的AE圖像和分維涵義。對(duì)沖擊地壓的預(yù)報(bào),單純用AE或微震技術(shù)是要冒很大風(fēng)險(xiǎn)的,是不可靠的。正確的方法是走物理預(yù)報(bào)的道路,走綜合預(yù)報(bào)的道路。

5??結(jié)??論

(1)把堅(jiān)硬頂板視為彈性梁,把煤柱視為應(yīng)變軟化介質(zhì)并采用Weibull分布描述它的損傷本構(gòu)模型,對(duì)頂板-煤柱系統(tǒng)的失穩(wěn),用突變理論方法進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)建立的尖點(diǎn)突變模型的分析發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)失穩(wěn)主要取決于梁的抗彎剛度與煤柱介質(zhì)在本構(gòu)曲線拐點(diǎn)處的剛度比k與材料的均勻性或脆性指標(biāo)m值,并給出了失穩(wěn)的充要條件力學(xué)判據(jù)。????(2)考慮煤柱介質(zhì)的粘性屬性或變形的蠕變

圖12

不同m值時(shí),分維隨無(wú)量綱位移x的變化(箭頭表示沖擊地壓發(fā)生點(diǎn))

Fig.12??Relationbetweenfractaldimensionand

dimensionlessdisplacementxfordifferentvaluesofm(thearrowdenotestheoccurrencepointofrockburst)

a.m=1;b.m=5

性,提出了一個(gè)系統(tǒng)演化的非線性動(dòng)力學(xué)模型(物理預(yù)報(bào)模型),可以根據(jù)試驗(yàn)確定的力學(xué)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查給出的幾何參數(shù),進(jìn)行煤柱-頂板系統(tǒng)的沖

擊地壓物理預(yù)報(bào)。頂板沉降的觀測(cè)數(shù)據(jù)包含有豐富的反映系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)的信息,有可能根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),反演其力學(xué)參數(shù)。

????(3)對(duì)木城澗礦頂板沉降的非線性分析表明,分叉集方程值D在遠(yuǎn)離失穩(wěn)時(shí),變化比較穩(wěn)定;臨近失穩(wěn)時(shí),快速增長(zhǎng)出現(xiàn)一高峰值,然后急劇下降,可以根據(jù)這一明顯特征,預(yù)報(bào)沖擊地壓的發(fā)生。????(4)根據(jù)材料損傷與AE事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了系統(tǒng)演化過(guò)程中AER的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),均勻性指標(biāo)m值及系統(tǒng)的演化路徑對(duì)AE活動(dòng)規(guī)律有很大影響,呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性取決于m的數(shù)值,m太大或太小都很難預(yù)報(bào)�？傊�,單純根據(jù)AE或微震活動(dòng)預(yù)報(bào)沖擊地壓是不可靠的,很難實(shí)現(xiàn)。

????(5)用分形理論分析了模擬得到的AER數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)分維的變化也主要依賴于m值和系統(tǒng)的演化路徑,降維現(xiàn)象與沖擊地壓的發(fā)生有時(shí)是對(duì)應(yīng)的,有時(shí)不對(duì)應(yīng)的,并無(wú)必然的聯(lián)系。根據(jù)降維現(xiàn)象預(yù)報(bào)沖擊地壓同樣也是不可靠的。總之,解決沖擊地壓

能否根據(jù)降維現(xiàn)象預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生呢?答案應(yīng)該是:有時(shí)可以,有時(shí)不可以。因?yàn)閺膱D13看出,有沖擊地壓時(shí),它發(fā)生在分維稍微下降后的上升階段,然后分維值迅速減小;無(wú)沖擊地壓時(shí),分維值反而有較長(zhǎng)階段的顯著降維現(xiàn)象,然后上升。降維現(xiàn)象與沖擊地壓的發(fā)生并無(wú)本質(zhì)的對(duì)應(yīng)聯(lián)系,用分維

作為反映沖擊地壓活動(dòng)的前兆指標(biāo)也是不可靠的。

圖13??m=2,k=0.5時(shí),發(fā)生(D=0)和不發(fā)生沖擊

地壓(D<>0)的分維隨無(wú)量綱位移x的變化Fig.13??Curvesoffractaldimensionversusdimensionless

displacementxwhenm=2andk=0.5

預(yù)報(bào)的根本出路是實(shí)現(xiàn)物理預(yù)報(bào)和綜合預(yù)報(bào)。

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