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冒落型矿震能量确定探讨
2006-07-15
冒落型矿震是一种普遍发生的采空区灾害,正确确定冒落矿震的能量是准确预报矿震强度的前提。 为此从上部岩体冒落做功分析着手分析了位势能的转换,分别探讨了影响振动能、破碎能、冲击变形能大小的因 素;提出了基于实验室测定位势能转化为振动能转化系数的矿震能量的定量确定思路;并对矿震能量耦合进行了 简单探讨。
SeJruileysꢀ N2o0.03661ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总06第年 3第617期期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 冒落型矿震能量确定探讨 1 , 2 1 ꢀ 张 晓 君 郑 怀 昌 ( 1 山 东 理 工 大 学 ; 2 北 京 科 技 大 学 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 冒 落 型 矿 震 是 一 种 普 遍 发 生 的 采 空 区 灾 害 , 正 确 确 定 冒 落 矿 震 的 能 量 是 准 确 预 报 矿 震 强 度 的 前 提 。 为 此 从 上 部 岩 体 冒 落 做 功 分 析 着 手 分 析 了 位 势 能 的 转 换 , 分 别 探 讨 了 影 响 振 动 能 、 破 碎 能 、 冲 击 变 形 能 大 小 的 因 素 ; 提 出 了 基 于 实 验 室 测 定 位 势 能 转 化 为 振 动 能 转 化 系 数 的 矿 震 能 量 的 定 量 确 定 思 路 ; 并 对 矿 震 能 量 耦 合 进 行 了 简 单 探 讨 。 关 键 词 ꢀ 冲 击 功 ꢀ 冒 落 型 矿 震 ꢀ 矿 震 能 量 ꢀ 转 化 系 数 Investigation on Energy Determination for Cavein Type Mining Tremor 1 , 2 1 Zheng Huaichang ꢀ Zhang Xiaojun ( 1. Shandong University of Technology; 2. University of Science and Technology) Abstractꢀ Cavein type mining tremor is a common disaster in minedout area. Correct determination of the energy of cavein type mining tremor is the essential prerequisite for accurate forecasting of mining tremor strength. The transforma tion from the potential energy into the work done by the cavein of the upper rockmass is analyzed and the factors affecting the vibration energy, breaking energy and impact deformation energy are discussed. It is proposed to quantify the energy of mining tremor by the coefficient of the transformation from the laboratorymeasured potential energy into vibration energy and the energy coupling of mining tremor is investigated in a simple way. Keywordsꢀ Impact work, Cavein type mining tremor, Energy of mining tremor, Transformation coefficient ꢀ ꢀ 在 非 煤 矿 山 采 空 区 诱 发 的 各 类 灾 害 中 , 矿 震 和 矿 震 能 量 对 于 准 确 预 测 矿 震 灾 害 至 关 重 要 。 高 速 的 空 气 冲 击 气 浪 危 害 较 为 严 重 , 且 具 有 一 定 的 普 遍 性 。 大 范 围 的 岩 体 突 然 破 坏 和 冒 落 , 释 放 大 量 的 能 量 , 可 使 整 个 矿 井 或 巷 ( 隧 ) 道 、 采 场 报 废 , 造 成 人 员 大 量 伤 亡 和 设 备 破 坏 , 甚 至 波 及 地 面 , 成 为 矿 区 范 围 内 人 为 诱 发 的 地 震 灾 害 1] 。 矿 震 破 坏 具 有 在 瞬 间 完 成 、 来 势 凶 猛 、 过 程 极 短 、 先 兆 不 明 显 等 特 点 , 难 以 预 报 。 随 着 矿 山 开 采 深 度 加 大 , 地 质 条 件 及 地 应 力 不 断 提 高 , 深 部 地 压 活 动 将 更 加 剧 烈 , 因 而 引 起 1ꢀ 冒 落 岩 体 位 势 能 的 转 换 采 空 区 上 部 岩 体 冒 落 时 , 冒 落 岩 体 的 势 能 转 化 为 对 底 板 的 冲 击 功 和 对 采 空 区 内 空 气 压 缩 做 功 。 按 其 做 功 产 生 的 效 应 不 同 , 对 底 板 的 冲 击 功 转 化 为 造 成 岩 体 冲 击 破 碎 的 冲 击 破 碎 能 、 对 底 板 冲 击 变 形 的 冲 击 变 形 能 和 激 发 矿 震 的 振 动 能 ; 采 空 区 内 空 气 压 缩 做 功 转 化 为 冲 击 气 浪 的 动 能 和 冲 击 采 空 区 矿 壁 的 冲 击 功 , 这 个 冲 击 功 同 样 具 有 冒 落 岩 体 冲 击 功 的 3 个 作 用 效 果 , 但 由 于 作 用 介 质 ——— 空 气 的 特 性 和 该 能 量 较 小 的 特 点 , 其 前 两 个 能 量 所 占 比 重 较 小 , 可 以 忽 略 不 计 , 一 般 可 将 其 全 部 视 为 诱 发 矿 震 的 振 动 能 。 然 而 , 并 非 全 部 位 势 能 均 转 化 为 冲 击 功 , 根 据 岩 体 冒 落 过 程 的 行 为 , 可 以 将 位 势 能 分 解 为 以 下 5 个 部 分 : 冲 击 底 板 与 岩 壁 转 化 为 诱 发 矿 震 的 振 动 能 [ 采 空 区 顶 板 冒 落 诱 发 矿 震 的 可 能 性 也 会 随 之 而 增 [ 加 2] 。 2002 年 5 月 20 日 , 在 山 东 省 枣 庄 市 峄 城 区 境 内 ( N34°35′, λE117°46′) 发 生 ML3. 6 矿 震 , 此 次 矿 震 为 1970 年 以 来 山 东 境 内 发 生 的 最 大 矿 震 , 矿 [ 3] 。 近 年 震 是 由 4 个 石 膏 矿 采 空 区 的 顶 板 塌 陷 所 致 来 国 内 外 对 于 采 空 区 灾 害 特 别 是 矿 震 灾 害 研 究 较 多 , 更 多 的 是 对 于 构 造 型 矿 震 的 研 究 , 而 据 统 计 , 在 矿 山 发 生 的 矿 震 中 , 冒 落 型 矿 震 占 80% 以 上 4] 。 因 此 , 对 于 冒 落 型 矿 震 进 行 研 究 是 非 常 重 要 的 。 矿 震 的 能 量 决 定 着 冒 落 型 矿 震 的 强 度 ( 震 级 ) , 正 确 确 定 ( E1 ) , 使 岩 体 碰 撞 破 碎 消 耗 的 破 碎 能 ( E2 ) , 造 成 岩 [ 郑 怀 昌 ( 1964 - ) , 男 , 山 东 理 工 大 学 资 源 与 环 境 学 院 , 副 教 授 , 北 京 科 技 大 学 博 士 研 究 生 , 255049 山 东 省 淄 博 市 。 · 24· ꢀ ꢀ ꢀ 郑 怀 昌 等 : 冒 落 型 矿 震 能 量 确 定 探 讨 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2006 年 第 7 期 体 变 形 的 弹 性 能 和 塑 性 变 形 能 量 ( E3 ) , 岩 体 冒 落 克 式 中 , v 为 破 坏 岩 体 的 体 积 ; e 为 单 位 体 积 破 碎 能 耗 。 然 而 , 单 位 岩 体 破 碎 情 况 与 能 耗 及 外 界 做 功 密 切 相 关 。 不 同 岩 性 、 不 同 形 态 的 的 采 空 区 冒 落 情 况 不 同 , 有 的 是 因 矿 柱 压 垮 而 表 现 为 整 体 冒 落 , 有 的 是 因 为 顶 板 部 分 岩 体 达 到 了 破 坏 极 限 而 先 垮 落 , 相 邻 岩 体 失 去 约 束 相 继 跨 落 。 由 于 垮 落 时 块 度 不 同 , 自 然 破 碎 岩 石 量 所 占 比 重 也 不 同 , 并 且 由 于 含 水 量 、 岩 块 形 态 等 的 差 异 , 岩 体 破 碎 耗 能 的 实 验 室 测 试 和 现 场 发 生 的 破 碎 情 况 可 能 存 在 很 大 差 距 。 该 能 量 是 位 势 能 转 化 为 其 他 形 式 机 械 能 过 程 中 的 能 量 耗 散 , 其 与 诱 发 矿 震 能 量 之 间 存 在 明 显 的 负 相 变 化 关 系 。 1. 3ꢀ 冲 击 变 形 能 服 空 气 阻 力 做 功 ( E ) , 以 及 冒 落 岩 块 冲 击 作 用 于 碎 4 岩 及 岩 壁 产 生 的 声 能 ( E ) 。 E 所 占 比 重 很 小 , 一 般 5 5 可 以 忽 略 不 计 。 1 . 1ꢀ 诱 发 矿 震 的 振 动 能 冒 落 岩 体 冲 击 作 用 于 底 板 , 巨 大 的 位 势 能 部 分 转 变 为 诱 发 矿 山 一 定 范 围 内 的 矿 山 振 动 , 即 所 谓 的 矿 震 , 根 据 地 震 原 理 , 矿 震 强 度 取 决 于 矿 震 激 发 能 量 , 而 矿 震 激 发 能 量 取 决 于 冲 击 功 的 大 小 ; 然 而 , 与 原 发 地 震 不 同 , 冒 落 型 矿 震 是 由 于 大 量 的 上 部 岩 体 在 一 定 时 间 段 内 持 续 冲 击 作 用 于 底 板 , 位 势 能 转 化 为 岩 体 振 动 能 造 成 的 , 因 此 , 具 有 相 对 的 特 殊 性 。 该 部 分 能 量 是 在 总 能 量 确 定 的 基 础 上 确 定 的 , 受 到 岩 体 冒 落 高 度 、 冒 落 岩 体 量 、 底 板 和 冒 落 岩 体 物 理 力 学 特 性 、 初 次 冒 落 岩 体 量 和 后 续 岩 体 冒 落 状 态 等 的 影 响 , 该 部 分 能 量 可 以 通 过 实 验 室 试 验 测 定 和 模 拟 试 验 结 合 确 定 。 工 作 程 序 如 下 : 冒 落 岩 体 以 巨 大 的 冲 击 力 冲 击 作 用 于 底 板 , 对 于 底 板 会 产 生 冲 击 变 形 , 同 时 本 身 也 会 产 生 变 形 , 因 此 , 冒 落 岩 体 能 量 部 分 转 化 为 克 服 岩 体 阻 尼 所 做 的 功 , 该 部 分 能 量 的 大 小 与 底 板 和 冒 落 岩 体 的 弹 性 模 量 和 塑 性 变 形 量 大 小 密 切 相 关 。 而 弹 性 模 量 不 但 取 决 于 岩 性 , 还 与 岩 体 湿 度 密 切 相 关 , 塑 性 变 形 量 与 顶 板 岩 体 冒 落 冲 击 功 密 切 相 关 。 固 然 , 冲 击 变 形 能 还 应 该 包 括 冒 落 岩 体 本 身 的 冲 击 变 形 能 , 一 方 面 , 该 部 分 能 量 部 分 的 转 化 为 岩 体 破 碎 能 , 另 外 由 于 岩 体 冒 落 中 的 互 相 冲 击 、 回 弹 、 滚 落 以 及 形 状 不 规 则 等 原 因 , 难 以 实 验 测 定 或 理 论 求 解 。 ( 1) 首 先 分 别 测 定 岩 块 下 落 冲 击 作 用 在 整 体 岩 石 基 座 和 松 散 岩 石 堆 上 的 位 势 能 转 化 为 振 动 能 的 转 化 系 数 ; ( 2) 根 据 模 拟 的 采 空 区 顶 板 岩 石 冒 落 规 律 , 计 算 确 定 初 次 冒 落 岩 石 量 和 后 续 冒 落 岩 石 量 , 分 别 按 不 同 的 势 能 转 化 系 数 求 出 振 动 能 ; ( 3) 采 用 地 震 局 观 测 的 矿 震 记 录 , 结 合 矿 山 采 该 部 分 能 量 可 以 表 示 为 et 空 区 分 布 , 按 照 上 述 思 路 验 证 结 论 的 可 靠 性 。 值 得 说 明 的 是 , 冒 落 岩 块 冲 击 作 用 于 底 板 或 岩 壁 后 可 能 产 生 回 弹 。 由 于 大 多 数 岩 体 是 非 完 全 弹 性 体 , 且 冒 落 体 表 面 非 光 滑 , 根 据 能 量 守 恒 定 律 , 回 弹 后 的 岩 体 最 终 回 落 到 底 板 或 岩 壁 , 其 中 的 空 气 阻 力 做 功 非 常 小 , 几 乎 可 以 忽 略 不 计 。 因 此 , 可 以 实 验 室 测 定 和 模 拟 结 合 确 定 被 冲 击 岩 体 的 振 动 能 量 。 E3 = f( ε) dε, ∫ 0 式 中 , f( ε) 为 冒 落 体 对 底 板 的 冲 击 做 用 力 ; dε 为 微 变 形 ; e 为 弹 性 变 形 与 塑 性 变 形 总 量 。 t 该 部 分 能 量 试 验 确 定 与 现 场 测 量 的 难 度 是 非 常 大 的 , 因 此 , 难 以 定 量 准 确 确 定 。 1 . 4ꢀ 岩 体 冒 落 克 服 空 气 阻 力 做 功 ( E4 ) 1 . 2ꢀ 岩 石 破 碎 耗 能 岩 体 冒 落 过 程 中 , 高 速 下 落 的 岩 体 受 到 空 气 阻 谢 和 平 院 士 通 过 试 验 探 讨 了 几 种 典 型 岩 体 破 碎 尼 , 因 此 , 必 然 要 克 服 空 气 阻 力 而 做 功 。 如 果 在 完 全 临 空 状 态 下 , 该 部 分 能 量 可 以 忽 略 不 计 ; 但 在 相 对 密 闭 的 地 下 采 空 区 , 急 速 冒 落 的 岩 体 急 剧 压 缩 采 空 区 内 空 气 , 产 生 较 大 的 空 气 压 力 , 该 能 量 就 不 可 忽 略 。 文 献 [ 6] 按 “ 绕 留 ” 模 式 建 立 了 采 空 区 岩 块 冒 落 对 空 气 做 功 的 模 型 。 吸 收 能 量 的 情 况 5] , 可 以 发 现 , 脆 性 岩 体 ( 如 花 岗 岩 ) 往 往 易 于 压 碎 , 因 而 单 位 体 积 破 碎 能 耗 较 高 , 韧 性 岩 体 ( 如 砂 岩 ) 往 往 以 较 大 块 度 破 坏 , 因 而 单 位 体 积 破 碎 能 耗 较 低 。 在 岩 体 碰 撞 过 程 中 , 所 发 生 的 岩 体 破 碎 自 然 要 耗 散 能 量 , 虽 然 冲 击 破 碎 是 动 态 的 , 压 力 机 加 压 破 碎 是 准 静 态 的 , 但 在 能 量 的 耗 散 或 吸 收 方 面 , 和 岩 体 特 征 相 关 的 基 本 因 素 的 影 响 是 相 同 的 。 该 部 分 能 量 可 以 表 示 为 [ 2ꢀ 矿 震 能 量 的 耦 合 在 采 空 区 崩 塌 过 程 中 , 不 但 上 部 岩 体 冒 落 冲 击 底 板 做 功 会 导 致 矿 震 , 同 时 , 在 冒 落 过 程 中 产 生 的 空 气 冲 击 气 浪 , 以 及 冒 落 岩 体 脱 离 母 岩 产 生 的 弹 性 应 变 能 释 放 也 是 矿 震 的 能 量 来 源 ; 因 此 确 定 这 部 分 能 E2 = edv, ∫ v · 25· 总 第 361 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2006 年 第 7 期 量 的 大 小 以 及 如 何 合 成 这 几 类 能 量 同 样 是 很 重 要 的 。 综 上 所 述 , 冒 落 型 矿 震 能 量 包 括 3 个 部 分 : 由 位 势 能 转 化 的 振 动 能 、 冲 击 气 浪 冲 击 岩 壁 的 振 动 能 和 弹 性 应 变 能 释 放 。 从 矿 震 造 成 的 效 应 看 , 是 相 应 的 结 构 体 或 设 施 产 生 运 动 加 速 度 , 从 而 造 成 破 坏 。 从 这 个 角 度 出 发 , 可 以 按 照 各 种 能 量 源 作 用 力 方 向 进 行 叠 加 即 对 于 岩 体 冒 落 冲 击 功 可 以 分 为 引 起 岩 体 垂 直 ( 向 下 ) 和 水 平 方 向 的 振 动 能 , 二 者 的 大 小 主 要 受 采 空 区 底 板 倾 角 的 影 响 ; 冒 落 岩 体 脱 离 母 岩 产 生 的 弹 性 应 变 能 释 放 可 视 为 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 的 两 对 力 偶 造 成 的 ; 冲 击 气 浪 冲 击 作 用 于 岩 壁 做 功 包 括 垂 直 和 水 平 方 向 的 冲 击 功 , 且 随 着 时 间 变 化 而 变 化 。 2 . 1ꢀ 冲 击 气 浪 冲 击 岩 壁 的 振 动 能 大 规 模 采 空 区 崩 塌 时 , 岩 体 瞬 间 冒 落 , 急 剧 压 缩 采 空 区 内 空 气 , 产 生 压 力 大 、 风 速 高 的 空 气 冲 击 气 浪 , 急 剧 压 缩 的 高 速 空 气 冲 击 气 浪 冲 击 作 用 于 岩 壁 , 产 生 较 大 的 能 量 。 对 于 冲 击 气 浪 做 功 , 文 献 [ 7] 推 导 了 井 下 空 气 冲 击 气 浪 对 物 体 的 作 用 力 , 文 献 [ 8] 探 讨 了 冲 击 气 浪 的 能 量 。 实 际 上 , 冲 击 气 浪 作 用 于 底 板 及 岩 壁 做 功 能 量 的 精 确 值 很 难 确 定 ; 但 是 在 冲 击 气 浪 风 速 的 各 瞬 间 值 一 致 的 情 况 下 , 累 加 冲 击 气 浪 从 采 空 场 涌 出 时 , 因 断 面 或 风 向 改 变 的 局 部 阻 力 造 成 的 损 失 就 是 压 缩 空 气 对 采 空 区 边 壁 做 的 功 。 冒 落 岩 体 脱 离 母 岩 产 生 的 弹 性 应 变 能 释 放 造 成 的 地 震 效 应 发 生 时 间 与 另 外 两 部 分 造 成 的 地 震 效 应 存 在 时 间 差 , 以 一 个 6 m 高 的 采 空 区 看 , 时 间 差 达 1. 1 s, 因 此 , 可 以 视 为 两 次 不 同 的 矿 震 作 用 。 该 类 矿 震 属 构 造 型 矿 震 的 范 畴 , 煤 炭 类 矿 山 有 较 深 入 的 研 究 。 冲 击 气 浪 冲 击 作 用 于 岩 壁 做 功 与 冒 落 岩 体 冲 击 作 用 于 底 板 和 岩 壁 的 振 动 能 也 存 在 时 间 上 的 差 距 , 但 二 者 共 同 作 用 时 间 较 长 , 应 该 进 行 耦 合 。 3ꢀ 结 ꢀ 语 2 . 2ꢀ 冒 落 岩 体 脱 离 母 岩 产 生 的 弹 性 应 变 能 释 放 在 分 析 冒 落 型 矿 震 过 程 中 , 常 常 会 忽 略 弹 性 应 变 能 释 放 。 在 采 空 区 顶 板 大 面 积 冒 落 瞬 间 的 一 小 段 时 间 内 , 冒 落 范 围 内 的 岩 体 发 生 结 构 破 坏 , 释 放 出 大 量 的 弹 性 应 变 能 , 严 格 意 义 上 讲 , 由 应 变 能 释 放 引 发 的 矿 山 地 震 属 于 构 造 型 地 震 的 范 畴 , 但 该 部 分 能 量 已 叠 加 到 冒 落 矿 震 的 能 量 中 , 产 生 了 影 响 , 因 此 应 该 将 该 部 分 能 量 考 虑 在 内 。 冒 落 型 矿 震 是 一 种 普 遍 发 生 的 采 空 区 灾 害 , 正 确 确 定 冒 落 矿 震 的 能 量 是 准 确 预 报 矿 震 强 度 的 前 提 。 然 而 准 确 确 定 该 能 量 是 十 分 复 杂 的 。 ( 1) 不 能 简 单 地 将 冒 落 矿 震 能 量 以 冒 落 岩 体 的 位 势 能 来 简 化 处 理 。 岩 层 重 力 型 破 坏 一 般 为 部 分 岩 体 先 缓 慢 破 裂 , 随 着 这 一 过 程 的 不 断 延 续 , 局 部 岩 体 最 终 将 会 从 母 体 上 脱 落 下 来 。 所 以 岩 层 重 力 型 突 发 式 破 坏 是 介 于 缓 慢 式 破 坏 和 冲 击 式 破 坏 之 间 的 一 种 破 坏 形 式 , 它 是 延 时 较 长 的 破 坏 过 程 的 最 终 结 果 。 该 部 分 能 量 为 冒 落 体 及 其 围 岩 内 积 聚 的 应 变 能 之 和 , 所 以 岩 体 中 单 位 体 积 内 积 聚 的 弹 性 能 , 由 体 积 变 形 能 UV 和 形 变 ( 2) 冒 落 岩 体 的 位 势 能 部 分 地 转 化 为 岩 体 冲 击 破 碎 耗 能 和 岩 壁 、 底 板 的 冲 击 变 形 能 等 。 ( 3) 激 发 冒 落 型 矿 震 的 能 量 主 要 来 源 于 上 部 岩 体 冲 击 作 用 于 底 板 及 周 围 岩 壁 的 能 量 转 换 , 即 上 部 岩 体 的 位 势 能 转 化 为 对 底 板 岩 体 的 振 动 能 , 该 能 量 可 以 通 过 实 验 室 测 定 和 计 算 机 模 拟 结 合 确 定 ; 同 时 急 剧 压 缩 的 空 气 作 用 于 岩 壁 , 增 加 了 矿 震 的 能 量 ; 冒 落 岩 体 脱 离 母 体 释 放 的 弹 性 应 变 能 , 也 是 矿 震 能 量 的 来 源 之 一 。 [ 9] 能 U 两 部 分 组 成 :  1 ( 1 - 2μ) ( 1 + μ) 2 ( γH) 2 U = UV + U = + 2 6 E ( 1 - μ) ( 4) 冒 落 型 矿 震 能 量 不 能 简 单 地 将 各 种 能 量 叠 加 , 而 应 该 根 据 其 作 用 时 间 , 作 用 效 果 进 行 耦 合 。 2 1 ( 1 - 2μ) γH) 2 , ( 2 6 G ( 1 - μ) 参 考 文 献 式 中 , μ 为 泊 松 比 ; E 为 弹 性 模 量 ; γ 为 采 空 区 上 覆 岩 层 平 均 密 度 ; H 为 开 采 深 度 ; G 为 剪 切 弹 性 模 量 。 [ 1] ꢀ 王 来 贵 , 潘 一 山 , 章 梦 涛 . 采 掘 诱 发 地 震 的 成 因 及 对 策 [ J] . 中 国 安 全 科 学 学 报 , 1996, 6( 3) : 4043. 2 . 3ꢀ 矿 震 能 量 的 耦 合 [ 2] ꢀ 周 ꢀ 辉 . 矿 震 孕 育 过 程 的 混 沌 性 及 非 线 性 预 测 理 论 研 究 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2000, 19( 6) : 813813. 矿 震 能 量 源 除 了 上 述 冒 落 岩 体 冲 击 作 用 于 底 板 和 岩 壁 的 冲 击 功 外 , 还 包 括 冲 击 气 浪 冲 击 作 用 于 岩 壁 做 功 , 另 外 , 冒 落 岩 体 脱 离 母 岩 产 生 的 弹 性 应 变 能 释 放 也 是 矿 震 的 能 量 源 之 一 , 然 而 , 由 于 作 用 时 间 和 作 用 力 的 方 向 差 别 , 矿 震 能 量 的 耦 合 是 非 常 复 杂 的 。 [ 3] ꢀ 张 ꢀ 健 , 李 金 波 . 山 东 枣 庄 市 峄 城 区 吴 林 东 矿 矿 震 的 调 查 [ J] . 山 西 地 震 , 2005( 1) : 1517. ( 下 转 第 58 页 ) · 26· 总 第 361 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2006 年 第 7 期 结 构 , 减 小 应 力 波 在 接 头 处 的 反 射 和 完 善 钎 头 能 量 供 给 与 破 岩 能 量 需 求 匹 配 程 度 , 就 成 为 高 效 钎 杆 研 制 领 域 的 新 方 向 。 本 文 采 用 柱 面 承 载 螺 旋 副 连 接 结 构 来 研 制 高 效 凿 岩 钎 杆 , 该 钎 杆 在 结 构 上 具 有 两 大 特 点 : 其 一 , 接 头 采 用 螺 旋 副 连 接 , 螺 纹 端 面 悬 空 , 承 载 面 为 杆 体 柱 面 。 这 种 承 载 结 构 入 射 应 力 波 在 承 载 面 垂 直 入 射 , 接 头 处 反 射 能 量 最 小 , 能 有 效 提 高 接 头 ꢀ ꢀ ꢀ 图 8ꢀ 螺 旋 副 连 接 接 头 能 量 传 递 效 应 及 能 量 分 布 1 - 钎 杆 ; 2 - 钎 头 ; 3 - 螺 旋 副 接 头 ; 4 - 承 载 面 能 量 传 递 效 率 , 如 图 7 所 示 。 ꢀ ( 4) 结 构 创 新 钎 杆 采 用 螺 旋 副 连 接 柱 面 承 载 结 构 和 薄 壁 管 式 结 构 , 具 有 能 量 传 递 效 率 高 抗 弯 曲 疲 劳 寿 命 性 能 好 等 特 点 。 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ [ 1] ꢀ 张 国 榉  长 寿 命 冲 击 凿 岩 钎 杆 ——— 工 业 炸 药 和 凿 岩 机 发 明 后 困 扰 世 界 采 掘 工 业 的 百 年 难 题 [ J]  凿 岩 机 械 气 动 工 具 , 1999 ( 4) : 2125 2] ꢀ 左 求 明  YGZ - 90 凿 岩 机 用 波 形 螺 纹 钎 杆 的 失 效 分 析 [ J]  有 色 设 备 , 2001( 6) : 1011 图 7ꢀ 螺 旋 副 连 接 接 头 能 量 传 递 效 应 [ 3] ꢀ 黎 炳 雄  钎 杆 热 处 理 工 艺 的 选 择 [ J]  凿 岩 机 械 气 动 工 具 , 2001( 4) : 4653 1 - 主 动 钎 杆 ; 2 - 从 动 钎 杆 ; 3 - 螺 旋 副 连 接 ; 4 - 承 载 面 ; 5 - 悬 空 面 [ 4] ꢀ 黎 炳 雄  提 高 螺 纹 钎 杆 寿 命 的 途 径 [ J]  凿 岩 机 械 气 动 工 具 , 1 999( 2) : 4854 其 二 , 钎 头 采 用 螺 旋 副 连 接 , 螺 纹 端 面 悬 空 , 承 载 面 为 钎 头 外 圆 柱 面 。 这 种 承 载 结 构 垂 直 入 射 点 发 生 在 钎 头 外 圆 柱 面 , 其 余 各 部 位 均 产 生 倾 斜 入 射 , 凿 入 能 量 分 布 随 着 距 钎 头 中 心 距 离 增 大 而 增 大 , 有 效 匹 配 钎 头 破 岩 能 量 需 求 与 钎 头 凿 入 能 量 分 布 , 显 著 提 高 钎 头 能 量 传 递 效 率 , 如 图 8 所 示 。 [ [ [ [ [ [ 5] ꢀ 周 凤 云 , 等  国 产 重 型 凿 岩 钎 杆 的 失 效 分 析 [ J]  机 械 工 程 材 料 , 1997( 6) : 4749. 6] ꢀ 黎 炳 雄  螺 纹 钎 杆 的 失 效 分 析 和 断 裂 机 理 [ J]  凿 岩 机 械 气 动 工 具 , 1999( 2) : 5560 7] ꢀ 周 为 民  滚 压 成 型 钎 杆 波 形 螺 纹 工 艺 [ J]  凿 岩 机 械 气 动 工 具 , 2001( 3) : 2832 8] ꢀ 薛 新 民 , 匡 同 春  钎 杆 试 样 抗 弯 强 度 计 算 方 法 的 探 讨 [ J]  广 东 工 学 院 学 报 , 1994, 13( 4) : 8693. 4 ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 钎 杆 失 效 形 式 为 高 值 剪 切 应 力 及 附 加 弯 曲 9] ꢀ 蔺 玉 琪 , 赵 统 武  接 杆 凿 岩 接 头 动 力 学 模 型 及 分 析 [ J]  矿 冶 工 程 , 1995( 6) : 710. 应 力 作 用 下 螺 纹 与 杆 体 的 过 渡 区 的 断 裂 失 效 和 微 动 磨 损 及 冲 击 磨 损 作 用 下 的 螺 纹 磨 损 失 效 。 10] ꢀ 钟 ꢀ 勇 , 邢 ꢀ 军 , 宋 守 志  凿 岩 钎 头 结 构 与 能 量 传 递 效 率 研 究 [ J]  金 属 矿 山 , 2005( 8) : 1820. ( 2) 钎 杆 应 力 水 平 与 钎 杆 外 圆 直 径 正 相 关 , 增 [ 11] ꢀ [ 单 仁 亮 , 等  双 截 面 应 变 测 试 法 及 其 在 接 杆 凿 岩 中 的 应 用 J]  煤 炭 学 报 , 1996( 12) : 602606 大 钎 杆 外 圆 直 径 可 显 著 降 低 钎 杆 应 力 水 平 。 [ [ 12] ꢀ 单 仁 亮 , 等  接 杆 凿 岩 中 接 头 能 量 传 递 特 性 与 理 想 入 射 波 形 的 研 究 [ J]  岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 1996( 9) : 255262 ( 3) 钎 杆 能 量 传 递 效 率 由 应 力 波 在 接 头 的 反 射 和 钎 头 破 岩 能 量 需 求 与 钎 头 凿 入 能 量 分 布 的 匹 配 程 度 决 定 , 采 用 柱 面 承 载 螺 旋 副 连 接 结 构 来 研 制 高 效 凿 岩 钎 杆 。 13] ꢀ 徐 小 荷 , 等  岩 石 破 碎 学 [ M] . 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 1984 [ 14] ꢀ 宋 守 志  固 体 介 质 中 的 应 力 波 [ M] . 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 . 1989 ( 收 稿 日 期 ꢀ 20060422) 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 山 , 2002( 10) : 710. ( 上 接 第 26 页 ) [ [ [ 7] ꢀ 熊 仁 钦 . 顶 板 大 面 积 来 压 破 坏 机 理 研 究 [ J] . 煤 炭 学 报 , 1995, [ 4] ꢀ 谷 新 建 . 用 突 变 理 论 分 析 矿 山 冒 落 型 地 震 机 理 [ J]  中 国 安 全 科 学 学 报 , 2003, 13( 10) : 810. 2 0( 增 刊 ) : 3841. 8] ꢀ 方 建 勤 , 等 . 冒 落 矿 震 动 能 释 放 及 其 破 坏 性 研 究 [ J] . 矿 业 工 程 , 2004, 24( 6) : 1215. [ [ 5] ꢀ 谢 和 平 . 岩 石 破 坏 的 能 量 分 析 初 探 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2 005, 24( 15) : 2 6032 608. 9] ꢀ 赵 本 钧 . 冲 击 地 压 及 其 防 治 [ M] . 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 6] ꢀ 陈 庆 凯 , 等 . 采 空 区 顶 板 冒 落 防 治 技 术 措 施 研 究 [ J] . 金 属 矿 1 994. ( 收 稿 日 期 ꢀ 20060417) · 58·
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