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圣维南原理与采矿安全理论的渊源

已有 2640 次阅读 2022-3-10 15:37 |系统分类:观点评述

传统的采矿理论,没有将应力扰动范围计算的太远,其背后的理论支撑是弹性力学领域的圣维南原理。

圣维南原理是弹性力学的基础性原理,是法国力学家圣维南于1855年提出的。其内容是:如果作用在弹性体某一小块面积(或体积)上的荷载的合力和合力矩都等于零,则在远离荷载作用区的地方,应力就小得几乎等于零。不少学者研究过圣维南原理的正确性,结果发现,它在大部分实际问题中成立。

要点:

一、进行替换的两个力系必须是刚体力学的"等效"力系;

二、力系替换的表面必须小,在替换表面附近的解失去精度。

圣维南原理在实用上和理论上都有重要意义。在解决具体问题时,如果只关心远离荷载处的应力,就可视计算或实验的方便,改变荷载的分布情况,不过须保持它们的合力和合力矩等于原先给定的值。圣维南原理是定性地说明弹性力学中一大批局部效应的第一个原理“。

(以上引自百度)

根据圣维南原理:“任何一个采矿活动的扰动范围都是有限的,与采空区的大小,采矿方法,围岩性质,矿体性质等多种因素有关,而不是无条件的几十公里以外的另一采矿场”。

煤矿灾害群发及其与地震活动伴随特征,揭示的问题是煤炭成藏环境和开采条件,与圣维南原理适用条件可能有重大差异。

三、煤田与断裂带空间重合:地质构造不是刚体,甚至不是一体

现代地质研究显示,大地构造运动是以板块或块体的整体或有限变形为基本运动形式[11-14],而板块或块体边界则恰恰是构造应力/应变调整的重要场所。那些在板块、块体边界附近开采的煤矿无不受到构造应力的作用,这是煤矿采掘活动的构造背景。

煤的形成过程决定了煤藏与盆地(断裂)之间具有“共生伴生”关系,加之后期的构造运动改造,许多煤田发育大量的断层或褶皱,承载着较大的构造应力。在这些环境中采掘煤炭,需要面对高地应力和地震活动影响的双重问题。

绝大多数煤田是断陷盆地成藏环境,这类环境煤田与地震带重合,煤田就是地震带。

煤田的地质构造缺少圣维南原理的“刚体力学”基础条件

四、开采情况复杂,矿井群开采,矿井之间是存在相互影响的可能

中国26395座大小煤矿(2002安监局),除了5064家国有煤矿,其余均是小煤矿,有些断陷盆地小煤矿密布,其中,河南平顶山小煤矿密度一度达到28家/平房公里。其他云、贵、川等地的矿区,矿井密度可能会更高。而小煤矿是矿难群发的重灾区,国有煤矿相对来说少很多,当然,国有煤矿,开采规模大,一旦发生事故就是大事故。

圣费南理论适用于材料力学等领域,并经广泛应用证实了的,但是,在复杂的开采环境,是否具备圣费南理论前提,或者破坏了理论的适用条件,是核心问题。

多个煤矿的持续开采,无法形成圣维南原理的“荷载的合力和合力矩小于给定的值(破裂致灾)”的基础条件

五、实际的影响距离

这一问题是本人最为关心的问题之一,2017年本人去地震局某单位做过一次报告,目前已有多个项目立项,但本人未能介入。而项目的设计估计还是和多年前一样,远离本人的预想。

据本人目前掌握的情况看,人们的视野,不再局限于圣费南原理,而开始独立思考(不是推翻:孤立矿井,浅层开采的情况下,该理论仍然适用)。多远不好说,看场地;有些是地震引发灾害,有些是开采引发地震,这就不会太远;有些是应力扰动引发灾害和地震(文章里面早有父子关系的论述)。

未来提高地震活动的定位精度误差是关键。

六、如何看待学术批评问题

主要是看说话水平,可能是和各地的文化习俗有关系,在北方客气是必须的。好好说话,真心探讨,求之不得,搞研究的就是盼望知音。上来就拿自己当高手,不是明智的做法。取决于当事人的段位了,到别人熟悉的领地,说的都是外行话,让人捉到小辫子,不管是谁,装B的,先扁一顿再说;谦虚点的倒是无所谓,不会太介意。

没有理性的质疑,就不会有理性的回复。 




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