煤岩动力灾害分析

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1、煤岩动力灾害发生机理及监测方法能源学院煤岩动力灾害发生机理及监测方法 【摘要】 通过对煤与瓦斯突出和冲击矿 压具体煤岩灾害的分析，总结煤岩灾害 发生的一般机理，针对灾害发生的情况 ，现行的微震监测、地音监测、电磁辐 射法、光纤光栅等各种监测方法在监测 过程发挥的作用。 【关键词】 煤岩动力灾害，发生机理， 监测引言 近年来, 随着煤矿采掘深度和强度的不断加大, 煤岩动 力灾害愈发严重。据1999 年统计, 在全国595处国有 重点煤矿中, 有高瓦斯突出矿井347处，冲击地压矿井 120余处 。据国家安全生产监督管理总局统计，2007 2008年我国煤矿发生了210次事故, 死亡1 374人,

2、其中 包括冒顶事故、煤与瓦斯突出等。由于这些动力灾害 具有突发性、瞬时震动性和巨大破坏性等显现特征, 常 常造成较大的人员伤亡和资源浪费。 煤岩动力灾害是煤岩在外界高应力作用下短时间内发 生的一种具有动力效应和灾害后果的现象, 其孕育、形 成、发生始终与煤岩体应力状态及能量的积聚和释放 密切相关。因此, 研究煤岩动力灾害的发生机理和失稳 判断对防治其发生具有实践指导意义。1、煤岩灾害发生机理的一般性分析 煤岩动力灾害主要包括：煤与瓦斯突出、冲击矿压、 顶板大面积来压、突水等一系列地质灾害，是煤矿生 产中面临的巨大的危害。在进行地下采掘活动的过程 中,随着开采场所的不断变更，原岩应力发生改变,煤

3、岩 体原有的应力平衡状态遭到破坏，煤岩处于一种动力 平衡状态,当应力超过煤岩的强度极限时,聚积在煤岩体 中的能量突然释放,以求达到新的平衡状态，动力平衡 条件被破坏,从而发生煤岩动力灾害。在煤岩体动力灾 害发生过程中都伴随着煤体或岩体的破坏，煤岩动力 灾害也是煤岩体自身能量聚集释放的一个过程，煤岩 动力灾害也取决于煤岩的物理性质，岩石在受压状态 下，发生应力应变，包含五个阶段。图11 OA 压缩密实阶段 AB 线弹性阶段 BC 弹塑性过渡阶段 CD 塑性阶段 D E 破坏阶段 从图可以看出，岩体在经历一段时间后最终达到破坏。1.1 煤与瓦斯突出机理 煤与瓦斯突出是指大量的煤岩与瓦斯在很短的 时

4、间内突然连续地自煤壁抛向巷道空间所引起 的动力现象。 煤与瓦斯突出机理主要包括地应力假说、瓦斯 作用假说、化学本质假说、综合作用假说等。以瓦斯为主的主要因素 许多研究者和国内外专家认为地质构造的突出与其他煤 与瓦斯突出问题有很高的相似性，都是在以瓦斯为主的 作用下发生的或者是间接参与发生的。该学说在很大程 度上解决了大多数瓦斯动力现象，有以下几种说法： 1、振动学说认为，煤与瓦斯突出的形成不是一个单独 的过程而是由与围岩对煤层的振动作用有关的三个连 续阶段组成：第一阶段由于围岩压力增大、煤层体积缩 小，瓦斯压力增大从而部分瓦斯转化为吸附状态；第二 阶段卸压，瓦斯压力减小瓦斯解吸；第三阶段饱含粉

5、碎 煤和大量游离瓦斯的煤层再次受压。当巷道接近该带时 可能发生瓦斯突出。该假说思路较简单，很容易解释采 掘活动中煤与瓦斯突出，但太过模糊。 2、游离瓦斯压力说认为煤体内瓦斯气体压力是瓦斯突 出的主要能量源，解吸的吸附瓦斯仅参与搬运过程。该 假说从能量源上对瓦斯突出机理进行分析研究。 3、二相流体假说认为，突出的本质是在突出 中形成了煤粒和瓦斯的二相流体。二相流体受 压积蓄能量。卸压膨胀放出能量，冲破阻碍区 形成突出，强调突出的动力源是压缩积蓄、卸 压膨胀能量，不是煤岩弹性能。 4、也有一种学说认为煤体内瓦斯气体压力在内外压力 差的作用下产生的爆炸作用，当突出点发生突出作用时 。猛烈的“爆炸”会

6、对周围煤体产生很大的破坏作用，并 形成许多裂隙。裂隙带内的大量瓦斯在“爆炸”的瞬间将 参与突出。当突出作用中心点外部的煤体被突出作用搬 走后。自该点向里的裂隙带煤体又构成了新的瓦斯卸压 带。它将面临着是否能够抵抗住内部煤体突出的考验。 只有当其宽度满足了阻挡突出所需的最小卸压带宽度时 才会不发生突出，否则突出作用将再次甚至于多次进行 下去。突出作用是否能够再次发生，其主要将取决于孔 洞底部的瓦斯压力梯度。如果该值能够继续增高，那么 突出作用还会继续发生。由于煤层瓦斯压力梯度主要受 煤层瓦斯压力的影响，因此，是否继续发生突出主要又 取决于煤层瓦斯压力的大小。突出作用是否能够再次发 生，还要取决于

7、突出前瓦斯的封闭状况。如果封闭得较 好，它将为内部的再次突出打下基础，而地应力的作用 是保存高瓦斯应力。这种观点的提出很好的解释了在煤 与瓦斯突出发生和终止条件。二、地应力因素 1、破坏区说认为由于地压破坏煤体，使 强度较低的煤体发生破坏而形成破坏区 在破坏区内，煤体强度显著下降，进 而成为无应力区。同时，由于煤体破坏 而产生的热量使瓦斯大量解吸进而形成 突出。 2、动力效应说认为巷道掘进时，煤体 的应力状态由三向变为双向或单向，煤 结构遭到动力破坏，吸附瓦斯解吸并大 量涌出进而产生突出。三、动态流变机理 自上世纪90年代以来，我围在煤与瓦斯突出机理上取得 了显著的成就。许多高校和相关研究单位

8、科研人员根据 实验研究、现场观测和理论推理提出了一系列的假说。 他们认为煤与瓦斯突出和地应力综合产生的，而是动态 的。这些因素之间是相互影响、相互耦合作用的。其中 具有代表性的有以下几个假说。 1、流变假说认为，含瓦斯煤体在外力的作用下当达到 或超过其屈服载荷时，则明显的表现为时间上的三个阶 段：变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速变形阶段。认 为突出是瓦斯快速流变的结果，且流变行为取决于其外 部条件和自身的物理力学性质不存在突出煤和非突出 煤差别。而且流变假说还认为煤与瓦斯突出影响因素不 仅包括瓦斯、地应力和煤的物理力学性质，还应考虑时 间因素。2 、 综合作用假说认为突出是地应力、瓦斯应力 及

9、煤的物理力学性质共同作用的结果，突出机 理由单因素趋于多因素发展。综合作用假说以 前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫的地应力不均 匀假说为主，认为围岩中不均匀分布的地应力 、高的瓦斯压力和低透气性、变形、破坏的松 软煤体是产生突出的有利条件。应力不均匀分 布的主要原因在于围岩中存在着残余构造应力 ，个别情况下是由采掘过程引起的。应力不均 匀假说以现场的研究为基础，能反映一些真实 情况，尤其明确了构造应力在突出发生中的作 用。四、各种假说存在的问题 现阶段在研究煤和瓦斯突出机理及其发生条件 方面国内外都取得了重大进展，但是由于问题 的复杂性及突出特征的多样性，对突出机理的 认识研究工作有待进一步深入。

10、 (1)煤与瓦斯突出是多种因素综合作用的结果 ，各因素之间是相辅相成的，简单的区分各要 素之间的关系是很难很好的解释煤与瓦斯突出 机理的。静态的研究煤与瓦斯突出机理是不符 合科研思想的 以瓦斯为主和以地应力为主的 综合作用假说是片面的，都只能解释部分特殊 地质条件和其他环境。 (2)动态流变机理虽然克服的以往简单的综合作用假说 的一些缺点，提出动态失稳理论，且提出了若干定量方 程，但存在较大分歧。各自侧重于某些特殊情况从不同 的角度针对某一现象进行研究探讨，而且煤的流变性质 是煤和瓦斯突发生时时问滞后的物理基础，其实质只是 发生突出的三个主要因素中的一个即煤的性质。但突出 的发生是瓦斯、应力和

11、煤质三个因素综合作用的结果， 因此不能就此得出具有流变性质的煤体都将发生突出。 考虑时间效应的突出失稳理论说明只有在一定应力和孔 隙瓦斯压力作用下，蠕变导致系统成为非稳定时，系统 才能发生失稳破坏，即发生突出。而能否发生第三阶段 蠕变不仅取决于煤的性质而且还取决于煤体的应力状 态、瓦斯压力以及二者的影响。否则虽然煤体具有流变 效应，随时问的推移煤体也只会出现破坏加剧，只要系 统是稳定的，不至于发生突出。 (3)现阶段大部分的假说研究都处于实验室阶 段且都没有考虑温度场的因素。虽然理论和 假说较多但很少的理论模型能够从综合各种 因素：瓦斯、地应力、煤的物理力学性质、时 间和温度等而建立一个完整理

12、论和模型，现阶 段的各种假说，都都是以各自为中心，没有将 各种假说进行融合，以地质条件为基础，对不 同的条件进行不同的分析，获得符合实际的突 出机理。以指导煤矿安全生产。1.2 冲击矿压发生机理 冲击矿压是指在开采过程中，在高应力状态下积聚大量 弹性能的煤体或岩体，在一定的状态下突然发生破坏， 冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气 浪等明显的动力效应的现象。并造成煤岩体的破坏和巷 道的垮落等。冲击矿压具有爆发性的特点，危险程度比 一般的矿山压力显现程度更为厉害。 地下岩体是处在复杂与强大的自重应力、构造应力和开 采附加的应力场中，这样地下赋存的煤体与岩体，由于 强大的应力作用，必然

13、导致其体积与形状的变化，即产 生变形，这种变形是外力做功的结果，当岩块尚处于弹 性状态时，且应力不能解除时，外力做的功将会以能量 的形式储存在岩体内，这种由变形获得的能量为变形弹 性能。由于外力作用岩体发生状态发生变化，在进行开 采后，一旦积蓄的能量获得释放就会引起一系列的矿山 压力现象。 影响冲击矿压的因素主要有： 、原岩应力主要由岩体的重力和构造残 余应力组成。比较强烈的冲击矿压一般发生在 煤系地层中强度高的煤层。 、煤岩的冲击倾向性由煤岩的物理性质 决定，煤岩强度大，弹性好，冲击矿压的倾向 性就高。 、开采深度开采深度越大，冲击矿压发 生的可能性就越大。1、强度理论 强度理论以“矿体围岩

14、”系统为研究对象，考虑系统 的极限平衡，认为冲击矿压发生的应力条件是： i包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加 应力、煤体与围岩交界处的应力和其它条处的应力和其 它条件(如瓦斯、水和温度等)引起的应力； R煤体与围岩系统强度。 建立冲击矿压力学模型如图所示：图12 具有代表性的是夹持煤体理论。该理论认为，较坚硬的顶板可将 煤体夹紧，煤体夹紧阻碍了深部煤体自身或“煤岩围岩”交接 处的卸载变形。这种阻抗作用意味着，由于平行于层面的侧向力 阻碍了煤体沿层面的卸载移动，使煤体更加密实，承受更高的压 力，积蓄较多的弹性能，夹持起了闭锁作用。据此在煤体夹持所 产生的力学效应是：压力高并存有相当高的弹

15、性能，高压和弹性 能聚集于煤壁附近，一旦高压应力突然加大或系统阻力减小，煤 岩体将会发生破坏和运动，抛向采掘空间形成冲击矿压。2.能量理论 20世纪50年代末期前苏联学者cT阿维尔 申以及20世纪60年代末期中期英国学者库克等 人提出：“矿体围岩”系统在其力学平衡状 态遭到破坏所释放的能量大于所消耗的能量时 发生冲击矿压。矿体与围岩的力学平衡状态破 坏后释放的能量大于消耗的能量，机会发生冲 击矿压。这一观点阐明了矿体与围岩的能量转 换关系，煤岩体急剧破坏形成的原因等问题。3、冲击倾向性理n波兰和前苏联学者提出了冲击倾向性理论。我国学者在这方面做 了大量的工作，提出用煤样的动态破坏时间(Dt)、

16、弹性能指数 (Wet)以及冲击能量指数(Ke)三项指标综合判别煤的冲击倾向的实 验方法。n(1)冲击能指数在单轴压缩状态下，煤样全“应力应变”曲 线峰值C前所积聚的变形能Es与峰值后所消耗的变形能Ex之比值 。如图所示： 由图可知：煤越软，煤岩变形越大，CD段越长， CDFQ围成的面积越大，Es/Ex越小，冲击能指数越越 小。 反之煤硬脆性越好，煤岩变形越小，CD段越短， CDFQ围成的面积越小，Es/Ex越大，冲击能指数越大 。 从而说明煤的脆性越好，发生冲击矿压的可能性越大 。(2)弹性能指数(Wet)煤样在单轴压缩条件下破坏前所积 蓄的变形能与产生塑性变形消耗的能量的比值，如图15所 示：图15弹性指数计算图1卸载曲线 2加载曲线 sp弹性应变能st塑性应变能 显然，积蓄的能量愈多而消耗的能量越少，则发生冲击矿压的可能性越大。(3)动态破坏时间Dt煤样在常规单轴压缩