煤岩动力灾害分析

煤岩动力灾害发生机理及监测方法

【摘要】通过对冲击矿压具体煤岩灾害的发生分析，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，冲击矿压，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1374人,仅2012上半年全国煤矿先后发生７起重大事故，死亡９８人，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。因此, 研究煤岩动力灾害的发生机理和监测方法对防治煤岩动力灾害发生具有实践指导意义。

1、煤岩灾害发生机理规律的一般性分析

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。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灾害之一。

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，动力平衡条件就会被破坏,从而引发煤岩动力灾害。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，由于岩石在受压状态下，发生的应力应变，包含五个阶段:

图1-1

O-A 压缩密实阶段 A-B 线弹性阶段 B-C 弹塑性过渡阶段 C-D 塑性阶段 D-E 破坏阶段

从图可以看出，岩体在受压状态下经历一段时间后最终会达到破坏。即煤岩动力灾害的发生与原岩应力的改变密切相关。

现在以冲击矿压为例，分析冲击矿压发生的机理，国内外流行的各几种假说，分析总结煤岩动力灾害发生的基本机理。

1.1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，危害程度比一般的矿山压力显现更为厉害。

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，这种由变形或得的

能量为变形弹性能。由于外力作用岩体状态发生变化，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:

①、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。

②、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。

③、开采深度——开采深度越大，冲击矿压发生的可能性就越大。

现行的几种冲击矿压发生机理

1、强度理论

强度理论以“矿体——围岩”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：

11n i

i R σ

=≥∑

i σ——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1-2

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：高压力并存有相当高的弹性能，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。

层压力

图1-3 夹持煤体产生高侧压示意图

2.能量理论

20世纪50年代末期前苏联学者c．T．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时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，就会发生冲击矿压。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、冲击倾向性理论

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(D

t )、弹性能指数(We

t

)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。

(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：

σ

图1-4 冲击能量指数

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

——煤样在单轴压缩条件下破坏前所积蓄的变形能与产

(2)弹性能指数(W

et)

生塑性变形消耗的能量的比值，如图1-5所示：

图1-5弹性指数计算图