煤岩动力灾害分析

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。
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：压力高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。
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)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。
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。
2 、 综合作用假说认为突出是地应力、瓦斯应力及 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。
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。
i
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：

i 1
n
i
R
1
σi——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。
3、冲击倾向性理


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 (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。 (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：
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。
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
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பைடு நூலகம்
φSt φsp
L
图1-5弹性指数计算图
1．卸载曲线 2．加载曲线 φsp弹性应变能．φst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。
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。
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 DE 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 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。
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。 (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。
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。
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。
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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1-5所 示：
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, 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。
(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。