煤矿动力灾害发生机理

煤矿动力灾害发生机理
【摘要】煤矿动力灾害主要发生在地质构造比较复杂、地应力较大、断裂活动比较显著的矿区。

煤矿动力灾害的发生机理十分复杂，其机理为岩体储存的弹性能大于岩体破坏的塑性耗能，剩余能量以动能形式产生冲击波向周围传播，在动力灾害发生孕育过程变形、应力、电、磁、声等信息发生变化。

本研究通过研究煤矿动力灾害发生的条件及其影响因素，揭示煤矿动力灾害发生的多因素致灾机理。

【关键词】煤矿；动力灾害；因素
1动力灾害发生机理
煤岩体受载变形破裂过程产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙电荷分离和摩擦作用，任何煤岩体在变形破裂时都会有大量的微破裂产生和破裂面产生摩擦作用。

基于电学原理探索岩石破坏时电荷分离机理，解决煤矿动力灾害预测问题，通过计算机技术、网络技术、数据库技术设计煤矿动力灾害预测预警系统，达到监测自动化、信号数字化、传输网络化、分析智能化、结果归档化，技术先进化、响应快速化、操作简便化。

岩体在力的作用下，储存的弹性能大于岩体破坏的塑性耗能，剩余能量以动能形式产生冲击波向周围传播。

如图2-1：
图1-1：动力灾害发生机理
动力灾害的类型包括煤体压缩型、顶板断裂型、断层错动型等几种。

根据扰动响应理论，得到了临界岩体应力公式，揭示了动力灾害发生的内因、外因。

动力灾害发生理论如下：
动力灾害是煤岩开挖的围岩支护系统在自重应力、构造应力和地震力的作用，由于有煤体性质、围岩性质、地质构造、灾害扰动自然因素和开采方法、开拓布置、采掘顺序、作业扰动人为因素影响，有固体、液体、气体参与的共同作用下发生的。

煤矿动力灾害主要发生定位地质构造比较复杂、地应力较大、断裂活动比较显著，煤矿动力灾害的发生机理和孕育过程十分复杂，其预测十分困难。

实际检测中，其现象是变化期阶段、平静期阶段、回弹期阶段加速期阶段和释放能量期阶段，监测值越大越危险，变化越大越危险，变化速率越大越危险，与动力学流变模型、物理振动模型、pid模型很相似，整个系统的失稳是不确定灰色系统，在整个孕育过程是一个混沌的过程，表现出的信息是模糊的。

2岩石破坏电荷分离机理
煤岩体受载变形破裂过程产生电荷是由于压电效应、摩擦作用、裂纹的扩展、热电子发射、场致电子发射、位错移动及流动电势等原因，这就为电磁辐射提供了基础——电荷来源。

总的来说煤岩体变形破裂产生电荷主要有以下几方面原因：
（1）电荷产生的微观根本原因是，由于组成煤岩体的原子之间的相互作用力通过原子核外电子云重叠而形成各种化学键（包括离子键、共价键、金属键、分子键等）所造成的。

所以受载岩石产生电荷的本质原因是由于基本基团之间相互电作用力发生变化而引
起的，其中处于分子轨道能级为正的电子成为自由电子。

对于强度较低由一定尺寸的极限粒度组成的煤体，由电子云畸变产生自由电子只能是位子晶粒（极限粒度）边缘的悬键以及当裂纹速度较高发生沿晶断裂破坏了极限粒度是形成的电子。

（2）在煤岩体受载时局部发生摩擦生热或存在极高电场时，会产生大量的本征电子；极高电场作用下会使束缚电子能量增高由于隧道效应变为自由电子；煤岩孔隙两壁间电场积累的足够高时，气体或固体原子中一种或多种电子获得能量足够大，可以脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子，此即原子的电离过程。

（3）压电效应：含有压电体的煤岩体通过压电效应产生自由电荷。

（4）摩擦作用：煤岩材料在受载过程中，煤岩颗粒，矿物质颗粒和胶结物之间会发生滑动，错动，裂纹因闭合也会发生滑动摩擦，因而产生自由电荷。

（5）微破裂导致裂隙尖端电荷分离：由于应力集中，裂隙端部在高应力的作用下扩展，使得内外部破裂尖端发射的大量电子直接飞入空间，由于大量电子的逃逸，使得裂纹尖端聚集了相当数量的电荷，并产生很高的电场，形成了局部区域内正电荷的产生。

（6）位错理论：煤岩材料中存在有许多位错，由于它们原来受到过的形变，已经产生了带有电荷的位错。

当作用在位错上的应力突然增大或减小时，位错发生快速移动，此时电荷云的相应移动有一弛豫时间，则相对迟缓的电荷云与快速移动的位错核分开，导致
电荷分离，形成了电偶极矩，造成了介质极化，在岩石表面积累电荷。

（7）煤岩材料中孔隙流体（水，电解质溶液，瓦斯等气体）在煤岩孔隙中流动时，通过动电效应在煤岩孔隙表面产生流动电势和电场。

（8）煤岩材料的非均质性，非平衡应力的作用使得煤岩体产生的电荷分布不同，引起电荷的运移扩散等活动。

在煤岩变形破裂过程中电荷的产生与上述几种产生机理都有关，是上述几种机理共同作用产生的电荷综合叠加的结果。

但煤岩体受载变形破裂过程产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用，任何煤岩体在变形破裂时都会有大量的微破裂产生和破裂面产生摩擦作用；而压电效应只有在煤岩体中含有压电体时才能有分离电荷的产生，多数煤岩体中压电体的含量都较少，且压电体排列非常不规则，对产生电荷贡献不大；流动电势是在煤岩材料孔隙中有流体流过时才产生，对干燥、无瓦斯煤岩体就不会产生流动电势。

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