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1-1O-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 ii 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(Dt )、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：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(Wet)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。

(3)动态破坏时间Dt——煤样在常规单轴压缩实验条件下，从极限载荷到完全破坏所经历的时间，如图1-6所示：图1-6 动态破坏时间曲线Dt综合反映了能量变化的过程，对冲击倾向反映敏感，是一种实用性较强的指标。

表1-1 煤的冲击倾向鉴定指标实践表明：当KE 、WET和Dt三个冲击倾向指标大于规定的指标值时，就会发生冲击矿压，这一理论即为冲击倾向性理论1﹒2 小结强度理论解释了冲击矿压的一些现象，具有简单直观和便于应用的特点，但缺乏充分的理论依据，对冲击矿压动力学特征的描述还不够；能量理论可以解释一些现象，但它把岩体看成纯弹性的，不符合冲击矿压使煤岩体破坏的事实；冲击倾向性理论只考虑了岩石的性质，只能提供冲击矿压发生的一个必要条件，以此理论来判断冲击矿压发生与否是片面的。

从三种理论解释来看，强度理论是煤岩体的破坏准则，能量理论和冲击倾向性理论看作是突然破坏准则，可将这两者视为必要条件和充分条件，即三个准则同时满足时，才能发生冲击矿压。

总结：目前，我国冲击矿压灾害已经波及大部分矿区，其中部分深部开采矿井的冲击矿压灾害已经达到严重影响安全生产的程度。

由于冲击矿压发生的原因和条件的复杂性和多样性，对冲击矿压的研究目前尚未建立比较符合实际的冲击矿压发生及破坏过程的理论。

为此，我们既要加强对发生机理的研究和创新，还要对冲击矿压所在矿区进行地应力场、煤围岩体中原岩应力测量与数值计算方法的研究，针对煤矿采场地质开采条件复杂多变和不断推进的特点，为工程现场找到简单易行的方法，把冲击矿压预测和防治建立在科学基础之上。

2. 煤岩动力灾害的监测由于煤岩动力灾害很大程度上威胁着矿井的安全生产，对生产造成很大的危害，严重威胁着矿工的生命安全，因此要积极采取方法防治煤岩动力灾害，以减少煤矿灾害事故的发生，防治煤岩动力灾害的前提是监测和预测预报煤岩动力灾害的发生，首先就要进行煤岩动力灾害的监测，只有确定了可能发生动力灾害的区域和危险程度后才能采取适当的防治措施。

目前对于煤岩动力灾害的预测方法主要有微震法、地音法、电磁辐射法、光纤光栅传感器传导等。

1、微震法：微震法就是通过记录采矿震动的能量，确定分析震动的方向，对振动定位来评价和预测矿山动力现象，记录震动已发生的参数，由于材料在外力的作用下，其内部将产生局部的弹性，当能量积聚到一定能量值时会引起微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波与应力波的传播，其后果就是产生声发射，相对于较大的尺度的岩体，在地质上称为微地震，并在周围岩体快速释放和传播，一般情况下，微地震信号强度很弱，需要专门的电子设备进行监测。

由于微震监测系统范围可达可小，且具有较高的定位精度，已成为矿山开采诱发动力灾害监测的主要技术手段，利用微震监测系统，在发生微震活动的矿体内布设传感器，探测微震波所发射的地震波，即发生地震波的位置，活动性的强弱和频率判断潜在的矿山动力灾害活动规律，进而进行预报灾害事故。

微震监测系统组成一般包括地面监测站、井下数据交换中心和接收感器阵列三大部分，可进行全数字、多通道、自动化全天候实时监测。

配置有可视化监测分析软件。

建立三维旋转立体模型，分析系统操作方便。

煤矿的监测系统的建成和投入使用．对于促进我国深部矿产资源开发、加强矿山动力灾害监测和安全管理，具有积极作用。

2、地音法地音法首先是在锌矿和铅矿测量地震波传播，后来在各个行业展开。

地音法也即声发射法，就是以脉冲的形式记录弱的、低能量的地音现象。

煤岩体失稳或应力集中导致破坏，发生能量突然释放，煤岩体破裂释放的能量以弹性波的形式向外传播所产生的声学效应。

地音法主要连续地地音监测和便携式的流动地音监测，通过记录声发射的频度等一系列参数量，找出地震活动规律，以此监测区域的煤岩体受力状态和破坏程度，评价煤岩体的稳定性，预测预报煤岩动力灾害事故。

声发射技术在岩土工程中的应用无疑是行之有效的，但也存在一些问题。

岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科之一。

在仪器方面，由于地下空间环境条件的恶劣，经常使得仪器的性能不稳定，同时，环境噪音也易使仪器对声发射信号的判别失真。

在对岩体声发射信息的利用方面，还很不完善，没有利用声发射的全部信息。

所以说，声发射信号波形的识别技术有待进一步发展。

3、电磁辐射法电磁辐射是一种正在迅速发展的预测煤岩动力灾害的地球物理方法。

它首先是作为地震预测的方法进行研究的，目前电磁辐射预测煤岩动力灾害技术发展迅速，正受到研究者和矿井现场的密切关注。

较软的煤体(或含瓦斯煤体)受载变形破裂也能够产生频带较宽的电磁辐射，电磁辐射的强度和脉冲数与载荷和煤岩变形破裂程度基本呈正相关。

对电磁辐射的频谱分析表明，煤岩体变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很宽的脉冲信号，而且电磁辐射的频谱随着载荷及变形破裂强度的增加而增高。