煤岩动力灾害分析

▪ 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。
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
▪ 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。
▪ 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。
▪ 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。
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(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：
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。
▪ 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。
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。
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：
n
i
i1
1
R
▪ 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。
▪ 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：
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。
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。
▪ 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。
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。
▪ (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。