煤岩动力灾害分析及监测方法 能源学院.ppt

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,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、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：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。

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：,,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：,,,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,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。