1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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： 、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。 、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。 、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：i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
14、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cT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
15、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
16、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 sp弹性应变能st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
17、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,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，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
18、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。,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
19、，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。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
20、，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
21、。,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，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。瓦斯流动对电磁辐射有影响，瓦斯流动压力梯度越大，流速越高，电磁辐射越强。上述研究为电磁辐射监测技术及预报方法提供了理论依据。 煤岩动力灾害发生的前兆，那就是工作面前方煤岩体处于高应
22、力状态或瓦斯压力处于高压状态，煤岩体电磁辐射信号较强；或者是煤岩体处于逐渐增强的变形破裂过程中，煤岩体电磁辐射信号逐渐增强。电磁辐射和煤岩体的应力状态有关，应力越高，煤岩体的变形破裂越强烈，电磁辐射信号就越强，电磁辐射脉冲数也越大。应力越高，冲击危险也越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度、瓦斯流动状态和煤岩体动力灾害的危险程度，因此可用电磁辐射监测技术进行煤岩体动力灾害的危险预测。,但电磁辐射监测也存在一定发的问题，由于煤岩体所产生的电磁辐射信号非常微弱，因此，极易受到外界干扰，影响测试效果；至今还无法实现定位监测和定量预报；对电磁辐射产生的机制、传播的影响因素等
23、至今都没有完全搞清楚等。因此，该方法还需要进一步的发展才能得到广泛的应用。,4、光纤光栅传感光纤首先起源于通信领域，光纤光栅传感器是随着通信技术的发展而逐步发展起来的，光纤光栅作为传感技术的一种，有其独特性的一面，被广泛的应用在各个领域。在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器其有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性能好，传输距离远、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，已经成功地成用在航空、航天领域中作为有效的监测元件。同时光纤光栅传感器还可应用于地球动力学，化学医药、树料工组件和结构中用于测定结构的完整性和内部应变状态。光纤光栅传感器的工作原理是直接或借助某种装置将
24、被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的值。光纤光栅受环境影响较小，应对煤矿复杂的环境具有较强的适用性，且防电磁干扰、防潮、防水、抗腐蚀性适用寿命较长，在进行长久的观测中很有经济适用性。而且光纤光栅的监测精度较高，可以记录微小的变形量，在长期的监测中可以保持一定的稳定性。光纤光栅传感器可以实现联网布置，通过信息量大，传输损耗较小，远距离传输无需信号放大。,1.3 总结,通过对煤岩动力灾害发生的一般认识，重点分析了煤与瓦斯突出、冲击矿压发生的机理，几种现行的理论假说，
25、并分析了国内外较为广泛使用的几种监测方法，并分析各种方法的优缺点。 煤岩动力灾害发生的最根本的原因是在采掘活动中。破坏了原岩应力平衡状态，破坏了原岩体中的能量平衡，能量在转移的过程中伴随着动力灾害的发生而发生，各种灾害发生的机理最本质问题就是煤岩体中潜在的各种能量的转移。释放，例如由瓦斯蓄积而产生的瓦斯能，采动影响产生的围岩应力等，能量动态平衡遭到破坏，从而发生煤岩动力灾害。 煤岩动力灾害的监测实质是通过观测一系列的数据，记录分析数据的变化，分析煤岩的变形破坏，从而预测煤岩灾害的发生，利用各种监测技术，监测煤岩体在长时间内的动态变化，通过大量的观测数据，分析能量的变化，从而进行灾害事故预测。,
26、通过观测煤岩的物理性质、分析煤岩的变形特征是预测煤岩动力灾害的基础。由于煤岩性质的复杂性，煤岩动力灾害的突发性，破坏形式的多样性，在面对复杂的地质条件下，煤岩动力灾害的预测也是很复杂的，在现有及技术条件下，单一的监测方法技术难以达到全面分析预测的结果，且各中监测方法也有各自的不足之处，可以将多种监测方法融合在一起并用，采用全方位、多角度的观测技术，采用光纤光栅传感技术进行全局监测，再采用电磁辐射或地音法进行局部观测，再利用钻屑法进行实地监测，综合作用起来就能更全面的进行预测，更好的预防煤岩动力灾害事故，为煤矿的安全生产提供保障。,参考文献,1钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制M. 徐州
27、：中国矿业大学出版社，2010. 2沈明荣，陈建峰。岩体力学M。上海：同济大学出版社，2006. 3王云刚，魏建平，孙海涛.煤岩动力灾害的机理分析与防治J.矿业安全与环保，2010(2)：17-19. 4高光发.煤与瓦斯突出机理研究的现状及相关问题探讨J.能源技术与管理，2006（5）2-5. 5孙文革，李纯宝. 煤与瓦斯突出机理研究现状J.山东煤炭科技，2009（6）163-164. 6余国锋，薛俊华.微震监测技术在煤矿动力灾害防治中的应用J.煤炭科技/安徽科技，2010(5)43-44. 7周坤鹏.冲击矿压发生的机理分析J.煤炭科技(27-5)79-81 8 陈冬梅. 光纤光栅分布式传感系统及其在煤矿安全监测中的应用D. 山东大学,2006. 9孙书亮，王元杰，乔中栋.地音监测技术在冲击矿压预测预报中的应用J.煤矿开采，2009（14-5）80-82. 10魏世明. 岩体变形光纤光栅传感检测的理论与方法研究D. 西安科技大学，2008. 11 聂百胜， 何学秋 ，王恩元. 煤岩动力灾害非接触电磁辐射监测系统及应用J.电波科学学报.2004（19）144-145.,
