1.1.1 煤岩动力灾害现象
煤岩动力灾害现象是煤岩体在外力作用下发生的具有动力效应和灾害后果的一种灾害现象。它具有范围广、形式多样的特点，如地震、火山爆发、隧道失稳、山体滑坡、煤与瓦斯突出、冲击矿压、顶板事故等均属于煤岩动力灾害现象。煤岩动力灾害现象危害巨大，对人们的生命和财产均会造成巨大的伤亡与损失。
面对飓风、旱灾、洪灾、地震、山体滑坡和雪崩等频发的自然灾害，印度建立了颇具特色的灾害管理体制。在国家、邦、县和区一级均有统一的灾害管理机构。印度还制定了一系列灾前备灾和部门发展计划，以及飓风地震等灾后重建计划［1］。
（1）地震［2～8］
众所周知，地球时时刻刻都处在运动变化之中。地球的运动变化会产生巨大的力，使地下的岩层发生变形。起初，变形很缓慢；但当受到的力太大，岩层不能承受时，就会突然破裂；岩层破裂所产生的振动传到地表就会引起地表的振动，这就是地震。一般情况下，变形区域越长、越宽，释放的能量就越多，构造地震的震级也将越大。如图1.1为一卫星图片，可以清晰地看到地震产生的断层，图1.2所示为1906年旧金山地震遗址照片，可以看到地震造成的破裂错断了一排原本连在一起的篱笆。
图1.1 地震断层卫星图片
图1.2 1906年旧金山地震遗址照片
地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，以及频度较高，并产生严重次生灾害，对社会也会产生很大影响等特点。强烈地震发生时会造成建筑物破坏，同时引起山崩、滑坡、泥石流、地裂、地裂缝、喷砂、冒水等地表的破坏和海啸。因地震的破坏而引起的一系列其他灾害，包括火灾、水灾和煤气、有毒气体泄漏，细菌、放射物扩散、瘟疫等对生命财产造成的灾害。
《竹书纪年》是迄今世界上对地震进行文字记载的最早书籍，书中将地震称为“泰山震”，记录的是公元前1830年发生的一次地震现象。全球每年发生地震500多万次！但只有不足2%的地震能被人们感觉到，其中每年100多个破坏性地震，给人类造成了巨大经济损失和人员伤亡。根据美国地震调查局国家地震信息中心（USGS NEIC）的互联网数据，2001年全世界因为地震死亡人数达到2.1万多人，其中死亡人数最多的一次地震是1月26日发生在印度古吉拉特邦的里氏7.7级大地震，导致2万人死亡。强烈地震往往以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会经济发展、人类生存安全和社会稳定、社会功能带来严重的危害。在各种自然灾害造成的损失中，地震损失占52%，是名副其实的“群害之首”。
中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，主要地震带有23条。在刚刚过去的20世纪里，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市，是世界上蒙受地震灾害最为严重的国家之一。在当前全球城市化进程急剧发展，尤其是我国城市数量剧增的情况下，更为明显。就我国国内的各种自然灾害而言，在地震灾害、气象灾害、海洋灾害、地质灾害、农作物生物灾害、林业灾害等各大灾种中，据新中国成立以来50多年来的资料统计，以各种灾害所造成的经济损失比例来看，气象灾害为57%，居灾害之首，但就各种自然灾害的人口死亡的统计来看，地震灾害占54%，为群害之首。
世界上地震的频繁发生以及造成的巨大损失给地震预测预报提出了严峻的研究课题，但从世界范围来看，目前地震预报仍然处于探索阶段，主要是根据多年积累的地震观测资料进行经验性的预测预报，在地震孕育机理发生发展规律上尚未完全清楚。因此，当今的地震预测预报具有很大的局限性。地震学家们对不同区域进行地震危险性分析，并对该地区未来一定时间内发生地震的可能性进行预测，划分危险区，对发生地震后可能造成的损失进行预测。在地震孕育过程和前兆机理方面的研究，自20世纪70年代以来有了很大进展，如美国和前苏联提出了膨胀-扩张模式和雪崩-不稳定模式，我国提出过震源组合模式和膨胀蠕动模式等。吴立新等［6～7］以构造地震孕震机制之二即断层粘滑发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对4类断层组合条件下双剪粘滑过程中的红外辐射温度场的时空演变特征进行了模拟实验研究。研究表明：断层表面温度场的时空演变不仅与应力水平有关，还与组成摩擦面的两侧岩性及其粗糙度有关。具体表现在：①应力集中和摩擦作用强的区域，其红外辐射较强；而应力松弛和摩擦作用弱的区域其红外辐射较弱。②当两断层岩性及摩擦面条件对称时，红外热像呈双蝶翼形；当摩擦面粗糙，红外热像呈非对称、非均衡时空演变特征，如串珠状、针状、倒针状、条带状、单蝶翼形或其依次变化。卫星热红外遥感与差分干涉雷达（D-INSAR）技术相结合，并以活动断层预滑及其后续粘滑为监测重点，可望成为构造地震遥感监测和地震短临时-空-强预报的新途径。这些研究虽然在一定程度上解释了地震孕育和前兆机理，但是由于地震的极其复杂性，各种理论仍不能圆满解释各种前兆现象的特征。
在防震减灾的实践中，人们逐渐认识到防震减灾涉及社会经济生活的各个方面和广大民众的生活，是一项复杂的社会系统工程。要有效地减轻地震灾害，一方面必须在政府领导下，普及地震科学知识、提高全民的防震减灾意识，依靠法制、依靠科技，动员、组织各方面的力量进行协调一致的努力；另一方面科研工作者要致力于地震预测预报的机理研究和综合预报的研究，从经验性预报向物理性预报方法转变，提高地震预报的准确性。
（2）火山喷发［8～9］
地壳之下100～150 km处，有一个“液态区”，区内存在着高温、高压下含气体挥发分的熔融状硅酸盐物质，即岩浆。岩浆从地壳薄弱的地段冲出地表，就形成了火山。火山爆发是地球最具威力的自然现象之一，释放出的能量有时比核爆炸还要大数千倍。
在火山喷出的物质中，既有固体物质如碎的岩石块、碎屑和火山灰粉，也有液体物质如熔融岩流、水以及各种泥流等，还夹杂有水蒸气和C、H、N、F、S的氧化物等气态物质，有时能喷射出可见或不可见的光、电、磁、声和放射性物质等，因而会致人死亡、使得电器仪表失灵、导致飞机轮船失事等事故。在过去的500年里，大约有几百万人死于火山之灾。人类历史上伤亡最大的一次火山发生于公元前1470年欧洲爱琴海的希腊桑托林岛，该火山喷发时喷出多达625亿立方米的物质，毁灭了一个名叫米诺斯的人类文明。
火山喷发虽然是突发的，但是也有其内在规律性，前兆比地震还要明显，人们可以预先得知而加以逃避。为了更加及时、准确地预测预报火山爆发，科学家们对此进行了不懈的努力，并成功地预报了一些火山爆发。如1979年美国在圣海伦斯山周围设置了观测站，从而成功地对圣海伦斯山火山爆发进行了预报。
（3）山崩、滑坡［10～11］
山崩通常是指土石或岩石在重力作用或因水的润滑而发生的快速下滑移动或坠落，是一种典型的块体快速运动形式。山崩会造成边坡失稳，产生的落石常会摧毁道路两旁的建筑，掩埋房屋、阻塞交通等事故，严重时还会击中过往车辆造成人员伤亡。
滑坡则是仅仅次于地震和洪水的一种严重地质灾害，不仅其出现的频率和广度远远大于地震事件，而且造成的损失也很巨大，并且会危及人们的生命财产安全。如表1.1为部分国家和地区的年平均滑坡灾害死亡人数。
表1.1 滑坡造成的平均死亡人数及年概率（20世纪末）
在我国，由于70%的地方属于山区，因此，滑坡的发生密度大，频率高，从而成为世界上受滑坡危害最严重的国家之一。迄今为止，有滑坡灾害报道的省市包括：南京、西安、宝鸡、延安、重庆、兰州、台湾以及香港等，随着经济的迅速发展，由于不合理的开发利用土地资源，危及人类安全的滑坡问题将更加突出和严重。因此，尽量减少对地质环境的破坏，治理边坡，预防边坡滑坡事故，对减少滑坡灾害造成的人们生命财产损失具有非常重要的实际意义。
（4）煤与瓦斯突出［12］
煤与瓦斯突出是矿井含瓦斯煤岩体在压力作用下从煤岩体中向采掘空间急剧运动并伴随着大量瓦斯气体喷出的一种煤岩动力灾害现象。煤岩动力灾害现象也是本书要研究的主要对象。
按动力现象力学特征可分为突出、压出和倾出，其主要作用力包括：地应力、瓦斯压力和重力。
按照动力现象的强度分类：
1）小型突出：强度小于50 t/次（突出后，经过几十分钟后瓦斯浓度可以恢复正常）；
2）中型突出：强度50～99 t/次（突出后，经过一个班后瓦斯浓度可以恢复正常）；
3）次大型突出：强度100～499 t/次（突出后，经过一天以上瓦斯浓度逐步恢复正常）；
4）大型突出：强度500～999 t/次（突出后，经过几天后瓦斯浓度可以恢复正常）；
5）特大型突出：强度大于1000 t/次（突出后，经过长时间瓦斯浓度才恢复正常）。
这种强大的动力灾害现象，给煤矿安全特别是井下工作人员的生命财产造成了极其严重的威胁。世界上最大的突出发生在1969年7月13日苏联顿巴斯加加林矿井-710 m水平石门揭煤过程中，突出煤量为14000 t，突出瓦斯量大于250万m3。
我国的煤与瓦斯突出主要是煤与甲烷突出，有4处矿井也曾发生过30多次煤、岩与二氧化碳突出，并且不同地区突出现象具有不同的特点。发生在我国最大的突出是1975年8月8日在四川天府矿务局三汇坝一矿井主平硐在用震动性放炮揭穿6号煤层时发生的，共突出煤岩12780 t，瓦斯140万m3。
（5）冲击矿压［13～17］
和煤与瓦斯突出相类似，冲击矿压（又称冲击地压、岩爆或矿震），也是一种强烈的动力灾害现象，只是没有瓦斯气体参与，其发生通常是由于煤、岩体内部应力达到一定程度后，聚集在其中的能量以急速、猛烈的形式释放，造成煤、岩体的破坏以及支架、设备、井巷的破坏，严重时会造成人员伤亡事故发生。
有记载的冲击矿压发生在1738年的英国南史塔福煤田。其后，德国、波兰、加拿大、前苏联、日本、法国以及我国相继发生了多起冲击矿压事故。我国冲击矿压事故产生的灾害十分严重。目前，我国有近50对矿井累计发生过冲击矿压4000多次，造成数以百计的人员伤亡，巷道破坏达30多公里。
冲击矿压具有突发性、瞬时震动性以及巨大的破坏性等三个明显的显现特征。根据煤岩体内部的应力状态不同，冲击矿压可以分为：重力型冲击矿压、构造应力型冲击矿压以及中间型或重力-构造型冲击矿压。根据冲击强度，冲击矿压可以分为：弹射、矿震、弱冲击和强冲击。根据震级的强度和煤岩体内部抛出的煤岩量，冲击矿压可以分为三级：轻微冲击（1级，指抛出煤岩量在10吨以下，震级也在1级以下）、中等冲击（2级，指抛出煤岩量在10～50 t，震级也在1～2级）、强烈冲击（3级，指抛出煤岩量在50 t以上，震级也在2级以上）冲击矿压。若根据冲击矿压发生的地点和位置又可以分为煤体冲击和围岩冲击两种。
冲击矿压的产生机理非常复杂，国内外学者基于现场实际调查和实验室研究结果，从不同角度对此进行了研究，提出了以下理论来解释冲击矿压产生的机理：强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统理论等。
1.1.2 煤岩动力灾害产生机理
煤岩动力灾害现象的机理非常复杂，众多学者对其产生机理与预测预报进行了诸多工作。因本书主要是对煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害过程力电耦合进行研究，因此，下面主要对煤与瓦斯突出、冲击矿压的产生机理进行阐述。
（1）煤与瓦斯突出机理［18～24］
煤与瓦斯突出是一种极其复杂的含瓦斯煤岩动力灾害现象，是矿井生产中重大自然灾害之一。对于煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象，各国的研究者为认识突出机理付出了艰辛的努力，取得了很大的进步。然而突出的不断发生说明，人类对突出的认识远没有达到尽善尽美的地步。在前苏联学者斯柯钦斯基和霍多特提出典型的突出综合假说之前，已有100余种突出假说，但概括起来主要有以瓦斯为主的假说、以地压为主的假说和化学本质假说等单因素假说。到目前为止，化学本质假说在现场观察和实验室实验两个方面都没有得到支持，已为绝大多数研究者所抛弃。而以瓦斯为主和以地压为主的突出假说只是从一个侧面来说明突出的内在机制，还有许多不能解释的现象。
要在单因素假说阶段与综合假说之间划出一条时间界线是很困难的。苏联学者聂克拉索夫在20世纪50年代提出地压和瓦斯综合作用假说的前后，又有各式各样的单因素假说出现，而且聂克拉索夫的综合假说也不是经典的综合假说。实际上，综合假说应以20 世纪50年代中期苏联学者斯柯钦斯基根据突出煤层的经验和当时的科研成果提出的综合假说为标志。该假说认为，突出是地压、包含在煤体中的瓦斯、煤的物理力学性质、煤的微观结构、宏观结构、煤层构造及煤的自重力等因素综合作用的结果。此后，著名学者霍多特提出了综合假说的能量假说，使突出的综合假说更加完善。前苏联斯柯钦斯基矿业研究所的霍多特等人在实验室中对煤的孔隙结构、吸附性能、渗透性能和力学性质进行了大量的测定研究，并且在压力实验机上做了煤与瓦斯突出的模拟实验。在此基础上，阐述了煤与瓦斯突出的能量来源，从能量的观点出发，用数学方法计算了煤层的变形潜能、围岩的动能、瓦斯的膨胀功和造成突出所需的功，提出了能量假说。能量假说自问世以来对突出研究起了很大的促进作用，其中的大部分观点至今仍有指导意义。然而以霍多特为代表的综合作用假说的主要缺点是：没有说明含瓦斯煤的详细破坏过程及破坏条件，没有考虑时间因素在突出中所起的作用，因而也就无法解释石门的自行揭开和延期突出等现象。虽然在能量假说的前后提出了各式各样的综合假说，如前苏联马凯耶夫安全研究所的包布罗夫的应力分布不均匀假说，英国学者Pooley[19]和Farmer[20]等提出的动力效应假说，但都大同小异，且其共同点是承认突出是瓦斯、地应力和煤的物理力学性质三个因素综合作用的结果，其分歧点是哪种因素起主要作用。和霍多特的综合假说一样，他们都无一例外地忽略了时间因素对突出的影响，没有说明含瓦斯煤体的破坏过程和具体条件。他们也无法解释石门的自行揭开和延时突出等自然突出的现象。中国矿业大学的蒋承林等[21]对石门揭煤时的煤与瓦斯突出进行了实验研究，提出了煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。张许良[22]研究了利用三维地震探测瓦斯突出危险带的技术，并在淮南潘三矿进行了应用和验证。研究结果表明：高分辨率三维地震可以探测落差大于3 m的小断层和相应幅度的小褶皱，断层和褶皱可以造成构造应力集中、煤体破坏、瓦斯聚集和突出，通过对断层破坏和褶皱变形程度的定量评定可以划分瓦斯突出危险带。应用三维地震技术探测瓦斯突出危险带具有广泛的应用前景。
在煤与瓦斯突出过程及其机理的研究过程中，采取了各种各样的方法，但归纳起来主要有观察统计法、逻辑演绎法、实验法、数值分析法和数值模拟法。早期对突出机理的认识主要是建立在观察统计的基础上，辅之以逻辑演绎，或这些方法的综合。对突出机理的认识程度取决于观察的深度和广度。突出的复杂性和不可重复性使观察统计十分困难，因此，基于个人观察统计基础上的突出机理不免带有某种片面性。随着观察统计数据的积累，实验室实验的开展，人们逐渐弄清了突出的大致轮廓。再加之相关学科（如岩石力学、岩石断裂力学、流变力学）的进展和高新技术（如SEM，计算机技术等）的应用，研究者在前人大量突出实例观察和实验基础上，综合数值模拟技术，加上新的实验室成果，提出了更为完善的突出机理，突出流变机理就是其中之一。
但是，上述假说大多数是以力学为基础从宏观方面建立的，很少考虑含瓦斯煤岩材料的详细变形及破裂过程，这是目前煤与瓦斯突出研究无法取得进一步发展的主要原因。含瓦斯煤岩是一种由空间分布不均匀的煤岩颗粒组成的多孔固体骨架-孔隙中的自由瓦斯气体-孔隙表面的准液态吸附层组成的典型的非均匀多相介质。这种介质的性态和行为不能用任何单一的理论来进行较全面和符合实际的描述。例如，固体力学或岩石力学一般是用纯力学理论来研究煤岩等固体孔隙介质的性态和行为，在考虑孔隙流体的作用时主要采用纯力学作用的有效应力原理；流体力学或渗流力学主要研究流体在管孔或裂隙中的运移规律，而对固体的作用没有加以考虑。
大量的实际现象和实验结果已经表明，含瓦斯煤岩这种特殊三相介质的性态变化和运动过程是力学（岩石力学和岩石断裂力学）、物理学、表面物理化学、电动力学、声学、热力学与传热学和渗流力学等的综合作用，它与单相或两相介质的性态变化和运动过程有本质上的不同。因此，必须采用宏观和微观相结合，将上述学科或理论相交叉的观点及方法，来描述和揭示含瓦斯煤岩这种特殊介质的性态及其动力灾害过程。
从普遍意义的角度来说，自然条件下的煤岩及各种混凝土建筑物都属于含孔隙流体的介质，只是在通常的条件下人们忽略了孔隙流体的作用，而将其简化为单相或两相介质。而且，这种简化是允许的，且偏差不大。但是，这种简化后的物质与实际情况是有偏差的，特别是在孔隙流体的性质比较活泼，压力较高的情况下，简化处理会导致错误的认识结果。因此，研究含瓦斯煤岩动力灾害过程不但对人们认识煤（岩）和瓦斯突出灾害机理、冲击矿压发生机理等有重要作用，而且对认识和揭示地震、滑坡机理、对大型混凝土坝基和高层建筑物的稳定性与寿命评价等具有重要的指导意义。
防治突出灾害的理论基础是突出机理，煤与瓦斯突出的综合假说得到了广泛的承认，该假说认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果。但是，由于突出的复杂性以及研究方法和研究手段的限制，突出的实验室模拟和现场实际观测都存在着无法克服的困难，我们尚未完全弄清其机理，还无法准确地预测和监测突出，也无法从根本上阐述突出所带来的危害。因此，迫切需要采用新的方法和手段研究煤与瓦斯突出等动力灾害现象。
（2）冲击矿压产生机理［25］
长期以来，冲击矿压作为岩石力学的重大难题之一，一直是国内外学术界和工程界所关注的问题。冲击矿压的发生机理也十分复杂，国内外学者在现场实际调查和实验室研究的基础上对此进行了一系列的研究。其产生机理可以归纳为以下几个理论。
强度理论
强度理论认为：当采场周围产生应力集中且应力达到煤（岩）强度的极限时，煤（岩）体突然破坏，从而形成冲击矿压。如20世纪30年代末被提出的拱顶理论和悬臂梁理论等近代强度理论均以“矿体-围岩”系统为研究对象，认为煤（岩）体的承载能力应是“煤体-围岩”系统的强度，导致煤（岩）体破坏的决定因素是：①应力值大小；②它与岩体强度的比值。70年代Brauner提出了煤（岩）体夹持理论，并导出煤体极限压应力的计算公式。
能量理论
能量理论是从能量转化的角度来对冲击矿压的产生机理进行解释。该理论认为“矿体-围岩”系统在其力学平衡状态遭破坏时释放能量大于消耗能量就发生冲击矿压。各国学者对此进行了不懈的努力，下面对一些主要成果进行介绍。
从能量的来源角度分析，Petukhov认为冲击矿压产生的能量由被破坏的煤（岩）积聚能与和邻接于煤柱或煤（岩）层边缘部分的弹性变形能组成。剩余能量理论于20世纪70年代有美国人提出，该理论认为剩余能量的存在是围岩动力失稳的力学原因。
从能量的判据角度分析，20世纪70年代Brauner提出了冲击矿压的能量判据，该判据考虑了冲击矿压发生时能量释放与时间的相关性，但没有考虑能量释放的空间效应。
尽管如此，对于能量理论的研究，还需要开展进一步的研究工作。
刚度理论
刚度理论最初由Cook等人根据刚性压力机理论得到。该理论认为：矿山结构的刚度大于矿山负载系统的刚度是发生冲击矿压的必要条件。近年来Petukhov则进一步将矿山结构的刚度明确为：达到峰值强度后其应力-应变曲线下降的刚度。
冲击倾向性理论
冲击倾向理论是由波兰和前苏联学者提出。冲击倾向性是指煤岩产生冲击破坏的固有属性，是产生冲击矿压的必要条件。我国学者对此通过大量研究，提出了用弹性能量指数、冲击能量指数以及煤岩动态破坏时间等三项指标来综合判断煤岩冲击倾向性的实验方法。反映冲击倾向性理论的还有顶板冲击倾向性的研究，包括顶板弯曲能指标和长壁开采方式下顶板断裂引起的煤层冲击等方面的研究。
此外，在试验方法、数据处理及综合评判等研究方面也取得了一定的进展。
稳定性理论
20世纪60年代中期NevilleCook首先应用稳定性理论来研究煤岩冲击矿压。其后，Lippmann提出了“初等理论”，章梦涛提出冲击矿压的失稳理论，并在实际中得到了初步的应用。
Bazant等分析了近壁裂纹扩展引起的能量耗散及尺度效应，使对冲击矿压的能量估算成为可能。张晓春等探讨了煤矿巷道附近围岩层裂区的形成和破坏机理，通过理论分析和试验模拟，建立了煤矿片帮型冲击矿压发生的层裂板结构失稳模型。
此外，材料破坏的分叉理论与近年来发展很快的突变理论均在冲击矿压发生机理研究中取得了一定的进展。
总的来说，冲击矿压是裂纹扩展及变形局部化导致的失稳现象，与具有裂纹的各向异性煤岩介质的力学性质和围岩在载荷作用下应力场和应变场的演化和失稳有密切的关系。