煤巖動力災害現象是在外力作用下產生的壹種具有動力效應和災害後果的災害現象。它具有範圍廣、形式多樣的特點，如地震、火山噴發、隧道失穩、滑坡、煤與瓦斯突出、巖爆、頂板事故等。，屬於煤巖動力災害。煤巖動力災害現象危害很大，會給人們的生命財產造成很大的傷亡和損失。
面對頻繁的自然災害，如颶風、幹旱、洪水、地震、山體滑坡和雪崩，印度建立了壹個獨特的災害管理系統。國家、州、縣和區各級都有統壹的災害管理機構。印度還制定了壹系列災前準備和部門發展計劃，以及颶風、地震等災後重建計劃[1]。
(1)地震[2 ~ 8]
眾所周知，地球總是處於運動和變化之中。地球的運動和變化會產生巨大的力，使地下巖層變形。剛開始變形很慢；但當力大到巖層無法承受時，就會突然斷裂；當巖石破裂產生的振動到達地表時，會引起地表的振動，這就是地震。壹般來說，變形區越長、越寬，釋放的能量就越多，構造地震的震級也就越大。如圖1.1，壹張衛星圖片可以清晰的看到地震造成的斷層，而如圖1.2，壹張1906的舊金山地震現場照片可以看到，地震造成的破裂已經把原本連在壹起的壹排圍欄給打碎了。
圖1.1地震斷層衛星圖像
照片1.2 1906舊金山地震現場照片。
地震災害是所有災害之首，具有突發性、不可預測性、發生頻率高，並產生嚴重的次生災害，對社會也會產生很大的影響。當發生強烈地震時，建築物會被摧毀，同時會引起滑坡、泥石流、地裂縫、地裂、噴砂、突水等地表破壞和海嘯。地震造成的壹系列其他災害，包括火災、洪水、煤氣和有毒氣體泄漏、細菌和輻射的傳播、瘟疫等對生命和財產造成的災害。
《竹書紀年》是迄今為止世界上最早的地震文字記錄。書中稱這次地震為“泰山地震”，記錄了發生在公元前1830年的壹次地震現象。世界上每年有500多萬次地震！然而，只有不到2%的地震能被人們感受到，其中包括每年超過100次的破壞性地震，它們給人類造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。美國地震調查局國家地震信息中心(USGS NEIC)的互聯網數據顯示，2001年，全球因地震死亡人數超過21，000人，其中死亡人數最多的地震發生在65438年6月26日的印度古吉拉特邦，死亡人數達2萬人。強震往往以其突發性和巨大的破壞力給社會經濟發展、人類生存安全、社會穩定和社會功能帶來嚴重危害。在各種自然災害造成的損失中，地震損失占52%，是名副其實的“冤大頭”。
中國位於環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊擠壓，地震斷裂帶非常發育，主要地震帶有23條。在過去的20世紀裏，中國發生了近800次6級以上地震，遍及除貴州、浙江兩省和香港特別行政區以外的所有省區市。它是世界上遭受地震災害最嚴重的國家之壹。這在當前全球城市化快速發展的情況下，尤其是在中國城市數量急劇增加的情況下，更加明顯。就我國各類自然災害而言，在地震、氣象災害、海洋災害、地質災害、農作物生物災害、林業災害等各類災害中，根據新中國成立50多年以來的數據統計，氣象災害占各類災害造成的經濟損失的57%，居災害之首，但根據各類自然災害造成的人口死亡統計，地震災害占54%，是壹個群體。
世界範圍內地震的頻繁發生及其造成的巨大損失給地震預測提出了嚴峻的研究課題。但從世界範圍來看，地震預測仍處於探索階段，主要是基於多年積累的地震觀測資料的經驗預測，對地震孕育機制的發生發展規律還不完全清楚。所以今天的地震預測有很大的局限性。地震學家對不同地區的地震風險進行分析，預測該地區未來壹定時期內發生地震的可能性，劃分危險區域，預測震後可能造成的損失。20世紀70年代以來，地震孕育過程和前兆機制的研究取得了很大進展。比如美國和前蘇聯提出了膨脹-擴張模型和雪崩-不穩定模型，中國提出了震源組合模型和膨脹-蠕變模型。吳禮鑫等人[6 ~ 7]以構造地震的第二種孕震機制即斷層粘滑為模擬對象，利用雙軸加載實驗系統和紅外熱像儀模擬了四種類型斷層組合條件下雙剪粘滑過程中紅外輻射溫度場的時空演化特征。研究表明，斷層面溫度場的時空演化不僅與應力水平有關，還與摩擦面兩側的巖性和粗糙度有關。具體表現為:①應力集中和摩擦強烈的區域紅外輻射強；而應力松弛和摩擦較弱的區域紅外輻射較弱。(2)當兩條斷層的巖性和摩擦面條件對稱時，紅外熱像呈雙蝴蝶翅膀狀；當摩擦表面粗糙時，紅外熱像表現為不對稱、不平衡的時空演化特征，如串珠狀、針狀、倒針狀、條狀、單蝶形或它們的順序變化。將衛星熱紅外遙感與差分幹涉雷達(D-INSAR)技術相結合，重點研究活動斷層的預滑及其後續的粘滑，有望成為遙感監測構造地震和短臨空強地震預測的新途徑。雖然這些研究在壹定程度上解釋了地震孕育和前兆的機制，但由於地震的極端復雜性，各種理論仍然不能完全解釋各種前兆現象的特征。
在防震減災實踐中，人們逐漸認識到防震減災涉及社會經濟生活的方方面面和廣大民眾的生活，是壹項復雜的社會系統工程。為了有效減輕地震災害，壹方面要在政府的領導下，普及地震科學知識，提高全民防震減災意識，依靠法制和科技，動員和組織各方面力量，齊抓共管；另壹方面，研究人員應致力於地震預報機理和綜合預報的研究，從經驗預報向物理預報轉變，提高地震預報的準確性。
(2)火山爆發[8 ~ 9]
在地殼下100 ~ 150公裏處有壹個“液體帶”，在這個液體帶中有高溫高壓下含有氣體揮發物的熔融矽酸鹽物質，即巖漿。巖漿從地殼薄弱部分沖出地表，形成火山。火山爆發是地球上最強大的自然現象之壹，其釋放的能量有時比核爆炸大幾千倍。
火山噴出的物質中，既有破碎的巖塊、碎屑、火山灰粉等固體物質，也有熔融的巖流、水、各種泥流等液體物質，還有水蒸氣、碳、氫、氮、氟、硫的氧化物等氣體物質，有時還會噴出可見或不可見的光、電、磁、聲、放射性物質，會導致人員死亡、電器和儀器失靈、飛機和輪船事故。在過去的500年裏，數百萬人死於火山災難。人類歷史上最致命的火山發生在公元前65438年至公元前0470年歐洲愛琴海的希臘聖托裏尼島。當火山爆發時，它噴出了多達625億立方米的物質，摧毀了壹個名叫彌諾斯的人類文明。
火山爆發雖然突然，但也有其內在的規律性。前兆比地震更明顯，所以人們可以提前知道並逃離。為了更加及時準確地預測火山爆發，科學家們進行了不懈的努力，並成功地預測了壹些火山爆發。例如，1979年，美國在聖海倫斯山周圍設立了觀測站，從而成功預測了聖海倫斯山的火山爆發。
(3)滑坡和塌方[10 ~ 11]
滑坡通常是指土石或巖石在重力或水的潤滑作用下的快速滑動運動或墜落，是快速塊體運動的典型形式。山體滑坡會造成邊坡失穩，落石往往會破壞道路兩側的建築，掩埋房屋，阻礙交通等事故，嚴重時甚至會撞到過往車輛，造成人員傷亡。
滑坡是僅次於地震和洪水的嚴重地質災害，不僅發生的頻率和廣度遠遠大於地震事件，而且損失巨大，會危及人民的生命財產安全。例如，表1.1顯示了壹些國家和地區的年平均滑坡死亡人數。
表1.1滑坡造成的平均死亡人數和年概率(20世紀末)
在中國，由於70%的地方屬於山區，滑坡發生的密度和頻率都很高，因此成為世界上受滑坡影響最嚴重的國家之壹。截至目前，有滑坡災害報道的省市有:南京、Xi、寶雞、延安、重慶、蘭州、臺灣省和香港等。隨著經濟的快速發展，由於土地資源的不合理開發利用，危及人類安全的滑坡問題將更加突出和嚴重。因此，最大限度地減少對地質環境的破壞，控制邊坡，預防滑坡事故，減少滑坡災害給人民生命財產造成的損失，具有十分重要的現實意義。
(4)煤與瓦斯突出[12]
煤與瓦斯突出是礦井中含瓦斯的煤巖體在壓力作用下迅速從煤巖體向開采空間移動，並伴有大量瓦斯湧出的壹種煤巖動力災害現象。煤巖動力災害現象也是本書的主要研究對象。
根據動力現象的力學特征可分為突出、擠壓和傾倒，其主要作用力有地應力、瓦斯壓力和重力。
根據動態現象的強度分類:
1)小突出:強度小於50 t/次(突出後，幾分鐘後瓦斯濃度可恢復正常)；
2)中等突出:強度50 ~ 99t/次(突出後，瓦斯濃度壹班即可恢復正常)；
3)次大突出:強度為100 ~ 499t/次(突出後1天以上瓦斯濃度逐漸恢復正常)；
4)大突出:強度500 ~ 999t/次(突出後，幾天後瓦斯濃度可恢復正常)；
5)特大突出:強度大於1000 t/次(突出後，時間長了瓦斯濃度恢復正常)。
這種強大的動力災害現象對煤礦安全，特別是對井下工人的生命財產造成了極其嚴重的威脅。世界上最大的突出發生在1969年7月蘇聯頓巴斯加加林礦-710 m水平石門揭煤過程中。突出煤量1.4萬t，突出瓦斯量250多萬m3。
我國煤與瓦斯突出主要是煤與瓦斯突出，四個礦井發生過30多次煤、巖、二氧化碳突出，不同地區的突出現象有不同的特點。我國最大的壹次突出發生在1975年8月8日，四川省天府礦務局三匯壩壹礦主平硐振動爆破揭露6號煤層。* * *突出煤巖為12780 t，瓦斯為1.4萬m3。
(5)巖爆[13 ~ 17]
與煤與瓦斯突出類似，沖擊地壓(又稱巖爆、沖擊地壓或礦震)也是壹種強烈的動力災害現象，但沒有瓦斯的參與，通常是由於內部應力達到壹定程度後，聚集在煤巖體中的能量以迅速而猛烈的方式釋放出來，造成煤巖體的破壞，以及支架、設備、井筒的破壞，嚴重時會造成人員傷亡。
有記錄的巖爆發生在英格蘭南斯塔福德煤田1738。此後，德國、波蘭、加拿大、前蘇聯、日本、法國和中國都發生過多次巖爆事故。我國巖爆事故造成的災害非常嚴重。目前，我國已有近50對礦井發生了4000次以上的沖擊地壓，造成數百人傷亡和30多公裏的巷道破壞。
巖爆有三個明顯的特點:突發性、瞬間振動性和極大的破壞性。根據煤巖體中應力狀態的不同，巖爆可分為重力巖爆、構造應力巖爆和中間巖爆或重力-構造巖爆。根據沖擊強度，巖爆可分為彈射、礦震、弱沖擊和強沖擊。根據震級的強度和煤巖體內部甩出的煤巖量，將沖擊地壓分為三級:輕微沖擊(1級，即甩出的煤巖量在10噸以下，震級也在1以下)和中度沖擊(2級，即甩出的煤巖量在10 ~ 50t之間，震級也在65438+。根據沖擊地壓發生的部位和位置，可分為煤體沖擊和圍巖沖擊。
巖爆的機理非常復雜。基於現場調查和實驗室研究成果，國內外學者從不同角度對其進行了研究，提出了以下理論來解釋巖爆的機理:強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、三準則理論和變形系統論。
1.1.2煤巖動力災害機理
煤巖動力災害的機理非常復雜，許多學者對其發生機理和預測做了大量的工作。由於本書主要研究煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤與巖石動力災害的機電耦合，因此下文主要闡述煤與瓦斯突出和沖擊地壓的機理。
(1)煤與瓦斯突出機理[18 ~ 24]
煤與瓦斯突出是壹種極其復雜的含瓦斯煤巖動力災害現象，是煤礦生產中的主要自然災害之壹。對於煤與瓦斯突出等煤巖動力災害現象，各國研究者都在努力認識突出機理，並取得了很大進展。然而，日珥的不斷出現表明，人類對日珥的認識還遠遠不夠完善。在Skoczynski和Khodot提出典型綜合突出假說之前，已有100多種突出假說，但概括起來主要有瓦斯主導假說、地壓主導假說、化學本質假說等單因素假說。迄今為止，化學本質假說在野外觀察和實驗室實驗中都沒有得到支持，被大多數研究者所拋棄。而基於瓦斯和基於地壓的突出假說只是從壹個側面解釋了突出的內在機理，還有很多無法解釋的現象。
單因素假設階段和綜合假設階段很難劃清時間線。蘇聯學者涅克拉索夫在20世紀50年代提出地壓與瓦斯綜合作用假說前後，出現了各種單因素假說，涅克拉索夫的綜合假說並不是經典的綜合假說。綜合假說實際上應以蘇聯學者斯科琴斯基在50年代中期根據突出煤層的經驗和當時的科研成果提出的綜合假說為標誌。該假說認為，突出是地壓、煤中所含瓦斯、煤的物理力學性質、煤的微觀和宏觀結構、煤層結構和煤的自重等因素綜合作用的結果。此後，著名學者霍多爾特提出了綜合假說的能量假說，使傑出的綜合假說更加完善。前蘇聯科琴斯基采礦研究所的霍多特等人在實驗室對煤的孔隙結構、吸附性能、滲透率和力學性質做了大量的測量和研究，並在壓力試驗機上進行了煤與瓦斯突出的模擬實驗。在此基礎上，闡述了煤與瓦斯突出的能量來源。從能量的觀點出發，用數學方法計算了煤層變形勢、圍巖動能、瓦斯膨脹功和引起突出所需的功，提出了能量假說。能量假說自問世以來，對傑出的研究起到了巨大的推動作用，其大部分觀點在今天仍然具有指導意義。而以Khodot為代表的綜合作用假說的主要缺點是沒有解釋含瓦斯煤的詳細破壞過程和破壞條件，沒有考慮時間因素在突出中的作用，因此無法解釋石門的自揭和延遲突出現象。雖然在能量假說前後提出了各種綜合假說，如前蘇聯馬切耶夫安全研究所的鮑勃洛夫應力分布不均勻假說，英國學者Pooley[19]和Farmer[20]提出的動力效應假說，但都是相似的，它們的相似之處在於，突出是瓦斯、地應力和煤的物理力學性質三個因素綜合作用的結果。他們的區別是什麽？和霍多特的綜合假說壹樣，都無壹例外地忽略了時間因素對突出的影響，沒有解釋含瓦斯煤體的破壞過程和具體條件。它們無法解釋石門自揭、延時突出等自然突出現象。中國礦業大學蔣等[21]對石門揭煤過程中的煤與瓦斯突出進行了實驗研究，提出了煤與瓦斯突出機理的球殼失穩假說。張[22]研究了三維地震探測瓦斯突出危險區技術，並在淮南潘三礦進行了應用和驗證。研究結果表明，高分辨率三維地震可以探測落差大於3 m的小斷層和相應幅度的小褶皺，斷層和褶皺可以引起構造應力集中、煤體破壞、瓦斯積聚和突出，通過斷層破壞和褶皺變形的定量評價可以劃分瓦斯突出危險區。應用三維地震技術探測瓦斯突出危險區域具有廣闊的應用前景。
在煤與瓦斯突出及其機理的研究過程中，采用了多種方法，但概括起來主要有觀測統計、邏輯推導、實驗、數值分析和數值模擬。早期對突出機理的認識主要是以觀察和統計為主，輔以邏輯演繹，或者是這些方法的綜合。對突出機理的認識取決於觀察的深度和廣度。突顯的復雜性和不可重復性使得觀察統計非常困難，因此基於個人觀察統計的突顯機制不可避免地存在壹定的片面性。隨著觀測統計的積累和實驗室實驗的開展，人們逐漸了解了突出輪廓。再加上相關學科的進步(如巖石力學、巖石斷裂力學、流變力學)和高新技術的應用(如掃描電鏡、計算機技術等)。)，研究者在前人大量優秀實例觀察和實驗的基礎上，結合數值模擬技術和新的實驗室成果，提出了更完善的優秀機理，優秀流變機理就是其中之壹。
但上述假設大多是基於力學的，很少考慮含瓦斯煤巖材料的詳細變形和破裂過程，這是目前煤與瓦斯突出研究無法進壹步開展的主要原因。含氣煤巖是由空間分布不均勻的煤巖顆粒組成的多孔固體骨架、孔隙中的遊離氣體和孔隙表面的準液體吸附層構成的典型非均質非均質介質。這種媒介的行為和行為是任何單壹的理論都無法全面而真實地描述的。如固體力學或巖石力學壹般采用純力學理論研究煤、巖石等固體多孔介質的行為和性狀，在考慮孔隙流體作用時主要采用純機械作用的有效應力原理；流體力學或滲流力學主要研究流體在管孔或裂隙中的運移規律，不考慮固體的作用。
大量的實際現象和實驗結果表明，含瓦斯煤巖這種特殊的三相介質的行為變化和運動過程是力學(巖石力學和巖石斷裂力學)、物理學、表面物理化學、電動力學、聲學、熱力學、傳熱學和滲流力學的綜合作用，與單相或兩相介質有著本質的區別。因此，有必要將宏觀和微觀結合起來，跨越上述學科或理論，來描述和揭示含瓦斯煤巖這壹特殊介質的本質和動力災害過程。
壹般來說，自然條件下的煤巖和各種混凝土建築物都屬於含有孔隙流體的介質，但通常情況下，人們忽略孔隙流體的作用，將其簡化為單相或兩相介質。此外，這種簡化允許有很小的偏差。但這種簡化的實質是與實際情況相背離的，特別是在孔隙流體活躍、壓力較高的情況下，簡化處理會導致錯誤的理解結果。因此，研究含瓦斯煤巖的動力災害過程，不僅對認識煤(巖)與瓦斯突出的災害機理和巖爆機理具有重要作用，而且對認識和揭示地震和滑坡的機理，評估大型混凝土壩基和高層建築的穩定性和壽命具有重要的指導意義。
防治突出災害的理論基礎是突出機理，煤與瓦斯突出綜合假說得到了廣泛認可，認為突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質綜合作用的結果。然而，由於突出的復雜性和研究方法手段的局限性，突出的實驗室模擬和現場觀測存在著難以克服的困難。我們尚未完全了解其機理，無法準確預測和監測突出，無法從根本上解釋突出造成的危害。因此，迫切需要采用新的方法和手段來研究煤與瓦斯突出等動力災害。
(2)巖爆的機理[25]
長期以來，巖爆作為巖石力學的主要問題之壹，壹直受到國內外學術界和工程界的關註。巖爆的機理也非常復雜，國內外學者在現場調查和實驗室研究的基礎上對其進行了壹系列的研究。其機理可以概括為以下幾種理論。
強度理論
強度理論認為，當采場周圍發生應力集中，應力達到煤(巖)體強度極限時，煤(巖)體受到突然破壞，從而形成巖爆。20世紀30年代末提出的拱頂理論、懸臂梁理論等現代強度理論，都是以“礦體-圍巖”系統為研究對象，認為煤(巖)的承載能力應該是“煤-圍巖”系統的強度，導致煤(巖)破壞的決定性因素是:①應力值；(2)與巖體強度的比值。20世紀70年代，布勞納提出了煤(巖)夾持理論，並推導出煤的極限壓應力計算公式。
能量理論
能量理論從能量轉化的角度解釋了巖爆的機理。該理論認為，當“礦體-圍巖”系統釋放的能量大於其力學平衡狀態被破壞時所消耗的能量時，就會發生巖爆。各國學者為此進行了不懈的努力。以下是壹些主要成就。
從能量來源的角度，佩圖霍夫認為沖擊地壓產生的能量是由被破壞的煤(巖)堆積能和鄰近煤柱或煤(巖)層邊緣的彈性變形能組成的。殘余能量理論是美國人在20世紀70年代提出的，認為殘余能量的存在是圍巖動態失穩的力學原因。
從能量判據的角度，布勞納在20世紀70年代提出了巖爆的能量判據，該判據考慮了巖爆發生時能量釋放與時間的相關性，但沒有考慮能量釋放的空間效應。
然而，能量理論的研究還需要進壹步的研究工作。
剛度理論
剛度理論最初是由Cook等人根據剛性壓力理論得到的。該理論認為礦井結構的剛度大於礦井載荷系統的剛度，是沖擊地壓發生的必要條件。近年來，佩圖霍夫進壹步將礦用結構的剛度定義為其應力-應變曲線達到峰值強度後下降的剛度。
沖擊傾向理論
沖擊傾向性理論是波蘭和前蘇聯的學者提出的。沖擊傾向性是指煤巖產生沖擊破壞的固有屬性，是產生沖擊地壓的必要條件。我國學者通過大量研究，提出了用彈性能指數、沖擊能指數和煤巖動態破壞時間三個指標綜合判斷煤巖沖擊傾向性的實驗方法。頂板沖擊傾向性理論還體現在對頂板沖擊傾向性的研究上，包括頂板彎曲能量指數和長壁采煤法下頂板斷裂引起的煤層沖擊。
此外，在試驗方法、數據處理和綜合評價等方面的研究也取得了壹些進展。
穩定性理論
20世紀60年代中期，NevilleCook首先應用穩定性理論研究巖爆。後來李普曼提出了“基本理論”，張提出了巖爆失穩理論，並在實踐中得到初步應用。
Bazant等人分析了近壁裂紋擴展引起的能量耗散和尺度效應，使估算巖爆能量成為可能。張效春等人探討了煤礦巷道附近圍巖松動圈的形成和破壞機理。通過理論分析和實驗模擬，建立了煤礦片幫沖擊地壓片幫板結構失穩模型。
此外，近年來迅速發展起來的材料破壞的分叉理論和突變理論，在巖爆機理的研究方面也取得了壹定的進展。
壹般來說，巖爆是壹種由裂紋擴展和變形局部化引起的不穩定現象，它與含裂紋的各向異性煤巖介質的力學性質以及載荷作用下圍巖應力應變場的演化和失穩密切相關。