煤與瓦斯突出機(jī)理研究新進(jìn)展

王勇　王澤寧　盧祁

摘 要：煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，隨著世界各國(guó)科研工作者們對(duì)煤與瓦斯突出的深入研究，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，近年來礦井開采深度逐漸增加，現(xiàn)有的煤與瓦斯突出機(jī)理需要完善來指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出；開采深度；煤與瓦斯突出機(jī)理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.054

1 引言

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，為了保障煤礦井下采掘工作的正常進(jìn)行，煤礦工作人員就需要懂得更多的防突知識(shí)，采取防突措施，更大程度上減少瓦斯突出給煤礦帶來的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。煤與瓦斯突出機(jī)理十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者一直都在研究突出的機(jī)理問題，但是由于突出機(jī)理的研究只是根據(jù)突出后的資料進(jìn)行收集整理，并不能在井下直接觀測(cè)突出的過程，這也大大的限制了工作者們對(duì)突出機(jī)理的研究，目前對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處于假說階段，沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

2 瓦斯為主導(dǎo)假說

這類假說認(rèn)為在突出發(fā)生過程中起主要作用的是瓦斯，地應(yīng)力不是決定突出發(fā)生的主要因素。

2.1 “瓦斯包”假說

該假說認(rèn)為突出造成的原因是高壓的游離瓦斯，這些高壓的游離瓦斯儲(chǔ)存在“瓦斯包”中，“瓦斯包”周圍的煤體的透氣性差，這就為高壓的游離瓦斯的儲(chǔ)存創(chuàng)造了條件，在井下采掘的過程中，當(dāng)“瓦斯包”周圍的煤體遭到破壞或者周圍的煤體厚度發(fā)生改變時(shí)，“瓦斯包”周圍的煤壁強(qiáng)度不足以維持“瓦斯包”時(shí)，“瓦斯包”中的高壓游離瓦斯得到釋放，就會(huì)短時(shí)間內(nèi)迅速攜帶煤粉噴出。

2.2 “瓦斯膨脹”假說

“瓦斯膨脹假說”認(rèn)為突出發(fā)生在結(jié)構(gòu)不均的高壓瓦斯煤層，煤層外部為硬煤，透氣性差，內(nèi)部為軟妹透氣性好，在采掘的過程中，當(dāng)外部透氣性差的硬煤遭到破壞時(shí)，內(nèi)部的軟媒強(qiáng)度較低，高壓瓦斯就會(huì)通過透氣性差的軟媒噴出，噴出的同時(shí)攜帶出大量煤粉。

2.3 二相流體假說

這種假說認(rèn)為二相流體壓縮積蓄的能量，為煤與瓦斯突出提供主要能源，強(qiáng)調(diào)與煤巖體的彈性能和瓦斯膨脹能無關(guān)。其中突出的發(fā)生有著必要的條件，一是要有突出積能區(qū)，二是積能區(qū)積累的能量要大，大小上要保證能沖破阻礙區(qū)所需的能量。

3 地應(yīng)力為主導(dǎo)的假說

3.1 構(gòu)造應(yīng)力假說

該假說認(rèn)為地層在地質(zhì)歷史時(shí)期中經(jīng)歷過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在地質(zhì)構(gòu)造帶附近應(yīng)力非常集中，煤層周圍變形的巖石積聚了彈性勢(shì)能，在采掘的過程中，彈性巖石的彈性勢(shì)能釋放，壓縮的巖石向外伸長(zhǎng)，破壞煤的結(jié)構(gòu)，造成突出。

3.2 煤層塑性變形假說

這種假說認(rèn)為，煤層在地應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，突出發(fā)生的原因是煤層受到塑性變形結(jié)構(gòu)受到破壞。瓦斯攜帶破碎的煤粉沖出巷道，從而發(fā)生突出。

3.3 應(yīng)力變形假說

這種假說認(rèn)為突出的煤跟正常的煤存在著結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，這種特殊的結(jié)構(gòu)稱為“枝網(wǎng)狀裂隙”結(jié)構(gòu)，正常的煤不具有“枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，但是通過應(yīng)力變形等試驗(yàn)可以使正常的煤具有“枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，這樣的“枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”是煤層里面殘留的應(yīng)力。在采掘過程中，煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力變形。造成應(yīng)力變形的原因有很多，所以應(yīng)力變形假說是多種因素共同作用的結(jié)果。

3.4 放炮影響突出假說

該假說通過對(duì)大量突出煤層資料整理發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)壁工作面比巷道工作面突出的次數(shù)要少的多，這就與瓦斯突出主要原因是地應(yīng)力相矛盾，從而根據(jù)資料的整理，否定了地應(yīng)力是造成突出的主要原因，認(rèn)為放炮的應(yīng)力作用是造成突出的主要因素。

4 化學(xué)本質(zhì)假說

4.1 瓦斯屏障假說

瓦斯屏障假說認(rèn)為在煤層受到壓力條件時(shí)，煤層的結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生改變，空隙率會(huì)變小，從而降低了煤層的透氣性，在壓力增大的過程中，煤層的透氣性迅速降低。甚至隨著壓力的增大，煤層透氣性可減小至零。這樣瓦斯就不能從煤體流向巷道，類似于一個(gè)屏障在兩者之間起到了隔絕作用，稱之為“瓦斯屏障”。當(dāng)“瓦斯屏障”消失時(shí)，煤層內(nèi)部的高壓瓦斯就會(huì)猛烈的像外涌出，造成瓦斯突出。

4.2 瓦斯水化物假說

這種假說認(rèn)為在一定的氣壓，溫度條件下，煤層內(nèi)可生成瓦斯水化物，且生成瓦斯水化物的溫度，氣壓跟煤層瓦斯重重炭氫氣體聯(lián)系密切，重炭氫氣體含量高時(shí)，生成瓦斯水化物所需的溫度壓力都會(huì)降低很多。由于瓦斯水化物狀態(tài)不穩(wěn)定，很容易受到外部的因素而發(fā)生變化，當(dāng)瓦斯水化物的平衡發(fā)生改變時(shí)，瓦斯水化物將會(huì)迅速的轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的瓦斯，在短時(shí)間內(nèi)煤層瓦斯壓力將會(huì)迅速增大，當(dāng)煤層強(qiáng)度不足以抵抗高壓瓦斯時(shí)，煤層將會(huì)發(fā)生突出。

5 綜合作用假說

這類假說認(rèn)為造成煤與瓦斯突出的因素不是單一的，而是由地應(yīng)力，瓦斯等各種因素共同作用的結(jié)果。這也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍支持的假說.。盡管各種假說都承認(rèn)突出是各種因素共同作用的結(jié)果，但是針對(duì)每個(gè)因素在突出中起到的具體作用和影響因素，看法并不相同。

5.1 能量假說

能量假說認(rèn)為煤層內(nèi)為突出提供能源的是重力壓力和瓦斯壓力。除了這兩個(gè)能源以外，再無其他能源，在采掘過程中，改變了工作面附近煤體的受力狀態(tài)。在這個(gè)過程中增大了煤體的潛能，彈性勢(shì)能儲(chǔ)存在煤體中，這時(shí)工作面的煤體會(huì)維持短暫的平衡狀態(tài)，這種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，很容易被改變，當(dāng)采煤過程打破這種平衡時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)的改變，會(huì)使強(qiáng)度較低的煤快速破碎，煤體的破碎又為瓦斯提供了更大的作用面積，促進(jìn)了突出，所以認(rèn)為煤層內(nèi)的地壓是決定突出發(fā)生的因素，煤層內(nèi)地瓦斯只是拋出煤體，粉碎煤體，而煤體的特殊結(jié)構(gòu)，讓煤體能夠更容易發(fā)生突出。

5.2 流變機(jī)理假說endprint

流變機(jī)理假說從瓦斯煤體的流變性來研究煤與瓦斯突出，提出突出是瓦斯煤體流變性的具體表現(xiàn)，流變機(jī)理假說核心思想是突出的發(fā)生要經(jīng)歷3個(gè)階段，煤體變形衰減階段：在這一階段煤層只是變形衰減，整體上還是處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這時(shí)候突出不會(huì)發(fā)生；煤體屈服階段：這個(gè)階段煤體的屈服值小于外部荷載，煤體的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，強(qiáng)度較低的煤體就會(huì)遭到破壞，煤體發(fā)生破裂，空隙性變大。煤體內(nèi)的瓦斯暴露面積增大，為突出的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；突出階段：經(jīng)過上一階段的積累，煤體的結(jié)構(gòu)的完整性降低很多，進(jìn)入這一階段后，煤體的透氣性繼續(xù)增大，高壓瓦斯會(huì)攜帶煤粉噴出，造成突出。

5.3 球殼失穩(wěn)機(jī)理假說

該假說把地應(yīng)力、瓦斯壓力、媒體強(qiáng)度、軟煤分層厚度綜合起來，作為瓦斯突出的判定依據(jù)，瓦斯突出機(jī)理從定性研究，轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯?，提出理想石門揭煤時(shí)，可以根據(jù)煤樣的初始膨脹能和軟煤厚度，就能判斷煤體能否發(fā)生突出。

5.4 滲透失穩(wěn)機(jī)理假說

這種假說把地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤的滲透性作為瓦斯突出的綜合影響因素，提出了瓦斯壓力梯度作為各種影響因素的綜合指標(biāo)。突出的過程可分為2個(gè)階段，煤體滲透失穩(wěn)階段：煤體中的瓦斯會(huì)對(duì)煤體產(chǎn)生滲透壓力，當(dāng)滲透壓力很小時(shí)，煤體的強(qiáng)度足夠抵抗?jié)B透壓力時(shí)，則不會(huì)發(fā)生突出，當(dāng)瓦斯對(duì)煤層的滲透壓力，達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)對(duì)煤體產(chǎn)生破壞，而瓦斯氣壓梯度大小決定煤層內(nèi)滲透壓力的大小，這一定值稱為臨界氣壓梯度，不同的煤體臨界氣壓梯度不同；煤與瓦斯運(yùn)移階段：當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞時(shí)，破碎的煤塊，煤粉將會(huì)和煤層內(nèi)的瓦斯一起運(yùn)移，瓦斯的膨脹壓力提供運(yùn)移所需的動(dòng)力。

6 結(jié)論

煤與瓦斯突出機(jī)理經(jīng)過了各國(guó)科研工作者們的深入研究，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是由于突出發(fā)生的復(fù)雜性，目前關(guān)于煤與瓦斯突出的各種機(jī)理仍處于假說階段，各種關(guān)于煤與瓦斯突出的機(jī)理，都是圍繞著瓦斯、地應(yīng)力、煤的性質(zhì)等來進(jìn)行研究，各種機(jī)理雖然能對(duì)瓦斯突出做出一定解釋，但是不能完全解釋這個(gè)問題，這就需要后人工作者們繼續(xù)深入研究下去。

參考文獻(xiàn)：

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[2]蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

作者簡(jiǎn)介：王勇（1991-），男，安徽蚌埠人，碩士，主要從事：礦井地質(zhì)研究。endprint