煤與瓦斯突出機理研究進展[j]

1、煤與瓦斯突出機理研究進展王永祥杜衛(wèi)新平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院（河南平頂山467001）摘要：摘要：隨著煤礦開采深度的加大，煤與瓦斯突出這一災害日益嚴重，要求對突出機理作深入研究。本文綜述了瓦斯作用說，化學本質(zhì)說，地應力作用說和綜合假說。結(jié)果指出，進一步的研究應把瓦斯因素、煤的物理力學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響結(jié)合起來，從時間和空間上分析含瓦斯煤巖的強度、形變、流變、集氣性和物理化學性等變化規(guī)律，才能最終解決煤與瓦斯突出機理問題，尤其是煤與瓦斯延

2、遲突出機理問題。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出；機理；地應力；瓦斯ProgressinstudyonthemechanismofcoalgasoutburstAbstract:Abstract:Withthedeepnessincreaseofcoalminingthedisasterofcoalgasoutburstbecomesincreasinglyserious.Therefeitrequiresthemechanismofcoal

3、gasoutbursttobestudiedparticularly.Thecurrentresearchstatusofoutburstmechanismsuchasgaseffecttheychemistryessencetheygroundpresseffecttheysynthesistheyweresummarizedinthispaper.Itispointedthatfutureresearchshouldaimatthe

4、followingaspectswhichincludecombininggasfactwithphysicsmechanicsstructurepropertiesofcoalanalyzingtheruleofintensionshapechangeflowchangeaccumulatinggasphysicalchemistryacterofcoalrockholdinggasfromspacetime.Themechanism

5、ofcoalgasoutburstdelayoutburstespeciallywillbeaccountedfultimately.Keywds:Keywds:coalgasoutburstmechanismgroundpressgas1引言引言煤與瓦斯突出是煤礦井下生產(chǎn)過程中發(fā)生的一種伴有聲響和猛烈力能效應的復雜動力現(xiàn)象，且隨開采深度的加大，這一問題日益突出。我國自1988年頒布并執(zhí)行《防治煤與瓦斯突出細則》以來，經(jīng)過二十年來的技術(shù)

6、攻關(guān)及“四位一體”綜合防突技術(shù)的推廣，防治突出的整體水平已得到較大提高。但是，迄今為止，對各種地質(zhì)及開采條件下突出的機理還未完全掌握，尤其是煤與瓦斯延期突出，因隱蔽性強，影響因素多，機理復雜，對煤礦安全生產(chǎn)危害更大。2煤與瓦斯突出機理煤與瓦斯突出機理近年來，國內(nèi)外觀測不少關(guān)于煤與瓦斯突出事件，積累了成千上萬次突出紀錄，總結(jié)了防治突出的經(jīng)驗和教訓，并提出了許多假說，試圖對突出現(xiàn)象的本質(zhì)及影響因素在突出發(fā)生和發(fā)展過程中所起的作用進行描述，歸

7、納起來，這些假說可分為四類[1]：瓦斯作用說，化學本質(zhì)說，地應力作用說和綜合假說。2.12.1瓦斯作用說瓦斯作用說這類假說[2]認為煤內(nèi)存儲的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。在這類假說中“瓦斯包”說占有主要地位，它認為在煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區(qū)域高得多的煤窩，即“瓦斯包”，其煤質(zhì)松軟，孔隙與裂隙發(fā)育，且被透氣性差的煤或圍巖所包圍，因此具有較強的存儲瓦斯能力，當巷道揭穿“瓦斯包”時，在瓦斯壓力作用下將松軟的煤窩破碎并拋出，從

8、而誘發(fā)突出。另一類瓦斯說則認為，甲烷在煤中以不穩(wěn)定的化合物形式而存在，如多聚甲烷(CH4)n或結(jié)晶水化物CH46H2O當巷道揭開飽含不穩(wěn)定化合物的煤區(qū)時，因溫度上升或瓦斯壓力下降，促使它們急劇分解，放出大量瓦斯并夾帶著煤而噴出。在引發(fā)突出現(xiàn)象的諸多因素中，瓦斯解吸是一個主要原因[35]。在煤的骨架上和內(nèi)部縫隙及煤分子中存在吸附瓦斯，這種相態(tài)的瓦斯是以擴散形式緩慢運移的，當它們擴散到達各參數(shù)的原始值有關(guān)，在很大程度上還取決于近工作面各參數(shù)

9、的變化，即工作面附近煤巖應力，瓦斯壓力的分布狀況和煤強度性質(zhì)的變化。工作面前方應力和瓦斯壓力梯度越大，煤強度越不均質(zhì)，則工作面突出危險性也就越大。這類假說中有代表性的是前蘇聯(lián)學者B.B.霍多特的能量說[9]和巴浦洛夫等人的地應力分布不均說[10]。突出能量說認為，突出是煤的變形潛能和瓦斯內(nèi)能突然釋放引起的近工作面煤體的高速破碎現(xiàn)象。地應力分布不均說認為，突出煤層的煤巖具有增高和不均勻的應力分布，當工作面前方煤體中的應力不均勻分布時，就會

10、產(chǎn)生圍巖的不均勻位移。由于圍巖和煤體的變形，產(chǎn)生不同的振幅和聲響，同時因頂?shù)装逡平摹巴焙汀叭印钡男纬?，產(chǎn)生一種脆弱的平衡。突出之前，這種頂?shù)装逡平耐?，造成“自我阻塞”，大大降低了靠近工作面的破裂帶的尺寸，只留下壓縮帶，同時在距工作面短距離內(nèi)部保持著較高的穩(wěn)定的瓦斯壓力。由于采掘工作破壞了圍巖脆弱平衡，就造成急劇的位移和搓揉，產(chǎn)生沖擊和煤的破碎，發(fā)生突出。該學說認為圍巖應力狀態(tài)的變化和能量的釋放是造成突出的首要原因，且在突出過

11、程中圍巖的變形具有脈沖性質(zhì)。近幾年，在突出機理綜合假說的理論指導下，突出理論研究取得了明顯的進展。中科院力學所提出的破裂間斷波模型[11]，破裂波模型表明，當煤樣表面突然卸載的強度超過抗拉強度與大氣壓之和，便發(fā)生破裂，且以破裂波的形式向深部發(fā)展，破裂波陣面的傳播速度在突然卸載時達到最大值，然后隨時間增加逐漸減小至零，初始充氣壓力越大，破裂波的最大速度以及破裂段的長度也越大。中國礦業(yè)大學提出的球殼失穩(wěn)假說及突出問題的流變學探討，蔣承林教授

12、通過對突出過程的理論分析和大量的實驗室研究，提出了瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機理[12]，他認為在石門揭穿瓦斯突出煤層時所發(fā)生的動力現(xiàn)象過程中，煤體的破壞以球蓋狀球殼的形成、擴展及失穩(wěn)拋出為其典型特征，突出過程中煤體在應力作用下破壞是突出的必要條件而不是充分條件，并指出在理想石門揭煤條件下，煤層能否突出及突出強度的大小只取決于地應力、瓦斯壓力、煤體強度及軟分層厚度。而地應力、瓦斯壓力和煤體強度只影響煤體破裂后的初始釋放瓦斯膨脹能。因此，在理想石

13、門揭煤條件下，只要測定煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能和軟煤厚度，就可以判斷煤體是否會發(fā)生突出及突出的類型。并且單獨采用瓦斯膨脹能指標預測，準確率可達90%。周世寧和何學秋兩位教授提出了煤與瓦斯的流變機理[13]，流變假說認為含瓦斯的煤在外力作用下，當達到或超過其屈服載荷時，明顯的表現(xiàn)出變形衰減、均勻變形和加速變形三個階段[14]。流變假說運用流變學的觀點分析了突出過程中含瓦斯煤受力的時間和空間過程，能夠很好的解釋綜合作用的瓦斯突出現(xiàn)象。西安礦

14、業(yè)學院的李萍豐提出了瓦斯突出機理的二相流體假說，該假說認為由于工作面受采場應力的作用，工作面前方煤體可分為突出阻礙區(qū)、突出控制區(qū)、突出積能區(qū)（或突出中心）和突出能量補給區(qū)[15]。重慶煤科分院研究了瓦斯突出強度與瓦斯能量關(guān)系[16]以及謝逸清等對延期性突出防治進行探討[1719]。重慶煤科分院從能量的觀點出發(fā)，對瓦斯突出強度的定量化關(guān)系進行了初步研究，認為采掘工作面新的暴露面形成后，煤體中應力迅速重新分布，煤體進入極限平衡狀態(tài)，在應力和

15、瓦斯壓力的共同作用下形成與暴露面近于平行的大裂縫，將暴露表面附近煤體切割成與暴露同形的圓柱筒煤殼，煤殼在瓦斯壓力作用下破碎并拋出煤體，形成煤與瓦斯突出。謝逸清等人依據(jù)中國礦業(yè)大學周世寧教授的觀點“煤與瓦斯突出實質(zhì)上是屬于含瓦斯煤體的流變行為”，只是依據(jù)時間對延遲突出進行分類，延遲時間在30min之內(nèi)的稱為短延期突出，大于30min至8h的稱為中延期突出，8h以上的稱為長延期突出。國外許多學者研究了瓦斯動力現(xiàn)象的本質(zhì)和巖石破壞機理，如日本