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1、浅论煤与瓦斯突出研究的发展*（*大学 *学院，* * 154003）摘要：本文以煤与瓦斯突出的危害性为背景，阐述了我国煤与瓦斯突出特点、煤与瓦斯 突出的动力现象及特征、煤与瓦斯突出研究发展过程中存在的问题以及取得的阶段性成 果等等，并据此得出了煤与瓦斯突出发生的原因、条件和过程，并明确了其未来的发展 方向。关键词：煤与瓦斯；突出；特征；假说；新进展On the development of coal and gas outburstAbstract： In this paper, the dangers of coal and gas outburst in the background, d
2、escribes the characteristics of coal and gas outburst of coal and gas outburst of dynamic phenomena and characteristics of coal and gas outburst process research and development problems and initial results achieved so and accordingly come to the causes, the conditions and processes of coal and gas
3、outburst occurred and defined its future direction.Key words： Coal and Gas; Outstanding; Feature ;Hypothesis ;New Progress1煤与瓦斯突出历史回顾煤与瓦斯突出是煤矿井下生产中的一种自然灾害，它严重威胁着煤矿的安全生产。自从1834 年3月22日在法国鲁阿雷煤田依萨克煤矿发生世界上首次煤与瓦斯突出事故以来的150余年间， 已发生过煤与瓦斯突出的国家有法国、前苏联、波兰、日本、匈牙利、比利时、加拿大、澳大利 亚、美国、英国、中国等二十多个国家和地区。据截止2003年底的不完全统计
4、，各国发生煤与瓦 斯突出的次数之总和已达到四万余次，其中突出强度最大的一次是1969年7月13日在前苏联顿 巴斯矿区加加林矿发生的煤与瓦斯突出，突出的煤量达14200t，突出瓦斯为25万m3。据史料记载，我国的第一次煤与瓦斯突出于1950年4月20日发生在辽源矿务局富国矿的西 二坑。此后，随着我国煤炭工业的迅猛发展，老矿井的开采深度愈来愈大，新矿井的不断增多， 突出矿井也日益增多。根据1995年的调查统计，建国以来，我国先后在45个矿务局、138个国 有重点煤矿的178个井口，共发生煤与瓦斯突出10815次，死亡1266人，共突出煤量815800t， 平均突出强度为27.5t/次。全国突出矿井
5、总数约为250个，累计突出次数为14300万次，占世界 突出总次数的35%。突出强度超过1000t的突出次数达100余次，其中最大的一次突出于1975 年8月8日发生在四川天府矿务局的三汇一矿，其突出煤量达12780t，突出瓦斯达140万m3， 居世界第二位。我国煤与瓦斯突出无论从数量还是从规模上均居世界前列，是世界上煤与瓦斯突 出最为严重的国家之一。2我国煤与瓦斯突出特点我国煤与瓦斯突出的特点有：突出矿井分布面广，而且在部分地区还较为严重；突出分布于 不同类型的煤层；突出矿井的始突深度不一；中小型突出占较大多数，大强度突出次数也不少。 在区域上的表现为：南北都有分布，但南强北弱。全国突出最为
6、严重的是湖南省，四川和辽宁省 次之，山西省也是一个煤与瓦斯突出比较严重的省份，其突出主要集中在阳泉矿区，此外，河南、 江西、黑龙江、广东、贵州等省份的煤与瓦斯突出也是比较严重的。近几年来，我国煤矿的安全生产形势日益严峻，煤矿安全事故层出不穷，80%以上都是瓦斯 事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。因此，煤与瓦斯突出是对矿井生产的严重威胁。所以， 致力于煤与瓦斯突出机理、预测预报和预处理的理论以及方法的研究(特别是对预测预报的研究) 就显得格外重要。3煤与瓦斯突出的动力现象及特征根据目前的研究结果，引起煤与瓦斯突出的力有地应力和瓦斯压力，作用介质为软煤和瓦斯。 其基本特征有：(1) 出的固体物
7、具有明显的气体搬运特征。在突出现场可以看到突出的煤和岩块从突出口 搬至较远的地方，甚至拐了几个弯；煤、岩块的堆积角度小于自然安息角；堆积物中大的颗粒落 在近处和下部，小的颗粒飘到远处并覆盖在突出物的上方，这种现象也称为分选性堆积。(2) 突出物中呈现出明显的高压气体爆炸的特征。软煤被抛出后，由于其中的高压气体迅 速膨胀，破碎煤体，因而突出物含有大量的极细的煤尘。有时候突出过程还对已抛出的软煤进 行了重新固结和捣实，需要镐刨才能运走。(3) 突出的空洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大，空洞的轴线往往 沿煤层倾斜方向延伸或与倾斜方向成一不大的角度，突出空洞的长度为几米到几十米。有时
8、候 则看不到突出空洞，抛出煤体的地方充满了松散的破煤。(4) 突出过程中伴随着大量的瓦斯涌出。在突出的过程中，抛出的煤量越大，涌出的瓦斯 越大。当涌出的瓦斯量十分大时，瓦斯会逆着矿井的风流而行达几十米，甚至几百米、上千米， 对矿井的通风系统和设施造成严重的破坏。4存在问题及分析4.1各类假说难以解释的煤与瓦斯突出现象1-12已有的煤与瓦斯突出机理虽然能够对突出发生的原因、条件、过程和能量来源作定性的解释 和近似定量计算，但由于各种假说都是针对某类具体条件提出的，而实际资料说明其都有一定的 局限性，难以用某种假说来解释所有的矿井突出现象。4.1.1瓦斯主导作用假说瓦斯主导作用假说难以解释以下煤和
9、瓦斯突出现象：(1) 在煤层中从未发现可以积聚瓦斯的空洞，即“瓦斯包”或特定的粉煤带；(2) 突出危险性与煤层瓦斯含量之间没有直接的联系；(3) 在突出空洞周围出现过重复突出；（4）强烈声响往往发生在突出之前的煤体深处；（5）打小直径排放钻孔，并不能有效地防治突出；（6）突出地点煤和岩石的温度升高，抛出的煤体温度也有上升；（7）煤层的自行揭开；（8）过煤门时的突出；（9）突出空洞发生变形（体积缩小）；（10）大多数平巷的突出空洞位于上隅角。4.1.2 地应力主导作用假说地应力主导作用假说难以解释以下突出现象：（1）在瓦斯不大的矿井，即使开采深度很深（400500m），也不会发生突出；（2）二氧
10、化碳参与突出的平均强度比甲烷参与突出的大；（3）突出前出现回风流中瓦斯浓度增大或忽大忽小预兆；（4）从突出煤的分选现象中可见到大量的细尘状粉煤；（5）突出空洞常常是一些口小腔大的特殊形状空洞（如梨形、椭球形等）；（6）在一些大型、特大型突出中，每t喷出煤的瓦斯涌出量比煤层瓦斯含量高得多，即可 以在短时间内涌出数十万至上百万m3瓦斯气体，逆风流运行并可充满数千m的巷道；（7）准备巷道中地压显现不如回采巷道明显，但准备巷道的突出次数与强度均比回采巷道 的大；（8）在平巷及下山也发生突出；（9）在进行工作面支护甚至无人作业时，地压作用并不大，也有突出发生。4.1.3化学本质作用假说化学本质作用假说难
11、以解释地质构造破坏带、采动影响带、煤层埋深大的区域易发生突出等 现象，也从未在现场发现瓦斯水化物和硝基化合物。4.1.4综合作用假说综合作用假说难以解释以下突出现象：（1）突出的区域性分布；（2）过煤门时的大强度突出；（3）震动爆破诱发突出；（4）突出发生时的突出时间很短；（5）当增加煤体水分降低煤体强度时，煤的突出危险性反而降低；（6）难以定量评价地应力、瓦斯及煤的物理力学特性各自在突出中起的作用。4.2现有研究成果总体评述煤与瓦斯突出机理已经从单因素向多因素发展，综合作用假说得到了普遍认可，为突出危险 性预测预报、防突措施的选择及防突效果的检验提供了理论依据。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯 和
12、煤的物理力学性质3者综合作用的结果，是积聚在围岩和煤体中大量潜能的高速释放。并认为 高压瓦斯在突出的发展过程中起决定性的作用；地应力（构造应力、自重应力、采动应力、温度 应力等）突变和采矿活动扰动是激发突出的因素；而煤的物理力学性质则是阻碍突出的因素。我国煤地质与煤矿安全科研工作者对煤与瓦斯突出机理研究取得了丰富成果，完善与发展了 煤与瓦斯突出机理。主要成果体现在以下方面：（1）将参与煤与瓦斯突出的煤体、岩石、瓦斯和应力场看成一个统一体系，并且认为它们 是不均匀的，突出是气固两相流运动。（2）进一步明确了煤与瓦斯突出的动力来源。煤（岩）体所积存的弹性应变能和瓦斯内能是 突出发生的能量，并且高压
13、瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者，地应力和瓦斯压力增加使突 出危险性增大。（3）进一步明确了煤与瓦斯突出的准备、激发、发展和终止过程。突出是煤体破坏、地应 力突变与瓦斯渗流耦合作用下发生失稳的过程，是卸压膨胀和煤（岩）体阻碍共同作用的结果。地 应力突变和采掘活动扰动是激发突出的因素，而足够的卸压区宽度可以抑制高能量体的失控。在 应力波的作用下，煤岩体中交替出现拉应力和压应力，并出现应力波峰值。（4）进一步明确了煤与瓦斯突出的失稳破坏过程，解释了延期突出、大强度突出及突出伴 生大量瓦斯问题。从蠕变破坏到裂隙网发育，从裂隙扩张到失稳破坏，从内部延续到终止条件， 考虑了时间因素。煤体破坏分为层裂和
14、层裂片的粉碎2个阶段，破裂是不连续的并呈破裂阵面跳 跃式发展。层裂体的形成和失稳破坏是突出发动的基本环节，最大有效拉应力准则为破裂准则。（5）进一步明确了地质构造在煤与瓦斯突出中的作用，及不同地质构造中地应力分布、煤 体结构特征和瓦斯赋存规律。全球板块构造运动控制着区域构造块体；区域地质构造及其活动决 定着矿区构造应力场。煤层及顶底板岩层的原岩应力基本由垂直的重力和近水平的构造应力叠加 作用形成，构造应力场是形变场，并主要体现在坚硬稳定的顶底板岩层中。采动应力取决于上覆 岩层强度性质的压力角所圈定的充分移动区范围。地质构造带往往具备高地应力、高瓦斯压力（含 量）和构造煤发育等3个因素。（6）进
15、一步明确了地应力与瓦斯之间的相互关系。当地应力增大时，煤体微结构中的孔隙、 裂隙闭合，对瓦斯的吸附作用增加，使渗透率减小；当地应力减小时，随孔隙、裂隙增大，煤体 吸附容积加大，并产生向外膨胀变形。（7）探讨了影响煤与瓦斯突出各因素的作用关系，在突出的动力演化时空过程中，各个因 素对突出的影响是不断变化的，并通过按时间序列对影响因素分别重构相空间进行突出预测。（8）探讨了构造煤结构演化和力化学作用演化过程，提出了构造煤形成过程中的力化学作 用机制，明确了构造煤是煤受力化学作用的产物。构造煤的分布受地质构造逐级控制，强挤压剪 切构造破坏带、高应力区是煤与瓦斯突出发生的背景环境，高能瓦斯和构造煤控制
16、着煤与瓦斯突 出。构造煤破碎、裂隙多、大孔和中孔发育，但渗透性较差。（9）通过物理实验与数值模拟，再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因 素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程；揭示了采动影响 下煤岩介质渐进破坏诱发突变的非线性本质，包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化；得出了 吸附和解吸能力大时突出强度大的结论。（10）利用构造物理学、量子化学、突变理论等探讨了煤与瓦斯突出机理。研究认为，煤与 瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、构造应力场、构造煤和煤层瓦斯4因素组成，其综合作 用控制着地质构造带煤与瓦斯突出，并存在粘滑失稳现象；煤岩体破裂产生的电磁波在一定频率 范围内能够被煤与甲烷吸
