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1、安全管理/管理杂谈煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出系指煤矿中这样一种煤体动力现象，即在极短 时间内，由煤体向巷道（包括采场）中突然喷出巨量的瓦斯和粉碎 的煤，并在煤体中形成某种特殊形状的空洞，喷出的粉煤被瓦斯 流所携带运动，并造成一定的动力效应（推倒矿车，巨石，破坏 支架等），大突出时粉煤可以充填数百米巷道，而喷出的瓦斯-粉 煤流有时带有暴风般的性质，逆风流充满数千米长的巷道。因此，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的最严重的自然灾 害。自从1834年法国发生世界上第一次煤和瓦斯突出以来，40 多个产煤国家发生了突出。我国的瓦斯突出极为严重，至今为止， 已发生突出万次以上。今年1-8月全国发生较大以上
2、的突出31 起，死亡182人，其中有14起发生在非突出矿井，占45.2%。 对云南来说，近年随着煤炭开采的向地下深部延伸和开发力度的 加大，煤与瓦斯突出也随之加剧。东源集团的羊场煤矿，田坝煤 矿，恩洪煤矿均是突出矿井，恩洪突出还很严重。云南在建的最 大规模井工煤矿-白龙山煤矿也已经发生瓦斯突出。因此瓦斯突出灾害的严重性云南已经凸现。研究和掌握治理技术已经很迫 切。煤与瓦斯突出一般是在工作面放炮或采掘等诱导因素出现 后随即发生的。这样的突出称之为正常突出。还有一种突出是在 工作面放炮或采掘等诱导因素出现后延迟一定时间才发生，称之 为延期突出。延期突出由于延期时间有长有短，难以确定，不好 预防。今
3、年羊场曾经发生过一次延期突出。那么，煤与瓦斯突出 的机理是如何的呢?讨论瓦斯抽放和突出治理的资料很多，但对 突出机理进行详细描述的资料却很少，因此了解这方面知识对于 研究和治理突出显得很有必要。人类对煤与瓦斯突出机理的研究已经近200年了，对突出机 理的假说不下40种，尽管各有差别，但归纳起来有六类，主要 的仍然是三大类：瓦斯主导学说；地压主导学说；综合作用假说。 本文介绍有代表性的几种假说。（一）瓦斯主导学说该类学说认为，瓦斯是突出的主要原因和能源，而地压和煤 的物理力学性能则是为突出创造了有力条件。该类学说主要包括 以下假说：1）“瓦斯包说（前苏联贝可夫提出）突出的原因在于煤层中存在“瓦斯
4、包。该瓦斯包中的瓦斯压 力比邻近区域要高得多，且包围瓦斯包的煤体透气性极小，使 高压瓦斯得以保存。当工作面接近这一瓦斯包时，高压瓦斯破 坏了煤壁，瓦斯携带破碎煤猛烈喷出，发生瓦斯突出。2）突出波说（前苏联赫利斯特尔维切提出）突出是煤层中所含潜能的显现，每吨煤中所含瓦斯的潜能要 比煤层储蓄的弹性变形能大10倍左右。在煤强度低的区域，煤 层中的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度，在采掘工作面接近这些 区域时，在瓦斯压力作用下，可产生连续破坏煤体的突出波。3）瓦斯膨胀说（1）煤层中存在高压瓦斯含量地带，吸附瓦斯引起了煤体膨胀，增加了煤层应力，且在这样的煤层中透 气系数接近于零。当巷道接近这一区域时，使应力
5、急剧降低，造成煤的破坏和突出。（前苏联尼靠林提出）（2）突出是由于含有高压瓦斯的煤层，煤结构不均匀。透气性低的硬煤包围着透气性高的软煤，当巷道 工作面接近硬煤与软煤边界时，运动着的高压瓦斯就可以冲破煤壁夹带着碎煤而喷出发生突出（别土哈夫提 出）。4）瓦斯水化物说（前苏联学者提出）在一定温度和压力下，空隙煤体中有可能形成瓦斯的水化物CH4-6H2Oo当它与水结合时，在一立方米 的水中可以含有200立方米的瓦斯。煤层中的瓦斯水化物以不稳定的化合物存在，储存着巨大的潜能，受 到采动影响即能迅速分解，形成高压瓦斯，突破煤体而造成突出。5）瓦斯运移说（笔者1988年提出）煤是多孔裂隙物质，其中存在着大小
6、不等的空隙，孔隙之间由若干大小裂隙沟通。游离瓦斯存在于孔 隙之中，而吸附瓦斯存在于煤的表面。在目前开采条件下，吸附瓦斯主要存在于微空隙的表面，因为地压 只能对大孔隙和裂隙有压缩变形的作用，所以地压的变化对煤的吸附能力影响很小，而对煤层的透气性则 有重大影响。煤层中的大孔和裂隙是瓦斯流动的通道，是构成煤层透气性的基本部分。采掘工程开始后必 将在井巷两边和前方巷壁上形成应力“三区”，这些重新分布的应力“三区随工作面的推进而前移。工作面 前方应力显现区生成预成裂隙并伴有瓦斯解吸。工作面前方应力显现区煤层中的游离瓦斯和解吸瓦斯在支 承压力作用下沿应力转移过程中形成的预成裂隙向前方运移积累。煤层中的游离
7、瓦斯和解吸瓦斯在支承压 力作用下沿应力转移过程中形成的预成裂隙向前方不断运移的同时，楔子作用的瓦斯在预成裂隙中（或沿 煤层层理）运移时不断冲刷，导致裂隙、层理周边煤体破坏成为粉煤（或碎煤），使得粉煤和瓦斯混合相 间积累。采掘工作面不断推进，应力“三区”随工作面的推进而不断前移，工作面前方应力显现区煤层中的 游离瓦斯和解吸瓦斯在支承压力作用下沿应力转移过程中形成的预成裂隙向前方不断运移积累，不断冲刷 破坏裂隙和层里周边煤体，运移积累瓦斯的同时积累了破坏的粉煤。多个采掘工作循环导致支承应力不断 前移促使瓦斯运移积累的结果，使工作面前方煤体相互联系的裂隙中形成了大量高压瓦斯和破坏的粉煤的 存在。这些
8、积累瓦斯的压力来自于自身解吸和积存瓦斯对采掘支承压力挤压的传递（同时，若有地质构造 存在，地质构造残余应力同时作用）。当运移瓦斯积累到其瓦斯压力足以导致一定煤岩壁破坏时，此时， 当采掘工作继续进行时（特别是放炮、工作面周期来压或初次来压时），工作面应力向深部转移，在工作 面前方形成卸压的瞬间，工作面煤壁三向应力场变为两向或一向，煤岩壁抵抗强度最低，高压瓦斯作用于 抵抗强度最低的煤岩壁，导致其破坏发生瓦斯突出。（二）地应力为主导作用的假说1）岩石变形潜能说在地址构造带储藏着构造应力，在煤层顶底板的岩层中积蓄着强大的弹性能。当巷道接近厚的岩层弹 性变形地区时，围岩象弹簧一样地伸张，破碎和粉碎煤体，
9、瓦斯随之大量涌出发生突出。瓦斯在突出过程 中仅起辅助作用。2）集中应力说在回采工作面前方的支撑压力带，由于厚的坚硬顶板悬顶突然折断而引起的附加应力，致使煤体在集 中应力的作用下遭受破坏而引起突出。3）应力叠加说瓦斯突出是由于地质构造应力，自重应力，火山与岩浆活动的热力变形应力，采矿应力和放顶动压等 应力叠加而引起的。（三）能量假说该假说是在实验室研究实验的基础上提出的。认为：除了重力和瓦斯压力外，不存在别的激发突出原 因。突出现象可以解释为煤层状态突然改变，以及煤潜能突然释放所引起的煤层高速破碎。只有在煤突然 破碎时，潜能与动能瞬时显现，瓦斯来不及正常排放，并将部分动能传递给煤层，突出才会发生
10、。发生煤与瓦斯突出的条件是：1）煤的内能W和岩石动能E足以完成煤向巷道内移动的功F和煤的破碎功U，即：W+EF+U；沿层掘进巷道的情况下，上式变为：wF+U；巷道开石门时，则变为：W+QF+U，式中的Q 为煤层游离瓦斯内能。2）煤的破碎速度v1应大于煤裂隙中瓦斯压力下降的速度v2，即：v1v2；在完成煤破碎前，瓦斯压力p 应比巳破碎煤的抛出阻力更高，即：pmg（fcosA+sinA）+v/s，式中m煤的质量；s破碎煤快的横断面积；g重力加速度；f煤沿某一表面移动时与该面的摩擦系数；A煤层倾角；v煤抛出时的加速度。（四）应力分布不均匀假说突出是由地应力，瓦斯压力和煤层构造分布的不均匀引起的。而煤
11、层构造是影响煤的强度，透气性和 瓦斯含量等瓦斯地质参数的主要因素。（五）化学本质假说爆炸说：瓦斯突出是由于煤在很大的深度内变质时发生的化学反应而引起的。（2）重碳说：在煤的形成时有许多重碳（原子量13）及带氢同位素（原子量2）的重水，他们所形成的重的煤 同位素称为重煤原子。当进行开采时能发生突出。（六）综合假说此假说种类很多，有代表性的是前苏联霍多特等人于1976年最先提出的。其要点是：1）除了地层重力， 高压瓦斯外，在煤层中不存在任何其他能源。突出是地应力，瓦斯压力和煤的物理力学性能综合作用的结 果。2）地压破碎煤体是造成突出的首要原因，而瓦斯则起着抛出煤体和搬运煤体的作用。从突出总能量来
12、说，瓦斯是完成突出的主要能源。3）实验资料表明，只有煤强度很低，与围岩摩擦力不大时，地压造成的 煤的变形前能和围岩功能，才能把煤体破碎形成突出。煤强度是形成突出的一个极为重要的因素。从上面介绍的突出机理不难看出，瓦斯是突出的主要因素，没有瓦斯就谈不上瓦斯突出。没有瓦斯的 动力现象称之为冲击地压；没有动力效应的瓦斯急剧涌出称之为瓦斯喷出。因此可以说：治理瓦斯突出的 方向是消除高压瓦斯的存在。所以我国治理瓦斯的行政强制手段是“四位一体”防突。国家煤矿安全监察局 要求：国有煤矿中的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，要严格按照煤矿瓦斯抽采基本指标的要求，制定和 落实瓦斯先抽后采的措施，推进高瓦斯和煤与瓦斯突出
13、矿井加大瓦斯抽采力度，真正做至小多措并举、应抽 尽抽、抽采平衡”，实现抽、掘、采关系平衡，确保不抽不采，达不到瓦斯抽采指标要求的不采。发现达不 到抽采指标要求的采掘工作面，要立即停止生产，限期达标，逾期仍不达标的，必须按瓦斯抽采达标煤量 核减煤炭产量计划；对小煤矿中的煤与瓦斯突出矿井和应进行瓦斯抽采的高瓦斯矿井，必须制定并落实瓦 斯抽采规划，建立瓦斯抽采系统，2008年底前全部装备到位并投入使用，逾期未安装或不投入使用的，一 律停止生产。高压的游离瓦斯是突出的根源，防治瓦斯的关键就是要消除煤层中的突出瓦斯。其方向是： 采取开采解放层、抽放等措施，减少乃至消除煤层瓦斯，使之形不成瓦斯突出的条件；采取控制地压新举 措，消除采掘工作面周边应力集中，从而解除瓦斯在应力三区”作用下运移形成突出条件。根据瓦斯运移 的理念，在采掘工作面前方一定距离抽放瓦斯，可以有较好的抽放效果。
