煤与瓦斯突出基础知识（二

　　煤与瓦斯突出给煤矿安全生产，特别是井下人员的生命财产安全造成了极其严重的。防止煤与瓦斯突出灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生产，必须了解其发生的机理，掌握其主导因素从而在根本上治理煤与瓦斯突出。为此世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出机理。以便为突出性预测和防突措施的制定与实施提供科学依据。但是，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体与发展机制的认识还停留在定性与性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其它因素间的作用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。目前关于煤与瓦斯突出机理的共有三类，分别为：单因素作用、地压主导作用及综合作用，目前被研究者及现场人员接受的为综合作用。

　　单因素作用主要有：瓦斯主导作用，地压主导作用以及化学本质作用，其主要特点是强调单因素起主导作用。

　　瓦斯包主导作用认为煤层内存在着可以积聚高压瓦斯的空洞，其压力超过煤层强度减低区的煤体强度极限，当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁就会发生，产生突出。

　　粉煤带主导作用认为由于地质构造或矿山压力的作用，原生煤层被破碎成粉状．这些粉煤极易放出瓦斯。当巷道接近这一地带时，粉煤在较小的瓦斯压力作用下，就能与瓦斯一起喷出。

　　孔隙结构不均匀认为煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域的边缘，瓦斯流动速度变化很大。如透气性小的恰好是坚硬的煤．而透气性大的又是不坚硬的煤，那么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯潜能就有可能使煤突出。

　　突出波认为瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大十倍左右，在煤的强度低的地区，煤的瓦斯压力大于煤的极限强度。当巷道接近这一地区时，在瓦斯压力的作用下，可产生连续的破碎煤体的突出波，引起突出。

　　裂缝堵塞说认为由于均匀排放瓦斯的裂缝被封闭和堵塞，在煤层中形成增高的瓦斯压力带，从而引起突出。

　　闭合孔隙瓦斯说认为近工作面地带，由于煤吸收和解吸瓦斯的周期性，使其机械强度降低，包含在闭合孔隙中的瓦斯、在孔隙闭合面与敞开面之间产生了很大的压力差。当煤体被时，使被解吸的瓦斯抛向巷道。

　　瓦斯膨胀说认为在煤层中存在着瓦斯含量增高带．因而引起煤体膨胀和煤层应力增高，此处煤层的透气性接近于零。当巷道掘进到该处时，其应力急剧降低，造成煤的破碎和突出。

　　卸压瓦斯说认为．突出煤层富含瓦斯，但透气性低．瓦斯难以流出。而采掘工作可使局部卸压，迅速卸压的瓦斯涌向煤壁、造成煤壁局部瓦斯压力升高，使粉碎的煤迅速抛出或向巷道挤出。

　　地质带说认为由于有地质带的存在，潜藏着一定数量的高压瓦斯。当巷道或工作面接近该带时，在爆破及地压的影响下，煤、岩壁裂缝增多．如覆盖层的阻力与瓦斯压力的平衡遭到时，将会发生突出。它的中心点在于：由于地质带的存在，增加了周围岩体的异常拱压，当工作面接近这一带时、工作面与地质带之间的煤层会被迅速从而引起突出。

　　瓦斯解析认为卸压时煤的微孔隙扩展、孔隙吸附潜能降低，吸吸着瓦斯解吸．潜伏的压力(吸附瓦斯的内能)为“游离瓦斯”压力，使瓦斯压力增高，可不坚硬的煤体而引起突出。

　　岩石变形潜能认为突出的发生是变形的弹性岩石所积聚的潜能引起的。这些岩石位于煤层周围，而这种潜能是以往的地质构造运动造成的。当巷道掘到该处时，弹性岩石便像弹笛一样开来，从而和粉碎煤体而引起突出。

　　应力集中认为在采煤工作面前方的支撑压力带，由于厚弹性顶板的悬顶和突然沉降引起附加应力、煤体在此集中应力的作用下产生移动相遇到。如果再动载荷，煤体就会冲破工作面煤壁而发生突出。煤突出时．伴随有大量的瓦斯涌出。

　　塑性变化认为突出煤层发生弹塑性变形，使巷道周围煤体突然破碎，引起突出。

　　冲击式移近认为在突出中起主导作用的是地压，具体地说是顶底板的冲击式移近。冲击式移近发生的可能性和大小取决于岩体的性质、巷道参数、掘进方式和速度。其条件是：第一、煤层紧张程度增大；第二，煤层边缘有脆性；第三，从的煤中涌出的瓦斯有一定的压力。

　　拉应力波假主产认为突出煤层的力量是拉应力波。而这个拉应力波是脆性材料在地压的作用下储蓄了大量的弹性能．当巷道工作面附近的煤体由三向受压状态转为复杂应力状态时．掘进工作面了平衡，造成能量而产生突出的。在拉应力波作用下．煤体破碎并抛出，而瓦斯的迅速排放又使动力效应更加猛烈。

　　顶板位移不均匀认为瓦斯突出是由于煤层顶底板不规则和不连续移动而引起的一种动力现象。并指出．顶底板移近速度值增加又下降后，才发生突出。

　　以地压为主导作用的同样也能解释相当一部分突出现场的现象、但也还有许多观象不能解释，如：

　　①在瓦斯不大的矿井，即使开采深度很深(400一500 m)，也不会发生突出。

　　③突出前出现风流中的瓦斯浓度增大或忽大忽小的预兆，也出现工作面煤壁或空气温度下降的预兆。

　　⑤如果突出的发生是由地压引起的，那么突出的孔洞应该是圆锥形，而实际的突出孔洞常常是一些口小腔大特殊形状的孔洞(如梨形、椭球形)。

　　⑥在一些特大型的突出中，每吨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以致上百万立方米瓦斯气体．逆风流运行并可充满数干米的巷道。

　　⑦准备巷道中地压不如回采巷道明显，但准备巷道的突出次数与强度均比回采巷道工作面的大。

　　综合作用认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果，但对各种因素在突出中所起的作用却说法不一。

　　振动认为煤与瓦斯突出的形成不是一个单独的过程，而是由围岩对煤层的振动作用有关的三个连续阶段组成的：第一阶段．煤受到来自围岩方面的压力作用而，煤的体积缩小，游离瓦斯压力增大，并有一部分为吸附瓦斯；第二阶段、卸压，煤层体积膨胀，瓦斯压力降低，瓦斯解吸；第三阶段，包含粉碎的煤和大量的游离瓦斯的煤层又再次受压，瓦斯压力再次增大。当巷道工作面接近上述带时。处于高压的粉煤和瓦斯混合物就有可能冲破煤壁而发生突出。该认为：瓦斯是造成突出的主体。而煤粉碎、瓦斯解吸和瓦斯粉煤混合物的喷出所需的能量是由煤层的围岩通过振动来传递的。

　　分层分离认为瓦斯突出是由地应力和瓦斯共同作用的结果‘突出过程分三个阶段：

　　①准备阶段。工作面附近的煤层始终处于地应力的作用下，造成了发生突出的条件、增加了瓦斯向巷道方向渗透的阻力，促使煤层保持高的瓦斯压力，煤体强度降低，煤较易于从煤体中分离。

　　②颗粒分离波的阶段。突出时，颗粒的分离过程是一层一层进行的。当突出带表面急剧时．由于瓦斯压力梯度作用使分层承受拉力，当拉力大于分层强度时、即发生分层从煤体上的分离。分层分离是一切突出的重要组成部分，影响着突出的主要待征，但并没有全面反映突出过程的多种形式。例如，分层分离波统过部分的压碎带，通常决定于地压作用，伴随声响激发此时面上约分层分离。突出常常是重复的组合．一部分是瓦斯参与下的分层分离而，另一部分是地应力。在急倾斜煤层的某些部分，则在自身的重力作用下分离。

　　③瓦斯和颗粒混合物的运动阶段。从煤体分离的煤颗粒和瓦斯急速冲向巷道．随着混合物运动，瓦斯进一步膨胀，速度继续加快。当其遇到阻碍时，速度降低而压力升高、直到增高的压力不能超过条件时，过程才停止。

　　区认为典型的冲击地压是由于集中应力所造成的现象，而典型的瓦斯突出是瓦斯作用的结果。介于二者之间的现象．称为冲击地压式突出，或叫做突出式的冲击地压。它是瓦斯压力和地应力共同作用的结果。他们认为：不论是突出还是冲击地压，首先必须煤体。而煤体的过程是一致的。在不均质的煤内．各点的强度不同，在高压力的作用下，由强度最低的点先发生，并在其周围造成应力集中，如邻点的强度小于这个集中应力，就会被成区。在这种区中，煤的强度显著下降，变成弱应力区。此区内的吸附瓦斯由于煤体时的弹性能供给热量而解吸、煤粒子间的瓦斯使煤的内摩擦力下降，变成易于流动的状态。当这种粉碎的煤流喷射出时，便形成了突出。

　　游离瓦斯压力认为突出是煤质、地应力、瓦斯压力综合作用的结果、但瓦斯因素是主要的，煤体内游离瓦斯压力是发动突出的主要力量，解吸的瓦斯仅参与突出煤的搬运过程。如果工作面在突出区是逐渐推进的，那么工作面前方煤体处于匀速动态的状态；如果工作面前方的过载应力区的围岩突然变化．将出现加速的动态而突出。有利的突出条件是：煤的结构紊乱，瓦斯压力高，煤和固岩的应力大。

　　上述的综合比前面的单向因素的大大进了一步，它们能解释的突出现象也比其它各种单项因素的多。但是，还有其它一些突出现象不能解释、如：

　　由于煤与瓦斯突出是极其复杂的动力现象，故而对突出机理的认识目前仍然处于定性综合作用阶段，即煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果，是聚集在围岩和煤体中大量潜能的高速，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。

　　突出煤体经历着能量的积聚过程，使之逐渐发展到临界甚至过载的脆弱平衡状态。突出的发展过程一般可划分为四个阶段，即：

　　（1)准备阶段。该阶段的特点是：在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。即在有利的约束条件(石门岩柱，煤巷的硬煤包裹体)下，煤内地应力梯度急剧增高，能够叠加着各种地应力，形成很高的应力集中，积聚着很大的变形能；同时由于孔隙裂隙的压缩，使瓦斯压力增高．瓦斯内能也增大。在这个阶段，会多种有声的与无声的突出预兆。准备阶段的时间可在很大范围内变化，也可在几秒钟内完成(如在震动放炮或顶板动能冲击条件下)。

　　(2)激发阶段。该阶段的特点是地应力状态突然改变，即极限应力状态的部分煤体突然，卸载(卸压)并发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始成．大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。大量的突出实例表明，工作面的多种作业都可以引起应力状态的突变而激发突出。例如各种方式的落煤、打眼、刨柱窝、修整工作面煤壁等都可以人为激发突出，而且统计表明，应力状态变化越剧烈，突出的强度越大。因此，震动放炮、一般爆破是容易引发突出的工序。

　　（3）发展阶段。该阶段具有两个互相关联的特点，一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体，二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。前者是在地应力与瓦斯压力共同作用下完的，后者主要是瓦斯内能作功的过程。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸的瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流，对瓦斯风暴的形成与发展起着决定作用。在该阶段中煤的剥离与破碎不仅具有脉冲的特征．而且有时是客的过程。这可以从突出物的多堆积特征中得到，也可以从突出过程实测记录中找到依据。

　　（4）终止阶段。突出的终止有以下两种情况：一是在剥离和破碎的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低不足以煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的供平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高、地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离和破碎煤体。但是，这时突出虽然停止了，而突出孔周围的卸压区与突出的煤涌出瓦斯的过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长时间。

　　地应力、瓦斯压力和煤强度在突出过程中各个阶段所起的作用可以是不同的在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力(包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等)。因为地应力的大小，通常比瓦斯压力高几倍；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯内能。根据对若干典型突出实例的统计数据进行计算。在突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高3—6倍以上。压出和倾出时煤体的最初破碎的主导力也是地应力。

　　地应力在突出过程中的主要作用有三：一是激发突出；二是在发展阶段中与瓦斯压力梯度联合作用对煤体进行剥离、破碎；三是影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙、控制着瓦斯的流动、卸压瓦斯流和瓦斯解吸过程，当煤体突然时，伴随着卸压过程、新旧裂隙系统连通起来并处于状态，顿时卸压流动效应，形成可以携带破碎煤的有压头的膨胀瓦斯风暴。

　　瓦斯在突出过程中的主要作用有三：一是在某些场合，当能形成高瓦斯压力梯度(例如2MPa／cm)时，瓦斯可激发突出，在自然条件下，由于有地应力配合。可以不需要这样高的瓦斯压力梯度就可以激发突出；二是发展与实现突出的主要因素。在突出的发展阶段中、瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向探部；三是膨胀着的具有压头的瓦斯风暴不断地把破碎的煤运走、加以粉碎，并使新的突出孔壁附近保持着较高的地应力梯度与瓦斯压力梯度．为连续别离煤体准备好必要条件。就这个意义上说．突出的发展或终止将取决于破碎煤炭被运出突出孔的程度，及时而流畅的运走突出物会促进突出的发展、反之突出孔被堵塞时，突出孔壁的瓦斯压力梯度骤降，可以突出的发展．以致使突出停止下来。