煤與瓦斯突出機理
煤與瓦斯突出係指煤礦中這樣一種煤體動力現象,即在極短時間內,由煤體向巷道(包括采場)中突然噴出巨量的瓦斯和粉碎的煤,並在煤體中形成某種特殊形狀的空洞,噴出的粉煤被瓦斯流所攜帶運動,並造成一定的動力效應(推倒礦車,巨石,破壞支架等),大突出時粉煤可以充填數百米巷道,而噴出的瓦斯-粉煤流有時帶有暴風般的性質,逆風流充滿數千米長的巷道.
因此,煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全生產的最嚴重的自然災害.自從1834年法國發生世界上第一次煤和瓦斯突出以來,40多個產煤國家發生了突出.我國的瓦斯突出極為嚴重,至今為止,已發生突出萬次以上.今年1--8月全國發生較大以上的突出31起,死亡182人,其中有14起發生在非突出礦井,占45.2%.對雲南來說,近年隨著煤炭開采的向地下深部延伸和開發力度的加大,煤與瓦斯突出也隨之加劇.東源集團的羊場煤礦,田壩煤礦,恩洪煤礦均是突出礦井,恩洪突出還很嚴重.雲南在建的最大規模井工煤礦---白龍山煤礦也已經發生瓦斯突出.因此瓦斯突出災害的嚴重性雲南已經凸現.研究和掌握治理技術已經很迫切.
煤與瓦斯突出一般是在工作麵放炮或采掘等誘導因素出現後隨即發生的.這樣的突出稱之為正常突出.還有一種突出是在工作麵放炮或采掘等誘導因素出現後延遲一定時間才發生,稱之為延期突出.延期突出由於延期時間有長有短,難以確定,不好預防.今年羊場曾經發生過一次延期突出.那麼,煤與瓦斯突出的機理是如何的呢?討論瓦斯抽放和突出治理的資料很多,但對突出機理進行詳細描述的資料卻很少,因此了解這方麵知識對於研究和治理突出顯得很有必要.
人類對煤與瓦斯突出機理的研究已經近200年了,對突出機理的假說不下40 種,盡管各有差別,但歸納起來有六類,主要的仍然是三大類:瓦斯主導學說;地壓主導學說;綜合作用假說.本文介紹有代表性的幾種假說.
(一)瓦斯主導學說
該類學說認為,瓦斯是突出的主要原因和能源,而地壓和煤的物理力學性能則是為突出創造了有力條件.該類學說主要包括以下假說:
1)"瓦斯包"說(前蘇聯貝可夫提出)
突出的原因在於煤層中存在"瓦斯包".該瓦斯包中的瓦斯壓力比鄰近區域要高得多,且包圍"瓦斯包"的煤體透氣性極小,使高壓瓦斯得以保存.當工作麵接近這一"瓦斯包"時,高壓瓦斯破壞了煤壁,瓦斯攜帶破碎煤猛烈噴出,發生瓦斯突出.
2)突出波說(前蘇聯赫利斯特爾維切提出)
突出是煤層中所含潛能的顯現,每噸煤中所含瓦斯的潛能要比煤層儲蓄的彈性變形能大10倍左右.在煤強度低的區域,煤層中的瓦斯壓力大於煤的極限破壞強度,在采掘工作麵接近這些區域時,在瓦斯壓力作用下,可產生連續破壞煤體的"突出波".
3)瓦斯膨脹說
(1)煤層中存在高壓瓦斯含量地帶,吸附瓦斯引起了煤體膨脹,增加了煤層應力,且在這樣的煤層中透氣係數接近於零.當巷道接近這一區域時,使應力急劇降低,造成煤的破壞和突出.(前蘇聯尼靠林提出)
(2)突出是由於含有高壓瓦斯的煤層,沒結構不均勻.透氣性低的硬煤包圍著透氣性高的軟煤,當巷道工作麵接近硬煤與軟煤邊界時,運動著的高壓瓦斯就可以衝破煤壁夾帶著隨煤而噴出發生突出(別土哈夫提出).
4)瓦斯水化物說(前蘇聯學者提出)
在一定溫度和壓力下,空隙煤體中有可能形成瓦斯的水化物CH4.6H2O.當它與水結合時,在一立方米的水中可以含有200立方米的瓦斯.煤層中的瓦斯水化物以不穩定的化合物存在,儲存著巨大的潛能,受到采動影響即能迅速分解,形成高壓瓦斯,突破煤體而造成突出.
5)瓦斯運移說(筆者1988年提出)
煤是多孔裂隙物質，其中存在著大小不等的空隙，孔隙之間由若幹大小裂隙溝通。遊離瓦斯存在於孔隙之中，而吸附瓦斯存在於煤的表麵。在目前開采條件下。9 7 312 3 4 8 : 來源：四川安全生產網
吸附瓦斯主要存在於微空隙的表麵，因為地壓隻能對大孔隙和裂隙有壓縮變形的作用，所以地壓的變化對煤的吸附能力影響很小，而對煤層的透氣性則有重大影響。煤層中的大孔和裂隙是瓦斯流動的通道，是構成煤層透氣性的基本部分。采掘工程開始後必將在井巷兩邊和前方巷壁上形成應力“三區”， 這些重新分布的應力“三區”隨工作麵的推進而前移。工作麵前方應力顯現區生成預成裂隙並半有瓦斯解吸。工作麵前方應力顯現區煤層中的遊離瓦斯和解吸瓦斯在支承壓力作用下沿應力轉移過程中形成的預成裂隙向前方運移積累。煤層中的遊離瓦斯和解吸瓦斯在支承壓力作用下沿應力轉移過程中形成的預成裂隙向前方不斷運移的同時，楔子作用的瓦斯在預成裂隙中（或沿煤層層理）運移時不斷衝刷、導致裂隙、層理周邊煤體破壞成為粉煤（或碎煤），使得粉煤和瓦斯混合相間積累。采掘工作麵不斷推進，應力“三區”隨工作麵的推進而不斷前移，工作麵前方應力顯現區煤層中的遊離瓦斯和解吸瓦斯在支承壓力作用下沿應力轉移過程中形成的預成裂隙向前方不斷運移積累，不斷衝刷破壞裂隙和層裏周邊煤體，運移積累瓦斯的同時積累了破壞的粉煤。多個采掘工作循環導致支承應力不斷前移促使瓦斯運移積累的結果，使工作麵前方煤體相互聯係的裂隙中形成了大量高壓瓦斯和破壞的粉煤的存在。這些積累瓦斯的壓力來自於自身解吸和積存瓦斯對采掘支承壓力擠壓的傳遞（同時，若有地質構造存在，地質構造殘餘應力同時作用）。當運移瓦斯積累到其瓦斯壓力足以導致一定煤岩壁破壞時，此時，當采掘工作繼續進行時（特別是放炮、工作麵周期來壓或初次來壓時），工作麵應力向深部轉移，在工作麵前方形成卸壓的瞬間，工作麵煤壁三向應力場變為兩向或一向，煤岩壁抵抗強度最低，高壓瓦斯作用於抵抗強度最低的煤岩壁，導致其破壞發生瓦斯突出。(二)地應力為主導作用的假說
1)岩石變形潛能說
在地址構造帶儲藏著構造應力,在煤層頂底板的岩層中積蓄著強大的彈性能.當巷道接近厚的岩層彈性變形地區時,圍岩象彈簧一樣地伸張,破碎和粉碎煤體,瓦斯隨之大量湧出發生突出.瓦斯在突出過程中僅起輔助作用.
2)集中應力說
在回采工作麵前方的支撐壓力帶,由於厚的堅硬頂板懸頂突然折斷而引起的附加應力,致使煤體在集中應力的作用下遭受破壞而引起突出.
3)應力疊加說
瓦斯突出是由於地質構造贏利,自重應力,火山與岩漿活動的熱力變形應力,采礦應力和放頂動壓等應力疊加而引起的.
(三)能量假說
該假說是在實驗室研究實驗的基礎上提出的.認為:除了重力和瓦斯壓力外,不存在別的激發突出原因.突出現象可以解釋為煤層狀態突然改變,以及煤潛能突然釋放所引起的煤層高速破碎.隻有在煤突然破碎時,潛能與動能瞬時顯現,瓦斯來不及正常排放,並將部分動能傳遞給煤層,突出才會發生.
發生煤與瓦斯突出的條件是:
1)煤的內能W和岩石動能E足以完成煤向巷道內移動的功F和煤的破碎功U,即
W+E>F+U
沿層掘進巷道的情況下,上式變為
w>F+U
巷道開石門時,則變為
W+Q>F+U
式中的Q為煤層遊離瓦斯內能.
2)煤的破碎速度v1應大於煤裂隙中瓦斯壓力下降的速度v2,即 v1>v2
在完成煤破碎前,瓦斯壓力p應比已破碎煤的拋出阻力更高,即 p>m[g(fcosA+sinA)+v]/s
式中 m----煤的質量;
s----破碎煤快的橫斷麵積;
g----重力加速度;
f----煤沿某一表麵移動時與該麵的摩擦係數;
A----煤層傾角;
v----煤拋出時的加速度.
(四)應力分布不均勻假說
突出是由9 7 3 123 4 8 : 來源：四川安全生產網
(五)化學本質假說
(1)爆炸說 瓦斯突出是由於煤在很大的深度內變質時發生的化學反應而引起的.
(2)重碳說 在煤的形成時有許多重碳(原子量13)及帶氫同位素(原子量2)的重水,他們所形成的重的煤同位素稱為重煤原子.當進行開采時能發生突出.
(六)綜合假說
此假說種類很多,有代表性的是前蘇聯霍多特等人於1976年最先提出的.其要點是:1)除了地層重力,高壓瓦斯外,在煤層中不存在任何其他能源.突出是地應力,瓦斯壓力和煤的物理力學性能綜合作用的結果.2)地壓破碎煤體是造成突出的首要原因,而瓦斯則起著拋出煤體和搬運煤體的作用.從突出總能量來說,瓦斯是完成突出的主要能源.3)實驗資料表明,隻有煤強度很低,與圍岩摩擦力不大時,地壓造成的煤的變形前能和圍岩功能,才能把煤體破碎形成突出.煤強度是形成突出的一個極為重要的因素.
從上麵介紹的突出機理不難看出,瓦斯是突出的主要因素,沒有瓦斯就談不上瓦斯突出.沒有瓦斯的動力現象稱之為衝擊地壓;沒有動力效應的瓦斯急劇湧出稱之為瓦斯噴出.因此可以說:治理瓦斯突出的方向是消除高壓瓦斯的存在.所以我國治理瓦斯的行政強製手段是"四位一體"防突.國家煤礦安全監察局要求:國有煤礦中的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，要嚴格按照《煤礦瓦斯抽采基本指標》的要求，製定和落實瓦斯先抽後采的措施，推進高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井加大瓦斯抽采力度，真正做到“多措並舉、應抽盡抽、抽采平衡”，實現抽、掘、采關係平衡，確保不抽不采，達不到瓦斯抽采指標要求的不采。發現達不到抽采指標要求的采掘工作麵，要立即停止生產，限期達標，逾期仍不達標的，必須按瓦斯抽采達標煤量核減煤炭產量計劃；對小煤礦中的煤與瓦斯突出礦井和應進行瓦斯抽采的高瓦斯礦井，必須製定並落實瓦斯抽采規劃，建立瓦斯抽采係統，2008年底前全部裝備到位並投入使用，逾期未安裝或不投入使用的，一律停止生產。 高壓的遊離瓦斯是突出的根源，防治瓦斯的關鍵就是要消除煤層中的突出瓦斯。其方向是：采取開采解放層、抽放等措施，減少乃至消除煤層瓦斯，使之形不成瓦斯突出的條件；采取控製地壓新舉措，消除采掘工作麵周邊應力集中，從而解除瓦斯在“應力三區”作用下運移形成突出條件。根據瓦斯運移的理念，在采掘工作麵前方一定距離抽放瓦斯，可以有較好的抽放效果。
