煤與瓦斯突出機理

煤與瓦斯突出機理

煤與瓦斯突出機理研究概況

煤與瓦斯突出給煤礦‘安全生產，特別是井下人員的生命財產安全造成了極其嚴重的威脅。為了防止這類災害事故的發生，保障煤礦井下安全生產．世界上各主要產煤國均投入了大量的人力、物力研究煤與瓦斯突出機理．以便為突出危險性預測和防突措施的製定與實施提供科學依據。但是，迄今為止，人們對於突出過程中煤岩體破壞與發展機製的認識還停留在定性與假說性階段，對於突出過程中哪些因素起主要作用以及與其它因素間的作用機理還把握不準，故而隻能對某些突出現象給予解釋，還不能形成統一完整的理論體係。

目前這些關於煤與瓦斯突出機理的假說

歸納起來主要有如下幾類：

單因素作用假說

單因素作用假說主要有：瓦斯主導作用假說，地壓主導作用假說以及化學本質作用假說，其主要特點是強調單因素起主導作用。 1)瓦斯主導作用假說：以瓦斯為主導作用的假說。主要有“瓦斯包’’說 前蘇聯的比1I．沙留金和英國的R．威廉姆等提倡的“瓦斯包’’學說認為，煤層內存在著可以積聚高壓瓦斯的空洞，其壓力超過煤層強度減低區的煤體強度極限，當工作麵接近這種瓦斯包時，煤壁就會發生破壞，產生突出。

(2)粉煤帶說 前蘇聯的幾比貝可夫、德國的M．魯夫、英國的H．布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤帶說認為，由於地質構造或礦山壓力的作用，原生煤層被破碎成粉狀．這些粉煤極易放出瓦斯。當巷道接近這一地帶時，粉煤在較小的瓦斯壓力作用下，就能與瓦斯一起噴出。

(3)煤孔隙結構不均勻說 前蘇聯的P．M．克裏切夫斯基等人提出了這一假說，這一假說認為．煤層中有透氣性變化劇烈的區域，在這些區域的邊緣，瓦斯流動速度變化很大。如透氣性小的恰好是堅硬的煤．而透氣性大的又是不堅硬的煤，那麼當巷道接近這兩種煤的邊界時，瓦斯潛能就有可能使煤突出。

(4)突出波說 前蘇聯的c．兒赫裏斯基阿諾維奇提倡的這一假說認為，瓦斯潛能要比煤的彈性變形能大十倍左右，在煤的強度低的地區，煤的瓦斯壓力大於煤的極限破壞強度。當巷道接近這一地區時，在瓦斯壓力的作用下，可產生連續的破碎煤體的突出波，引起突出。

(5)裂縫堵塞說 前蘇聯的H．L1．阿莫索夫提倡這一假說，他認為由於均勻排放瓦斯的裂縫被封閉和堵塞，在煤層中形成增高的瓦斯壓力帶，從而引起突出。

突出發展過程中各因素的作用

地應力、瓦斯壓力和煤強度在突出過程中各個階段所起的作用可以是不同的在通常情況下，突出的激發階段，破碎煤體的主導力是地應力(包括重力應力、地質構造應力、采動引起的集中應力以及煤吸附瓦斯引起的附加應力等)。因為地應力的大小，通常比瓦斯壓力高幾倍；而在突出的發展階段，剝離煤體靠地應力與瓦斯壓力的聯合作用，運送與粉碎煤炭是靠瓦斯內能。根據對若幹典型突出實例的統計數據進行計算。在突出過程中瓦斯提供的能量比地應力彈性能高3—6借以上。壓出和傾出時煤體的最初破碎的主導力也是地應力。

煤巷卸壓帶對煤與瓦斯突出的作用機理

煤體作為連續性介質的條件

物質是有結構的，結構體間聯結本質決定著物質的物理力學性質。通常把結構體間直接由分子引力或離子引力聯結起來的物質視為連續質，這種物質變形前是連續的，變形過程中仍然保持為連續。但是，對煤體而言，上述假設很難無條件成立，其原因為：

①大多數煤(岩)體都存在裂隙。

②組成煤(岩)體的基本結構單元間的聯結強度較低，在不太大的應力作用下即可遭到破壞，即使變形前是連續的，變形過程中往往就變為不連續的。

③物體連續性的重要標誌之一是，其泊鬆比小於0.5，而煤(岩)體的泊鬆比有的大於0.5，這明這類煤(岩)體是不連續的。

巷道煤層區域中應力分布狀態及其劃分

煤礦井下來礦作業破壞了原始地層的應力平衡狀態，使煤體中的應力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時間內，首先在采掘空間界麵附近形成較高的集中應力(又稱支承壓力)，當集中應力值達到媒體的強度極限後．該部分煤體首先發生屈服變形，使集中應力向煤體深部傳播，經過一定時問後，形成卸壓區(應力鬆弛區)、應力集中區和原始應力區、如圖4—3—2所示，在這三個區中，媒體所受應力和變形性質各有差異。

極限平衡區中煤層界麵的應力分布狀態及其分析

卸壓區煤體的核定性分析及其安全寬度的確定

1. 卸壓區煤體的破壞判斷

1)卸壓區煤體的破壞判斷

實驗表明：在一定的圍壓作用下，煤體的破裂多數為剪破裂，甚至對於某些煤塊，在單向壓縮情況下，其破裂形式也表現為剪破裂。因此，我們假定在卸壓區中．煤體的破裂為剪破裂，物理判斷可用庫侖一納維條件表示，

煤與瓦斯突出危險性預測

礦井中的煤與瓦斯突出是帶有區域性分布的，即突出往往僅僅發生在個別區域．這個區或的麵積一般僅占整個井田麵積的10％左右。為了保證礦井安全生產、提高礦井生產效益。才突出危險程度不同的區域應采取不同的措施。為了劃分出突出危險程度不同的區域．就需要進行突出危險性預測。因此，突出危險性預測的主要作用在於：

區域性突出危險性預測

區域性突出危險性預測是在地質勘探、新井建設、新水平和采區開拓時進行。在井田地質報告中，地質勘探單位必須了解井田的瓦斯地質條件、提供確定煤層突出危險性的基礎資料。基礎資料應包括煤層厚度及其穩定性、煤的結構破壞類型及工業分析。煤層圍岩的性質及厚度、地質構造、煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力、煤的瓦斯放散韌速度指標、煤的堅固性係數、水文地質情況和火成岩侵入形態及分布等。生產礦井的地測部門與通風部門應共同編製礦井瓦斯地質圖屈中應標明地質構造、采掘進度、煤層賦存條件、突出點的位置和強度．以及上述瓦斯基礎參數等資料。這些是進行突出區域預測的基礎。區域突出危險性預測有以下幾種方法。

單項指標法

采用該法時，各種指標的突出危險臨界值，應根據礦區實測資料確定，無實測數據時，可參考表4—4—1所列數據，表4—4—1中煤的破壞類型可參考表4—4—2所列特征進行確定。表4—4—3為我國某些礦井煤層在始突深度煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量值。由表4—4—3可以看出．各煤層始突深度的瓦斯壓力皆大於0.74MPa，煤層瓦斯含量皆大於10m3/t可燃物。因此，上述兩指標值可作為區域預測突出危險性的參考。小於上述指標值時，煤層無突出危險；等於或大於上述指標值時，有發生突出的可能。

工作麵突出危險性預測

工作麵突出危險性預測，按巷道類別的不同．又可分為石門、煤巷和采煤工作麵突出危險性預測。由於是在采掘過程中進行．故預測方法應簡單易行，預測指標應能在井下快速測定。根據這個原則、目前采用的頂測方法主要有：鑽屑指標法、鑽孔瓦斯湧出韌速度法和A

宣綜合指標法。

鑽屑指標法

采用這一方法預測煤巷工作麵突出危險性時、應在工作麵打2個(傾斜和急傾斜煤層)或3個〔緩傾斜煤層)直徑為42mm、深為6m以上的鑽孔。鑽孔每打l m測定鑽屑量1次，孽隔2m取1次煤鑽屑，測定瓦斯解吸指標△h2，C、c或K1值，然後根據測出的指標值來預測E出危險性。

鑽孔瓦斯湧出初速度法

利用該法進行煤巷掘進工作麵突出危險性預測時．應在距巷道兩幫o．5m處．各打一個平行於巷道掘進方向，直徑廖42mm，深為L 5m的鑽孔。用膠澳封孔器進行封孔、封孔後測量室的長度應為o．5m。鑽孔瓦斯湧出初速度用流量計進行測定，測定工作應在汀完鑽孔後2mm內完成。判斷有突出危險的鑽孔瓦斯湧出初速度的臨界值gm，應根據礦井實測資料分析確定。如果無實測資料時．可參考表4—4—7中的臨界值。