煤與瓦斯突出機理研究現狀
1煤與瓦斯突出機理
近年來,國內外觀測不少關於煤與瓦斯突出事件,積累了成千上萬次突出紀錄,總結了防治突出的經驗和教訓,並提出了許多假說,試圖對突出現象的本質及影響因素在突出發生和發展過程中所起的作用進行描述,歸納起來,這些假說可分為四類:瓦斯作用說、化學本質說、地應力作用說和綜合假說。
1)瓦斯作用說
這類假說認為煤內存儲的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。在這類假說中“瓦斯包”說占有主要地位,它認為在煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區域高得多的煤窩,即“瓦斯包”,其煤質鬆軟,孔隙與裂隙發育,且被透氣性差的煤或圍岩所包圍,因此具有較強的存儲瓦斯能力,當巷道揭穿“瓦斯包”時,在瓦斯壓力作用下將鬆軟的煤窩破碎並拋出,從而誘發突出。另一類瓦斯說則認為,甲烷在煤中以不穩定的化合物形式而存在,如多聚甲烷(CH4)n或結晶水化物CH4·6H2O,當巷道揭開飽含不穩定化合物的煤區時,因溫度上升或瓦斯壓力下降,促使它們急劇分解,放出大量瓦斯並夾帶著煤而噴出。
在引發突出現象的諸多因素中,瓦斯解吸是一個主要原因。在煤的骨架上和內部縫隙及煤分子中存在吸附瓦斯,這種相態的瓦斯是以擴散形式緩慢運移的,當它們擴散到達煤層的縫隙網絡後,便迅速解吸為自由態的瓦斯並成為通過宏觀孔隙流到工作麵的自由流體。吸附瓦斯在解吸過程中必然釋放出大量內能,煤層內能有兩種儲存形式,分別為氣體介質的內能和固體介質的內能。在礦井采掘作業中,由於煤體結構和狀態均發生了變化,這兩種能量將轉化為動能,因此,煤與瓦斯突出是一種由於存儲於煤層中的瓦斯能量轉換為動能而發生的煤層崩塌和瓦斯氣體溢出的失效破壞過程。這種失效破壞可能是由於煤層中的應力超過煤介質的強度,以及在瓦斯釋放時單位體積煤所釋放的瓦斯內能足以超過引起單位體積煤發生突出所必須的功。
2)化學本質說
化學本質說主要包括:“爆炸的煤說”、“重煤說”、“地球化學說”、“硝基化合物說”。其中“爆炸的煤說”認為是由於煤在地下深處變質時發生的化學反應而引起的,即由於煤的變質,在爆炸轉化的物質(爆炸的煤)的介穩區能呈現鏈鎖反應過程,並迅速形成大量的CO2和CH4,從而引起爆炸即煤與瓦斯突出。
重煤說認為煤在形成時有重碳(原子量13)及帶氫的同位素(原子量2)重水參加,形成煤的重同位素,稱為“重煤原子”,當進行采掘時,能發生突出。
“地球化學說”認為煤與瓦斯突出是煤層中不斷進行的地球化學過程,即煤層的氧化-還原過程,由於活性氧的存在而加劇,生成一些活性中間物,並與煤中有機物質發生相互作用,使煤分子遭到破壞。
硝基化合物說認為突出煤中積蓄有硝基化合物,隻要有不大的活化能量(如分布不均的地應力,瓦斯壓力)就能產生發熱反應,當其能量超過分子間活性能時,反應將自發地加速進行,從而發生突出。
3)地應力作用說
這類假說把突出發生的原因歸結為局部地應力的增大。在這類假說中,構造應力論占有重要的地位。構造應力說又可分為殘餘構造應力說和現代構造應力說兩種。地層中產生的地質構造須有巨大的力量,即構造應力。殘餘構造應力說認為,盡管在久遠的年代以前,地質構造已經形成,但在地質構造帶附近煤層的圍岩中,仍殘存著部分構造應力,即殘餘構造應力,其值遠大於自重應力值。當采掘工作麵接近這些含有殘餘構造應力的岩層時,會像彈簧一樣張開,釋放其中貯存的大量彈性潛能,引起突出。但在漫長的地質年代中,殘餘構造應力是否能保存下來,引起了較大的爭議,所以又有人提出了現代構造應力說,即認為現代構造應力大的區域即為突出危險區域。另一種學說認為采掘工作麵前方存在著應力集中,當厚層頂板懸頂過長或突然冒落時,可能產生附加的集中應力。在集中應力作用下,煤發生破壞和破碎時,會伴隨大量瓦斯湧出而構成突出。
4)綜合假說
綜合作用假說認為煤與瓦斯突出是由地應力、包含在煤層中的瓦斯以及煤體本身的物理力學性質三者綜合作用的結果，在此基礎上衍生得假說是根據各種因素在突出中所起作用不一致而劃分的，這類假說中有代表性的是前蘇聯學者B.B.霍多特的能量說和巴浦洛夫等人的地應力分布不均說。
突出能量說認為，突出是煤的變形潛能和瓦斯內能突然釋放引起的近工作麵煤體的高速破碎現象。該假說將突出過程分3個階段：煤層應力狀態發生變化時在動靜載荷下煤的破碎，在煤變形潛能和瓦斯壓力下煤的移動，瓦斯由已破碎的煤中解吸、膨脹並帶出懸浮於瓦斯流中的煤。
地應力不均假說認為，圍岩中不均勻分布的地應力、高的瓦斯壓力和低的透氣性變形、破壞的鬆軟煤體是產生突出的有利條件。突出煤層的煤岩具有增高和不均勻的應力分布,當工作麵前方煤體中的應力不均勻分布時,就會產生圍岩的不均勻位移。突出之前,頂底板移近的停滯,造成“自我阻塞”,大大降了靠近工作麵的破裂帶的尺寸,隻留下壓縮帶,同時在距工作麵短距離內部保持著較高的穩定的瓦斯壓力。由於采掘工作破壞了圍岩脆弱平衡,就造成急劇的位移和搓揉,產生衝擊和煤的破碎,發生突出。
