煤 与 瓦 斯 突 出 机 理 新 探.doc
[摘要]本文论述了煤矿井下，煤与瓦斯突出时所具有的强大瓦斯量的来源及其与地应力、煤壁强度等因素一起形成突出的过程。
文中以走向长壁回采工作面为例，扼要地叙述了开切眼以后进行回采所形成的应力重新分布。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半有瓦斯解吸。针对突出时，瓦斯涌出量远远大于煤层瓦斯含量、瓦斯具有易流动性的特性，提出了煤层突出时所具有的瓦斯量是采动影响形成的应力增高区随工作面推进而前移，促使煤层瓦斯（包括解吸瓦斯）运移积累的结果。同时提出煤与瓦斯突出的预测及处理方法。
最后，还初步地对煤与瓦斯突出所具有的现象进行了扼要解释。并指出煤与瓦斯突出预防和根治的发展方向。列举出瓦斯运移新观点的有力证据。
1、前言
瓦斯事故是煤矿最主要的事故，而煤与瓦斯突出又是瓦斯事故的一个主要方面。因此，防治瓦斯突出显得非常重要。防治瓦斯突出就必须了解和掌握瓦斯突出的成因，制定和实施确实有效的防突措施。一个多世纪以来，世界产煤国家的众多学者对瓦斯突出机理进行了大量的研究，提出了数十种假说，分别从不同角度阐述突出机理，指导了煤矿防突工作。然而，对突出成因的研究仍然处于假说阶段，还不能完全解释某些实际的突出现象,也不能确切说明突出的发展过程和发展阶段,还不能指导煤矿彻底根治瓦斯突出事故，研究突出机理仍然显得迫切而必要。前苏联学者尼考林、别图哈夫等研究都认为瓦斯是突出的原因和能源,地压和煤的物理力学性能则是为突出创造了有利条件.那突出时涌出的大量瓦斯来源于何处呢？笔者从瓦斯运移的角度进行研究，提出了煤层突出时所具有的瓦斯量是采动影响形成的应力增高区随工作面推进而前移，促使煤层瓦斯（包括解吸瓦斯）运移积累的结果
2、煤层瓦斯的运移
在成煤过程中生成的瓦斯，从生成开始不断地运移，其运移规律是从生成的煤层向地表（从地层由深到浅）、从煤层向露头进行。其运移通道是地质构造裂隙（主要是断层裂隙）、岩溶陷落柱和煤岩层裂隙。今天保存在煤层中的瓦斯只是伴煤生成瓦斯的一小部分。采掘作业破坏了煤层的原始应力和瓦斯压力平衡,产生煤体流变破坏和瓦斯流动[1],造成了瓦斯新的运移。瓦斯运移导致运移瓦斯流失和积聚。运移瓦斯流失对我们开采安全有利，运移瓦斯积聚（特别瓦斯积聚形成瓦斯突出）对我们开采安全有害，是我们重点研究对象。
3、地下采掘活动空间的支承压力分布
井巷工程的开挖和采煤工程的进行，都将使井巷周边的应力发生重新分布。在掘进巷道两边和掘进头前方均要形成卸压区、支承应力区、常压区，简称“应力三区”。只不过掘进巷道两边和掘进头前方形成的卸压区宽度较窄，而走向长壁工作面采场周围的应力分布较为复杂，工作面前方的“应力三区”极为明显。
4、支承压力分布对瓦斯运移的控制
井下进行采掘工程时，煤岩层中的瓦斯将在自身压力作用下向自由空间扩散。而巷道周边形成的支承应力则对煤岩层进行压紧，使煤岩层透气性降低，封闭住支承应力区往煤岩层深处的瓦斯，并且采掘工作引起应力重新分布的结果还将在采掘工作面前方形成预成裂隙和分支性裂隙，使之成为瓦斯运移的通道。因此，在采掘过程中，向采掘巷道涌出的瓦斯以卸压区瓦斯和采空区瓦斯为主。
5、瓦斯突出的形成
煤是多孔裂隙物质，其中存在着大小不等的空隙，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[2]。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半有瓦斯解吸。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。
6、各因素在瓦斯突出中的作用
6.1地应力对突出的作用
在煤矿井下进行采掘工程时，采掘工程导致地应力转化的支承压力主要起封闭工作面、巷道周边限制煤体内瓦斯急速外泄，随工作面不断推进支承压力不断前移促使瓦斯向前方运移积累、促使瓦斯运移破坏通道周边煤体形成突出的瓦斯和破碎煤。同时，地应力在促使瓦斯运移积累后又作用于瓦斯使其转化为瓦斯压力。因此，其作用表现为促使突出瓦斯（运移积累）形成，破碎和促使瓦斯运移破坏通道周边煤体形成突出时破碎煤。
6.2瓦斯对突出的作用
突出瓦斯和破坏煤形成后，一旦受地应力作用的瓦斯压力达到足以使一定厚度的煤岩体破坏时，当诱发因素（放炮、打钻、其他作业、支承压力转移）出现，瓦斯压力促使高压瓦斯冲破煤体、携带相伴破碎粉（碎）煤一起抛向井巷空间，发生突出。值得一提的是:突出瓦斯形成后,其在上覆应力(或地质构造应力)作用下,(因为瓦斯是流体)所反映(传递)的瓦斯压力在各个方向是一样的.
6.3煤的物理力学性质对突出的影响
煤的物理力学性质主要指：煤强度、煤层裂隙、瓦斯解吸的能力。一般来说，突出煤层，一般是顶底板透气性差、利于瓦斯保存；煤层强度低，节理裂隙发育，利于瓦斯运移积累，瓦斯在节理裂隙中运移，容易使之破坏形成破碎（粉）煤，为突出发生准备条件。实验表明，突出煤层和非突出煤层在吸附性能方面没有区别。同样地在突出煤层中，受搓揉破坏的软煤，其吸附性能也与不突出的硬煤没有区别[2]。煤与瓦斯突出机理的流变说研究结论是：煤与瓦斯突出机理的流变行为（突出现象的一种说法）决定于外部条件和煤的自身物理力学性质，不存在突出煤和非突出煤的区别。如条件具备，非突出煤也可以变为突出煤。如地应力和瓦斯压力降低，突出煤也可以变为非突出煤[3]。也就是说把突出瓦斯归结为瓦斯解吸是站不住脚的.
7、瓦斯突出现象的解释
7.1突出释放的大量瓦斯
众所周知,突出释放的大量瓦斯远远大于突出孔洞的容量.过去一般认为突出瓦斯源于突出煤的瓦斯解吸,而前苏联科学院矿业研究所霍多特等人实验证明,突出煤层和非突出煤层在吸附性能方面没有区别,在瓦斯压力为40大气压,温度25度的条件下,突出煤层的吸附瓦斯含量为吨煤25立方米左右.而实际突出瓦斯量往往远远大于此.今年4月22日,云南恩洪煤矿在采煤工作面切割掘进时发生的一次延期突出,突出煤量235吨.突出瓦斯16628立方.那这些大量突出瓦斯是如何形成的呢?从瓦斯运移的角度就很容易解释.因为煤是多孔裂隙物质，其中存在着大小不等的空隙，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，因为地压只能对大孔隙和裂隙有压缩变形的作用，所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,采掘形成的应力"三区"促使瓦斯运移积累的空间就是煤层中相互沟通的大小裂隙网.突出发生时,除了能量高度集中的区域破碎煤被瓦斯抛出,其他地方只是沟通的裂隙中储存的瓦斯排放.
7.2突出中的粉煤
大多数的突出均存在粉煤，它是如何形成的呢？一些学者认为它是突出过程中形成的。日本学者植木土郎等人通过实验研究证实，瓦斯突出的煤，大部分是极细的粉煤，它不是在突出过程中产生的，而是在煤层内粉化的。其实，众所周知的一个事实是，利用钻屑量预测瓦斯突出已很成功。钻屑量的增加从侧面也证实粉煤是突出前在煤层内粉化的。瓦斯运移的观点（前述）可以很好地描述粉煤的形成。
7.3突出发生的地点
根据瓦斯运移的观点,对于采掘工作面来说,如果在无地质构造或地质构造一致的块段,则瓦斯突出沿工作面走向呈规律性分布.也就是瓦斯运移一定的走向长度便可以形成突出条件.湖南现场瓦斯突出防治工作人员赵和松经过统计调查研究的结果证明了这一事实.事实上,采掘施工对突出诱导的因素的差异对此有一定影响,导致提前突出或改变突出类型(如采煤工作面初次来压和周期来压将突出变为压出或倾出).并且,在采煤工作面来说,由于瓦斯在工作面支承压力促使的运移积累过程中,采面煤层受应力影响后有沿倾斜方向下滑移动的趋势,主观上造成此方向裂隙的发育,瓦斯又比空气轻,在沿走向运移的同时沿倾向也向上运移,其结果导致瓦斯运移积累于工作面倾斜方向的中上部,并且此区域是上下工作面的支承压力叠加区,这也就是我们看到的现实中为何瓦斯突出发生于次的原因.对于掘进工作面来说,由于巷道两侧和工作面前方支承压力较采煤工作面小,形成的支承压力促使瓦斯运移积累程度低,范围小,支承压力压实煤体控制封闭的瓦斯也少,卸压带宽度,支承压力带宽度小,所以,易于形成突出条件,但发生突出强度就小,较采煤工作面突出频繁.这也与实际相符.
7.4突出的条带性分布
煤层是孔裂隙构造结果,且孔裂隙成条带性分布,并且煤层中的孔裂隙正是支承压力促使瓦斯运移积累的通道和场所,所以突出呈条带性分布.
7.5延期突出和二次突出的发生
延期突出是指突出煤层在爆破或作业时不发生突出,而是爆破作业或作业以后一段时间内在爆破或作业处发生的突出.二次突出是指突出煤层在爆破或作业时发生了突出后一段时间后接着又发生了第二次突出.为何会发生延期突出和二次突出呢?当工作面前方较远处有一个利于瓦斯运移积累的孔裂隙网络,这个网络到工作面具有一定的利于瓦斯流动的孔裂隙相连.此时,瓦斯在孔裂隙网络中运移积累达到一定程度时,可以使一定厚度的煤岩壁发生破坏.此时,工作面卸压带距此较远,突出瓦斯压力还不足以使其破坏发生突出.积累瓦斯网络至工作面煤壁(含卸压带)形成阻挡瓦斯突出的屏障.但是,工作面推进,缩短了阻挡瓦斯的煤壁厚度,缩短到一定距离,当产生诱导突出因素时,造成承压瓦斯压力大于阻挡突出煤壁强度时便发生正常突出.而造成承压瓦斯压力等于或约小于阻挡突出煤壁强度时,集中应力带和卸压带就象未关死的闸门憋住突出瓦斯,而应力在发生向深部转移,工作面煤层应变软化,宽度卸压带岁时间延长而展宽(此时突出承压瓦斯受应力影响发生向各个方向反复冲击),当阻碍突出的煤壁强度降低到煤体水平承载能力小于水平突出瓦斯动力时,便发生延期突出.煤层软化、卸压带延展从工作面诱导因素发生开始需要一定时间所以突出延期.同样原因,造成突出煤壁比正常突出宽,所以延期突出一般强度大.另外,如果工作面前方一定距离存在两个相连的利于瓦斯突出网络,便会瓦斯运移同时形成两个突出点,发生二次突出,其突出过程和延期突出相似.
8.瓦斯突出灾害的防治
前苏联学者贝可夫研究认为,高压的游离瓦斯是突出的根源.防治瓦斯的首要措施是消除煤层中的突出瓦斯。其手段有两个方面：1）采取开采解放层、抽放等措施，减少乃至消除煤层瓦斯；
2）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。
参考文献：
罗新荣，夏宁宁，贾真真.掘进煤巷应力仿真和延时煤与瓦斯突出机理研究，中国矿业大学学报，2006年9月（第35卷）第五期.
四川矿业学院.国外煤和瓦斯突出机理综述，川煤科技，1976，3.
何学秋，周世宁.煤和瓦斯突出机理的流变假说，煤矿安全，1991，10.
