煤與瓦斯突出機(jī)理研究進(jìn)展[j]

1、煤與瓦斯突出機(jī)理研究進(jìn)展王永祥杜衛(wèi)新平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（河南平頂山467001）摘要：摘要：隨著煤礦開(kāi)采深度的加大，煤與瓦斯突出這一災(zāi)害日益嚴(yán)重，要求對(duì)突出機(jī)理作深入研究。本文綜述了瓦斯作用說(shuō)，化學(xué)本質(zhì)說(shuō)，地應(yīng)力作用說(shuō)和綜合假說(shuō)。結(jié)果指出，進(jìn)一步的研究應(yīng)把瓦斯因素、煤的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響結(jié)合起來(lái)，從時(shí)間和空間上分析含瓦斯煤巖的強(qiáng)度、形變、流變、集氣性和物理化學(xué)性等變化規(guī)律，才能最終解決煤與瓦斯突出機(jī)理問(wèn)題，尤其是煤與瓦斯延

2、遲突出機(jī)理問(wèn)題。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出；機(jī)理；地應(yīng)力；瓦斯ProgressinstudyonthemechanismofcoalgasoutburstAbstract:Abstract:Withthedeepnessincreaseofcoalminingthedisasterofcoalgasoutburstbecomesincreasinglyserious.Therefeitrequiresthemechanismofcoal

3、gasoutbursttobestudiedparticularly.Thecurrentresearchstatusofoutburstmechanismsuchasgaseffecttheychemistryessencetheygroundpresseffecttheysynthesistheyweresummarizedinthispaper.Itispointedthatfutureresearchshouldaimatthe

4、followingaspectswhichincludecombininggasfactwithphysicsmechanicsstructurepropertiesofcoalanalyzingtheruleofintensionshapechangeflowchangeaccumulatinggasphysicalchemistryacterofcoalrockholdinggasfromspacetime.Themechanism

5、ofcoalgasoutburstdelayoutburstespeciallywillbeaccountedfultimately.Keywds:Keywds:coalgasoutburstmechanismgroundpressgas1引言引言煤與瓦斯突出是煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的一種伴有聲響和猛烈力能效應(yīng)的復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，且隨開(kāi)采深度的加大，這一問(wèn)題日益突出。我國(guó)自1988年頒布并執(zhí)行《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十年來(lái)的技術(shù)

6、攻關(guān)及“四位一體”綜合防突技術(shù)的推廣，防治突出的整體水平已得到較大提高。但是，迄今為止，對(duì)各種地質(zhì)及開(kāi)采條件下突出的機(jī)理還未完全掌握，尤其是煤與瓦斯延期突出，因隱蔽性強(qiáng)，影響因素多，機(jī)理復(fù)雜，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)危害更大。2煤與瓦斯突出機(jī)理煤與瓦斯突出機(jī)理近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外觀測(cè)不少關(guān)于煤與瓦斯突出事件，積累了成千上萬(wàn)次突出紀(jì)錄，總結(jié)了防治突出的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并提出了許多假說(shuō)，試圖對(duì)突出現(xiàn)象的本質(zhì)及影響因素在突出發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中所起的作用進(jìn)行描述，歸

7、納起來(lái)，這些假說(shuō)可分為四類[1]：瓦斯作用說(shuō)，化學(xué)本質(zhì)說(shuō)，地應(yīng)力作用說(shuō)和綜合假說(shuō)。2.12.1瓦斯作用說(shuō)瓦斯作用說(shuō)這類假說(shuō)[2]認(rèn)為煤內(nèi)存儲(chǔ)的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。在這類假說(shuō)中“瓦斯包”說(shuō)占有主要地位，它認(rèn)為在煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區(qū)域高得多的煤窩，即“瓦斯包”，其煤質(zhì)松軟，孔隙與裂隙發(fā)育，且被透氣性差的煤或圍巖所包圍，因此具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)瓦斯能力，當(dāng)巷道揭穿“瓦斯包”時(shí)，在瓦斯壓力作用下將松軟的煤窩破碎并拋出，從

8、而誘發(fā)突出。另一類瓦斯說(shuō)則認(rèn)為，甲烷在煤中以不穩(wěn)定的化合物形式而存在，如多聚甲烷(CH4)n或結(jié)晶水化物CH46H2O當(dāng)巷道揭開(kāi)飽含不穩(wěn)定化合物的煤區(qū)時(shí)，因溫度上升或瓦斯壓力下降，促使它們急劇分解，放出大量瓦斯并夾帶著煤而噴出。在引發(fā)突出現(xiàn)象的諸多因素中，瓦斯解吸是一個(gè)主要原因[35]。在煤的骨架上和內(nèi)部縫隙及煤分子中存在吸附瓦斯，這種相態(tài)的瓦斯是以擴(kuò)散形式緩慢運(yùn)移的，當(dāng)它們擴(kuò)散到達(dá)各參數(shù)的原始值有關(guān)，在很大程度上還取決于近工作面各參數(shù)

9、的變化，即工作面附近煤巖應(yīng)力，瓦斯壓力的分布狀況和煤強(qiáng)度性質(zhì)的變化。工作面前方應(yīng)力和瓦斯壓力梯度越大，煤強(qiáng)度越不均質(zhì)，則工作面突出危險(xiǎn)性也就越大。這類假說(shuō)中有代表性的是前蘇聯(lián)學(xué)者B.B.霍多特的能量說(shuō)[9]和巴浦洛夫等人的地應(yīng)力分布不均說(shuō)[10]。突出能量說(shuō)認(rèn)為，突出是煤的變形潛能和瓦斯內(nèi)能突然釋放引起的近工作面煤體的高速破碎現(xiàn)象。地應(yīng)力分布不均說(shuō)認(rèn)為，突出煤層的煤巖具有增高和不均勻的應(yīng)力分布，當(dāng)工作面前方煤體中的應(yīng)力不均勻分布時(shí)，就會(huì)

10、產(chǎn)生圍巖的不均勻位移。由于圍巖和煤體的變形，產(chǎn)生不同的振幅和聲響，同時(shí)因頂?shù)装逡平摹巴焙汀叭印钡男纬?，產(chǎn)生一種脆弱的平衡。突出之前，這種頂?shù)装逡平耐斐伞白晕易枞?，大大降低了靠近工作面的破裂帶的尺寸，只留下壓縮帶，同時(shí)在距工作面短距離內(nèi)部保持著較高的穩(wěn)定的瓦斯壓力。由于采掘工作破壞了圍巖脆弱平衡，就造成急劇的位移和搓揉，產(chǎn)生沖擊和煤的破碎，發(fā)生突出。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化和能量的釋放是造成突出的首要原因，且在突出過(guò)

11、程中圍巖的變形具有脈沖性質(zhì)。近幾年，在突出機(jī)理綜合假說(shuō)的理論指導(dǎo)下，突出理論研究取得了明顯的進(jìn)展。中科院力學(xué)所提出的破裂間斷波模型[11]，破裂波模型表明，當(dāng)煤樣表面突然卸載的強(qiáng)度超過(guò)抗拉強(qiáng)度與大氣壓之和，便發(fā)生破裂，且以破裂波的形式向深部發(fā)展，破裂波陣面的傳播速度在突然卸載時(shí)達(dá)到最大值，然后隨時(shí)間增加逐漸減小至零，初始充氣壓力越大，破裂波的最大速度以及破裂段的長(zhǎng)度也越大。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出的球殼失穩(wěn)假說(shuō)及突出問(wèn)題的流變學(xué)探討，蔣承林教授

12、通過(guò)對(duì)突出過(guò)程的理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)室研究，提出了瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理[12]，他認(rèn)為在石門(mén)揭穿瓦斯突出煤層時(shí)所發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象過(guò)程中，煤體的破壞以球蓋狀球殼的形成、擴(kuò)展及失穩(wěn)拋出為其典型特征，突出過(guò)程中煤體在應(yīng)力作用下破壞是突出的必要條件而不是充分條件，并指出在理想石門(mén)揭煤條件下，煤層能否突出及突出強(qiáng)度的大小只取決于地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度及軟分層厚度。而地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體強(qiáng)度只影響煤體破裂后的初始釋放瓦斯膨脹能。因此，在理想石

13、門(mén)揭煤條件下，只要測(cè)定煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能和軟煤厚度，就可以判斷煤體是否會(huì)發(fā)生突出及突出的類型。并且單獨(dú)采用瓦斯膨脹能指標(biāo)預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率可達(dá)90%。周世寧和何學(xué)秋兩位教授提出了煤與瓦斯的流變機(jī)理[13]，流變假說(shuō)認(rèn)為含瓦斯的煤在外力作用下，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)其屈服載荷時(shí)，明顯的表現(xiàn)出變形衰減、均勻變形和加速變形三個(gè)階段[14]。流變假說(shuō)運(yùn)用流變學(xué)的觀點(diǎn)分析了突出過(guò)程中含瓦斯煤受力的時(shí)間和空間過(guò)程，能夠很好的解釋綜合作用的瓦斯突出現(xiàn)象。西安礦

14、業(yè)學(xué)院的李萍豐提出了瓦斯突出機(jī)理的二相流體假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為由于工作面受采場(chǎng)應(yīng)力的作用，工作面前方煤體可分為突出阻礙區(qū)、突出控制區(qū)、突出積能區(qū)（或突出中心）和突出能量補(bǔ)給區(qū)[15]。重慶煤科分院研究了瓦斯突出強(qiáng)度與瓦斯能量關(guān)系[16]以及謝逸清等對(duì)延期性突出防治進(jìn)行探討[1719]。重慶煤科分院從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)瓦斯突出強(qiáng)度的定量化關(guān)系進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為采掘工作面新的暴露面形成后，煤體中應(yīng)力迅速重新分布，煤體進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，在應(yīng)力和

15、瓦斯壓力的共同作用下形成與暴露面近于平行的大裂縫，將暴露表面附近煤體切割成與暴露同形的圓柱筒煤殼，煤殼在瓦斯壓力作用下破碎并拋出煤體，形成煤與瓦斯突出。謝逸清等人依據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)周世寧教授的觀點(diǎn)“煤與瓦斯突出實(shí)質(zhì)上是屬于含瓦斯煤體的流變行為”，只是依據(jù)時(shí)間對(duì)延遲突出進(jìn)行分類，延遲時(shí)間在30min之內(nèi)的稱為短延期突出，大于30min至8h的稱為中延期突出，8h以上的稱為長(zhǎng)延期突出。國(guó)外許多學(xué)者研究了瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的本質(zhì)和巖石破壞機(jī)理，如日本