煤与瓦斯突出机理

煤与瓦斯突出机理

 煤与瓦斯突出机理研究概况

            煤与瓦斯突出给煤矿‘安全生产，特别是井下人员的生命财产安全造成了极其严重的威胁。为了防止这类灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生产．世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出机理．以便为突出危险性预测和防突措施的制定与实施提供科学依据。但是，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在定性与假说性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其它因素间的作用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。

           目前这些关于煤与瓦斯突出机理的假说

归纳起来主要有如下几类：

单因素作用假说

           单因素作用假说主要有：瓦斯主导作用假说，地压主导作用假说以及化学本质作用假说，其主要特点是强调单因素起主导作用。 1)瓦斯主导作用假说：以瓦斯为主导作用的假说。主要有“瓦斯包’’说  前苏联的比1I．沙留金和英国的R．威廉姆等提倡的“瓦斯包’’学说认为，煤层内存在着可以积聚高压瓦斯的空洞，其压力超过煤层强度减低区的煤体强度极限，当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁就会发生破坏，产生突出。

         (2)粉煤带说  前苏联的几比贝可夫、德国的M．鲁夫、英国的H．布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤带说认为，由于地质构造或矿山压力的作用，原生煤层被破碎成粉状．这些粉煤极易放出瓦斯。当巷道接近这一地带时，粉煤在较小的瓦斯压力作用下，就能与瓦斯一起喷出。

        (3)煤孔隙结构不均匀说  前苏联的P．M．克里切夫斯基等人提出了这一假说，这一假说认为．煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域的边缘，瓦斯流动速度变化很大。如透气性小的恰好是坚硬的煤．而透气性大的又是不坚硬的煤，那么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯潜能就有可能使煤突出。

           (4)突出波说  前苏联的c．儿赫里斯基阿诺维奇提倡的这一假说认为，瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大十倍左右，在煤的强度低的地区，煤的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度。当巷道接近这一地区时，在瓦斯压力的作用下，可产生连续的破碎煤体的突出波，引起突出。

           (5)裂缝堵塞说  前苏联的H．L1．阿莫索夫提倡这一假说，他认为由于均匀排放瓦斯的裂缝被封闭和堵塞，在煤层中形成增高的瓦斯压力带，从而引起突出。

突出发展过程中各因素的作用

            地应力、瓦斯压力和煤强度在突出过程中各个阶段所起的作用可以是不同的在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力(包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等)。因为地应力的大小，通常比瓦斯压力高几倍；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯内能。根据对若干典型突出实例的统计数据进行计算。在突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高3—6借以上。压出和倾出时煤体的最初破碎的主导力也是地应力。

 煤巷卸压带对煤与瓦斯突出的作用机理

   

煤体作为连续性介质的条件

            物质是有结构的，结构体间联结本质决定着物质的物理力学性质。通常把结构体间直接由分子引力或离子引力联结起来的物质视为连续质，这种物质变形前是连续的，变形过程中仍然保持为连续。但是，对煤体而言，上述假设很难无条件成立，其原因为：

             ①大多数煤(岩)体都存在裂隙。

             ②组成煤(岩)体的基本结构单元间的联结强度较低，在不太大的应力作用下即可遭到破坏，即使变形前是连续的，变形过程中往往就变为不连续的。

            ③物体连续性的重要标志之一是，其泊松比小于0.5，而煤(岩)体的泊松比有的大于0.5，这明这类煤(岩)体是不连续的。

巷道煤层区域中应力分布状态及其划分

            煤矿井下来矿作业破坏了原始地层的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采掘空间形成的较短时间内，首先在采掘空间界面附近形成较高的集中应力(又称支承压力)，当集中应力值达到媒体的强度极限后．该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部传播，经过一定时问后，形成卸压区(应力松弛区)、应力集中区和原始应力区、如图4—3—2所示，在这三个区中，媒体所受应力和变形性质各有差异。

 极限平衡区中煤层界面的应力分布状态及其分析

   

卸压区煤体的核定性分析及其安全宽度的确定

    1.  卸压区煤体的破坏判断

1)卸压区煤体的破坏判断

          实验表明：在一定的围压作用下，煤体的破裂多数为剪破裂，甚至对于某些煤块，在单向压缩情况下，其破裂形式也表现为剪破裂。因此，我们假定在卸压区中．煤体的破裂为剪破裂，物理判断可用库仑一纳维条件表示，

煤与瓦斯突出危险性预测

           矿井中的煤与瓦斯突出是带有区域性分布的，即突出往往仅仅发生在个别区域．这个区或的面积一般仅占整个井田面积的10％左右。为了保证矿井安全生产、提高矿井生产效益。才突出危险程度不同的区域应采取不同的措施。为了划分出突出危险程度不同的区域．就需要进行突出危险性预测。因此，突出危险性预测的主要作用在于：

区域性突出危险性预测

           区域性突出危险性预测是在地质勘探、新井建设、新水平和采区开拓时进行。在井田地质报告中，地质勘探单位必须了解井田的瓦斯地质条件、提供确定煤层突出危险性的基础资料。基础资料应包括煤层厚度及其稳定性、煤的结构破坏类型及工业分析。煤层围岩的性质及厚度、地质构造、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、煤的瓦斯放散韧速度指标、煤的坚固性系数、水文地质情况和火成岩侵入形态及分布等。生产矿井的地测部门与通风部门应共同编制矿井瓦斯地质图屈中应标明地质构造、采掘进度、煤层赋存条件、突出点的位置和强度．以及上述瓦斯基础参数等资料。这些是进行突出区域预测的基础。区域突出危险性预测有以下几种方法。

单项指标法

            采用该法时，各种指标的突出危险临界值，应根据矿区实测资料确定，无实测数据时，可参考表4—4—1所列数据，表4—4—1中煤的破坏类型可参考表4—4—2所列特征进行确定。表4—4—3为我国某些矿井煤层在始突深度煤层的瓦斯压力和瓦斯含量值。由表4—4—3可以看出．各煤层始突深度的瓦斯压力皆大于0.74MPa，煤层瓦斯含量皆大于10m3/t可燃物。因此，上述两指标值可作为区域预测突出危险性的参考。小于上述指标值时，煤层无突出危险；等于或大于上述指标值时，有发生突出的可能。

工作面突出危险性预测

           工作面突出危险性预测，按巷道类别的不同．又可分为石门、煤巷和采煤工作面突出危险性预测。由于是在采掘过程中进行．故预测方法应简单易行，预测指标应能在井下快速测定。根据这个原则、目前采用的顶测方法主要有：钻屑指标法、钻孔瓦斯涌出韧速度法和A

宣综合指标法。

钻屑指标法

           采用这一方法预测煤巷工作面突出危险性时、应在工作面打2个(倾斜和急倾斜煤层)或3个〔缓倾斜煤层)直径为42mm、深为6m以上的钻孔。钻孔每打l m测定钻屑量1次，孽隔2m取1次煤钻屑，测定瓦斯解吸指标△h2，C、c或K1值，然后根据测出的指标值来预测E出危险性。

钻孔瓦斯涌出初速度法

          利用该法进行煤巷掘进工作面突出危险性预测时．应在距巷道两帮o．5m处．各打一个平行于巷道掘进方向，直径廖42mm，深为L 5m的钻孔。用胶澳封孔器进行封孔、封孔后测量室的长度应为o．5m。钻孔瓦斯涌出初速度用流量计进行测定，测定工作应在汀完钻孔后2mm内完成。判断有突出危险的钻孔瓦斯涌出初速度的临界值gm，应根据矿井实测资料分析确定。如果无实测资料时．可参考表4—4—7中的临界值。