煤与瓦斯突出假说.docx

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煤与瓦斯突出假说

对煤与瓦斯突出机理的研究

对于煤与瓦斯突出机理研究，国内外近年来已有很大进展，通过观测不少关于煤与瓦斯突出事件,积累了大量的突出纪录,并总结了防治突出的经验和教训,并提出了许多假说,

1认为瓦斯是诱发煤与瓦斯突出的主要原因

这类假说认为煤内存储的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。

在这类假说中提出了“瓦斯包”的概念，。

它认为在煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝,即瓦斯包,并且认为“瓦斯包”在突出过程中占有主要地位。

该假说认为在瓦斯包附近其煤质松软,孔隙与裂隙发育,且被透气性差，因此具有较强的存储瓦斯能力,当巷道揭穿“瓦斯包”时,在瓦斯压力作用下将松软的煤窝破碎并抛出,从而诱发突出。

在抚顺煤研分院王佑安的煤与瓦斯突出模拟实验中，当瓦斯压力为零即不存在瓦斯的情况下，即便地应力再大也不会发生突出。

在金洪伟煤与瓦斯突出发展过程的实验中，在只有瓦斯压力的作用下，煤块周围瓦斯压力的突然卸载瞬间会出现喷出雾状煤尘的现象，虽然会媒体表面出现碎粒迸出甚至整体断裂，但不会出现强烈的粉化破坏。

2化学本质说

化学本质说主要包括：

“爆炸的煤说”、“重煤（原子量13）说”、“地球化学说”、“硝基化合物说”。

该类别假说应用较少。

3认为地应力是诱发诱发煤与瓦斯突出的主要原因

该假说认为煤体局部地应力增大时诱发突出的主要原因，并且认为构造应力占主导地位，其中包括残余构造应力说和现在构造应力说以及应力集中说。

残余构造应力说认为在地质构造形成以后，虽然经历的很长的时间，但还会有残余的部分构造应力，其值要远大于自重应力，一旦经过采掘作业，残余构造应力所引起的巨大弹性能会突然释放诱发突出。

但在漫长的地质年代中,残余构造应力是否能保存下来还未有定论，所以又有人提出了现代构造应力说,即认为现代构造应力大的区域即为突出危险区域。

另有人认为在采掘工作面前方存在着应力集中,当厚层顶板悬顶过长或突然冒落时,可能产生附加的集中应力。

在集中应力作用下,煤发生破坏和破碎时,会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。

在成新龙等研究地应力对突出作用时认为地应力场对瓦斯压力场起控制作用，高的地应力决定高的瓦斯压力的存在,从而促进了瓦斯在突出中的作用。

在段东等煤与瓦斯突出过程中地应力作用机理研究中，通过建立气固耦合数学模型进行数值模拟，当地应力较小时，开挖后煤体中的水平拉应力，垂直拉应力以及剪切应力随地应力的增大而减小，此时，地应力对瓦斯突出起阻碍作用。

当地应力叫大过一定范围，开挖后煤体中的水平拉应力，垂直拉应力以及剪切应力随地应力的增大而增大，地应力产生的水平拉应力一方面增强了煤体抵抗破坏的能力，另一方面水平剪切应力增大促进了煤体的破坏。

4综合作用假说

该假说认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果。

综合假说较全面的考虑了突出动力（地应力、瓦斯）和阻力（煤强度）两方面的主要因素,因而得到了国内外学者的普遍认可。

在综合作用假说的提前下，很多学者又提出了一系列突出假说和突出机理。

1）前苏联学者B.B.霍多特的能量说，突出能量说认为,突出是煤的变形潜能和瓦斯内能突然释放引起的近工作面煤体的高速破碎现象。

2）巴浦洛夫等人的地应力分布不均说，地应力分布不均说认为,突出煤层的煤岩具有增高和不均匀的应力分布，当工作面前方煤体中的应力不均匀分布时，就会产生围岩的不均匀位移，产生冲击和煤的破碎，发生突出。

该学说认为围岩应力状态的变化和能量的释放是造成突出的首要原因。

3）中国矿业大学提出的球壳失稳假说，他认为在石门揭穿瓦斯突出煤层时所发生的动力现象过程中,煤体的破坏以球盖状球壳的形成、扩展及失稳抛出为其典型特征,突出过程中煤体在应力作用下破坏是突出的必要条件而不是充分条件,并指出在理想石门揭煤条件下,煤层能否突出及突出强度的大小只取决于地应力、瓦斯压力、煤体强度及软分层厚度。

而地应力、瓦斯压力和煤体强度只影响煤体破裂后的初始释放瓦斯膨胀能，所以只要测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度,就可以判断煤体是否会发生突出及突出的类型。

4）周世宁和何学秋两位教授提出了煤与瓦斯的流变机理，流变假说认为含瓦斯的煤在外力作用下,当达到或超过其屈服载荷时,明显的表现出变形衰减、均匀变形和加速变形三个阶段。

5）西安矿业学院的李萍丰提出了瓦斯突出机理的二相流体假说，该假说认为由于工作面受采场应力的作用，工作面前方煤体可分为突出阻碍区、突出控制区、突出积能区（或突出中心）和突出能量补给区。

对于低瓦斯矿井煤与瓦斯突出的研究，应该综合考虑瓦斯作用，地应力以及煤的物理力学因素。

对于低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出我们提出了两种假设，一种是在低瓦斯矿井存在局部高瓦斯区域，在这种情况下，瓦斯可能起到了主导作用，但必须在一定的地应力条件下。

针对这一假设，主要对低瓦斯矿井存在局部高瓦斯区域的产生机理进行定性分析。

另一种情况是低瓦斯矿井整体瓦斯偏低，却存在地应力异常大的区域，比如地质构造非常复杂或者受采掘影响的应力集中区，即便是在非常低的瓦斯压力下，地应力增大也可能导致煤与瓦斯突出。

针对这一假设，应该首先建立数学模型进行数值分析，模拟在一定的瓦斯条件下，逐级增大地应力直至突出发生，得出突出最小地应力；然后进行现场采样加工，实验室进行型煤实验并验证模拟结论。

通过对第一类假设的定性分析以及第二类假设的定量以及实验分析，从而深入了解低瓦斯矿井煤与瓦斯突出的产生机理以及突出特征。

对低瓦斯矿井煤与瓦斯突出两种假设的研究：

一瓦斯可能不是突出发生的主要动力；

异常地应力或者其他地质条件可能是主导因素，但该过程中还有瓦斯作用，因此与冲击地压不尽相同。

异常地应力产生主要有两个方面：

在采掘过程中，受采掘工艺的影响可能导致的应力集中；另一方面受地质构造的影响，煤层附近可能存在残余构造应力或者现代构造应力，由于其值远大于自重应力，所以在其作用下很可能诱发突出。

这种情况在低瓦斯矿井更应该得到充分关注，属于实质性的低瓦斯矿井在较少瓦斯参与的情况下，由于地应力场的主导作用诱发的突出。

1）应力集中影响煤与瓦斯突出

当采掘工作面处于临近层保护煤柱以及邻近层采掘工作面影响范围以内，即该层工作面进入临近层应力集中区从而产生应力叠加诱发突出。

当采掘工作面处于相邻层巷道，采空区的应力集中区域内易产生应力集中从而诱发突出。

同一区段工作面相向推进到另一工作面的应力集中区产生应力叠加诱发突出。

或者相邻工作面追尾至前方工作面的应力集中区也容易诱发突出。

同一层位或者相邻层位两巷道相互交叉，在相交部位易产生应力集中，或者巷道与回采面交叉都易诱发突出。

当采掘方向与最大主应力方向呈90°的时候突出危险性最小，我国最大主应力方向近东西方向，所以突出危险区域内巷道尽量成南北布置。

除此之外，采掘工艺对煤与瓦斯突出也有一定影响，炮采相比普采综采突出危险性更大。

2）构造应力对煤与瓦斯突出的影响

地质构造影响区存在残余构造应力，地质构造使煤体产生搓揉和层间滑动，形成构造弱面。

构造应力一方面使煤被高度破坏控制了煤的物理力学性质，另一方面地质构造产生的构造应力场对煤与瓦斯突出提供了潜在能量。

由于构造应力场的存在，使煤层附近地应力显著增大，从而也影响了煤层对瓦斯的放散能力。

总结影响地应力大小的地质构造主要有：

封闭向斜轴部，煤层产状变化部位，煤厚变化带，煤包及分叉煤，压扭性断层带，岩浆岩侵入带，煤层的扭转区以及菷状构造收敛等。

地应力对煤与瓦斯突出有双重作用：

一方面地应力增大在一定程度内增大了构造煤的强度，另一方面阻碍的瓦斯的逸散并且为突出积聚了大量的弹性势能。

段东等在研究地应力对煤与瓦斯突出的作用机理时发现：

当地应力小于1MPa时，地应力对瓦斯突出具有阻碍作用；当地应力在0.1～1MPa范围内时，开挖后煤体中的水平拉应力、垂直拉应力及剪切应力随着地应力的增大而减小，煤体的破坏程度随着地应力的增大而减弱。

当地应力大于1MPa时，地应力对瓦斯突出具有双重作用：

一方面其产生的水平压应力增强了煤体抵抗破坏的能力；另一方面其产生的剪切应力促进煤体发生破坏。

当地应力大于1MPa时,开挖后煤体中的水平应力、垂直应力表现为压应力，且随着地应力的增大而增大，剪切应力亦随地应力的增大而变大。

显而易见，水平压应力的增大增强了煤体抵抗破坏的能力，剪切应力的增大促进了煤体的破坏。

并且随地应力的增大，媒体呈现出不同的破坏形式：

当瓦斯压力较小时，拉应力主要由瓦斯压力提供，地应力产生的剪切应力较小，煤体呈现拉破坏；地应力较大时，剪切应力随之增大，媒体呈现出拉-剪破坏，瓦斯压力与地应力共同作用；随着地应力再次增大，煤体的拉-剪破坏会过度到剪切破坏，地应力的破坏作用更加突出明显；当地应力达到一定程度后，地应力产生的剪切应力足够大，其破坏作用优先于拉应力以及瓦斯压力破坏媒体，呈现出单纯的剪切破坏。

二存在局部高瓦斯赋存源区；

该区域瓦斯运移和赋存规律复杂，瓦斯条件和地质条件很有可能是突变的。

以上两种假设都与地质条件有密切关系。

在一定地质构造发育带，地应力明显升高，瓦斯压力明显增大。

从两个方面都有可能导致低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出现象。

地质条件的差异控制瓦斯的赋存状况，影响煤层瓦斯含量的地质条件因素有很多，主要包括煤的变质程度，地质构造，煤层露头与埋藏深度，围岩透气性，煤层倾角以及水文地质条件；其中地质构造为最重要的影响因素。

一般的，高瓦斯区域都存在有非常复杂的地质构造。

1岩浆岩侵入

在低瓦斯矿井中，如果所采掘部分曾遭受岩浆岩的侵入，则该范围内有可能存在局部高瓦斯区域。

一方面，岩浆岩侵入的过程中产生高温高压并携带一些高温气体，使煤层变质程度加深，产生更多新的瓦斯气体；另一方面，当岩浆岩冷却后，形成一道密闭岩墙，极差的透气性阻碍了瓦斯的扩散。

通过两个方面影响产生了瓦斯富集区。

2顶板及围岩性质

如果围岩为致密完整的地透气性岩层，如泥岩，石灰岩等，煤层中的瓦斯就易于保存下来；反之，围岩由中粗砂岩，砾岩或者裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则煤层瓦斯含量较小。

3煤层特性

通常产状比较稳定的煤层瓦斯分布比较均衡，但在部分低瓦斯矿井中，煤层产状变化较大，比如煤层厚度突然变大或者变小，煤层倾角突然变大或者变小，以及煤层分叉与合并处，瓦斯含量都会增大。

另外煤层埋深，煤层厚度以及煤层倾角大小对煤层瓦斯的含量都有一定的影响。

4煤体结构

煤与瓦斯突出基本都发生在构造煤发育的地方，在以此为突破口，安徽理工大学的张荣飞等通过将构造煤与正常煤的特征进行对比，探究了构造煤与瓦斯突出的关系。

研究认为煤的孔隙是瓦斯的储集场所和运移通道，按孔隙的空间尺度可将煤分为大孔，中孔，小孔，微孔；而微孔是煤比表面积的主要贡献者，也成为甲烷富集的主要场所。

煤的吸附能力与总孔体积无明显关系，而与微孔体积呈正相关关系。

因此构造煤和正常煤对瓦斯的吸附量差别不大。

但是构造煤与正常煤的瓦斯放散初速度相差甚远，媒体破坏程度越大，瓦斯放散初速度越大，煤层放散瓦斯的能力越强。

构造煤具有快速解吸，高储能，低强度以及低渗透性的特点，因此其对煤与瓦斯突出起到至关重要的作用。

构造煤的层位对煤与瓦斯突出也有一定影响，李云波在构造煤层位对煤与瓦斯突出影响分析中通过数值模拟，认为构造煤层位影响煤层应力分布状态和煤层瓦斯梯度变化，并且还决定了煤与瓦斯突出的始突位置。

该研究认为两软夹一硬的情况下更容易突出，并且以原生结构煤作为突出主体，两硬夹一软的情况下突出强度较大，并且以构造煤为突出主体。

在低瓦斯矿井，当采掘部分构造普遍存在，并且构造煤在一定程度上形成了有利于突出的煤体以及瓦斯条件从而诱发突出。

5地质构造

断层对于煤层瓦斯保存的影响比较复杂。

一方面要看断层的封闭性，另一方面还要看与断层接触的对盘岩层透气性。

开放性断层易引起煤层在断层附近瓦斯含量降低；封闭性断层，一般是压性、压扭性、不导水、现在仍受挤压而处于封闭状态，当煤层对盘岩层透气性低时，可以阻止煤层瓦斯的排放。

在断层处一般

会出现一定宽度的瓦斯含量降低区，而稍远离断层，由于断层应力集中带的影响，地应力增加，透气性变差，故出现瓦斯含量增高区。

由两条封闭断层与致密岩层圈闭的地堑或地垒往往形成瓦斯含量增高区，特别是地堑，由于深部瓦斯补给，瓦斯含量会明显增大。

褶皱类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响。

如果背斜轴部破坏微弱,或由致密岩层覆盖时,背斜轴部常常是瓦斯的主要积聚地带。

向斜构造一般是轴部的瓦斯含量比翼部高,这是由于轴部岩层受到强力挤压,强烈的挤压使顶部煤岩层的透气性变小,有利于封闭煤层瓦斯。

复式褶皱和紧闭褶皱,盖层封闭良好时,有利于造成瓦斯分布的不均衡和相对富集。

重庆地质矿产研究院程军等通过相似模拟实验得出结论，认为煤系的背斜翼部挤压区和转折区是煤与瓦斯突出的最危险地带，当向斜变形比较大时向斜轴部区也是一个危险的突出区，而背斜轴部相对比较安全。

黄德生在地质构造控制煤与瓦斯突出的探讨中指出，突出点主要集中分布在向斜轴部，背斜的倾伏端，扭褶带以及压扭性断层附近，而背斜轴部很少有突出发生。

该研究认为地质构造是逐级控制煤与瓦斯突出的，较大的构造形迹逐级控制次一级构造形成。

由于地质构造规模的不同，对瓦斯控制的情况也不同。

大型构造是控制瓦斯突出及赋存的区域性构造；中型构造则是带状控制；小型和微型构造常是局部点的控制。

并且通过各级构造的关系可以通过微小型构造提前预测和推断大构造的产状特征，从而及时的预测和控制突出。

对低瓦斯矿井煤与瓦斯突出实验方法的研究

针对低瓦斯矿井煤与瓦斯突出的第二种假设，我们应进行数值模拟和实验研究。

早在20世纪50年代，原苏联进行了一位突出模拟实验实验表明，只有在较大的瓦斯压力梯度下煤才有可能被破碎和抛出。

60年代初，日本氏平增之进行了模拟抛射煤实验,利用CO2的结晶冰、松香、水泥、煤粒制作模型,并模拟“掘进”作业，但模型吸附性能与煤相差较大。

煤炭科学研究总院抚顺分院王佑安教授在国内首先开展了煤与瓦斯突出一维模拟实验研究，现场采集煤样，模拟Ⅳ、Ⅴ类煤，得出了突出强度与垂直应力、瓦斯压力的定量关系。

90年代，蒋承林博士用一维实验模拟了理想条件下石门揭开煤层时煤与瓦斯突出过程，提出了石门揭穿煤层的球壳失稳机理。

孟祥跃等学者自行设计加工了二维突出模拟实验装置和数据采集记录设备，进行了一系列实验，发现煤样破坏存在开裂和突出两种形式。

河南理工大学的蔡成功从力学模型入手，按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同型煤强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程，得出了突出强度与瓦斯压力、型煤强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型。

孟祥跃等对煤与瓦斯突出进行了二位模拟实验，在一维模拟实验研究中,我们已经做了大量的工作，但它只能研究瓦斯压力这一个因素对突出的作用，无法考察地应力的影响。

二维模拟实验既可以改变地应力，又可以改变瓦斯压力，从而能够更接近实际的研究煤与瓦斯突出。

重庆大学的许江等在非均布载荷条件下进行煤与瓦斯突出模拟实验，该实验模拟采掘工作面前方的应力分布，划分为三带：

卸压区，应力集中区和原始应力区。

在保持卸压区和原始应力区地应力不变的条件下，模拟集中应力区不同地应力水平时煤与瓦斯突出的演化规律，从而验证了应力集中与煤与瓦斯突出关系密切。

邓全封基于石门揭煤对煤与瓦斯突出就行了实验研究，实验将煤样就行加压成型，当成型压力达到30MPa以上是，成型煤样的空隙率与容重与Ⅳ，Ⅴ类型煤大致相似。

对煤样进行脱气，充气，先从较低瓦斯压力开始逐渐增大瓦斯压力的情况下突然释放，检测突出最小瓦斯压力。

并且在控制瓦斯压力一定的情况下，研究地应力对突出影响，以及地应力一定的情况下研究瓦斯压力对突出的影响。

这一方式值得学习，在低瓦斯矿井突出研究中，针对第二类假设，我们可以采用上述实验的思想，在控制较小瓦斯压力一定的情况下，逐级增大地应力大小从而得出突出最小地应力，从而对第二类假设进行验证，但要对实验装置进行改进和对实验操作进行完善。

河南理工大学蔡成功从力学模型入手，按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程，得出了突出强度同瓦斯压力、煤型强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型，分析认为，应力和煤的力学性质是决定突出强度的主要因素。

瓦斯地质规律与低瓦斯矿井煤与瓦斯突出

1）煤层局部高瓦斯是低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出的基础；

煤与瓦斯突出集中发生在煤层瓦斯含量相对富集的地带，该区域瓦斯含量不仅决定着发生突出的难易程度，而且还影响着突出的强度。

2）媒体结构的破坏是发生煤与瓦斯突出的必要条件；

煤与瓦斯突出的过程必须有构造煤的存在，低瓦斯矿井也不例外。

煤体结构破坏是煤层受到构造强烈挤压和剪切破坏作用的结果，构造破坏煤别称之为构造煤，构造煤可以分为碎裂煤，碎粒煤，粉粒煤和糜棱煤。

河南理工大学把受构造破坏严重的煤层，并具有发生瓦斯突出的瓦斯能介质条件的煤体称作为瓦斯突出煤体。

所以低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出无疑也要有构造煤的存在。

并且构造煤厚度也常常被用作为判定煤层是否突出的重要指标之一。

3）构造应力相对集中的地带是低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出的主要位置；

低瓦斯矿井瓦斯涌出量较小，不足以诱发突出，但在局部区域构造应力相对集中，即使在瓦斯含量不高的情况下也能诱发煤与瓦斯突出。

构造应力相对集中是一些地质构造的作用，特别是压型，压扭性构造。

一方面，这些构造有利于造成构造煤形成和发育，另一方面，在这些构造发育的地带构造应力比较集中，地应力显著增大，从而增大了低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出的可能性。