煤与瓦斯突出机理研究进展[J]
煤与瓦斯突出机理研究进展
王永祥杜卫新
平顶山工业职业技术学院（河南平顶山467001）
摘要：随着煤矿开采深度的加大，煤与瓦斯突出这一灾害日益严重，要求对突出机理作深入研究。本文综述了瓦斯作用说，化学本质说，地应力作用说和综合假说。结果指出，进一步的研究应把瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特性的影响结合起来，从时间和空间上分析含瓦斯煤岩的强度、形变、流变、集气性和物理化学性等变化规律，才能最终解决煤与瓦斯突出机理问题，尤其是煤与瓦斯延迟突出机理问题。
关键词：煤与瓦斯突出；机理；地应力；瓦斯
Progress in study on the mechanism of coal and gas outburst Abstract:With the deepness increase of coal mining, the disaster of coal and gas outburst becomes increasingly serious.Therefore it requires the mechanism of coal and gas outburst to be studied particularly. The current research status of outburst mechanism such as gas effect theory, chemistry essence theory ,ground press effect theory and synthesis theory were summarized in this paper. It is pointed that future research should aim at the following aspects which include combining gas factor with physics mechanics and structure properties of coal, analyzing the rule of intension, shape change, flow change, accumulating gas and physical chemistry character of coal and rock holding gas from space and time. The mechanism of coal and gas outburst and delay outburst especially will be accounted for ultimately.
Keywords: coal and gas outburst; mechanism; ground press; gas
1 引言
煤与瓦斯突出是煤矿井下生产过程中发生的一种伴有声响和猛烈力能效应的复杂动力现象，且随开采深度的加大，这一问题日益突出。我国自1988年颁布并执行《防治煤与瓦斯突出细则》以来，经过二十年来的技术攻关及“四位一体”综合防突技术的推广，防治突出的整体水平已得到较大提高。但是，迄今为止，对各种地质及开采条件下突出的机理还未完全掌握，尤其是煤与瓦斯延期突出，因隐蔽性强，影响因素多，机理复杂，对煤矿安全生产危害更大。
2 煤与瓦斯突出机理
近年来，国内外观测不少关于煤与瓦斯突出事件，积累了成千上万次突出纪录，总结了防治突出的经验和教训，并提出了许多假说，试图对突出现象的本质及影响因素在突出发生和发展过程中所起的作用进行描述，归纳起来，这些假说可分为四类[1]：瓦斯作用说，化学本质说，地应力作用说和综合假说。
2.1 瓦斯作用说
这类假说[2]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“瓦斯包”说占有主要地位，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”，其煤质松软，孔隙与裂隙发育，且被透气性差的煤或围岩所包围，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。另一类瓦斯说则认为，甲烷在煤中以不稳定的化合物形式而存在，如多聚甲烷(CH4)n或结晶水化物CH4·6H2O,当巷道揭开饱含不稳定化合物的煤区时，因温度上升或瓦斯压力下降，促使它们急剧分解，放出大量瓦斯并夹带着煤而喷出。
在引发突出现象的诸多因素中，瓦斯解吸是一个主要原因[3-5]。在煤的骨架上和内部缝隙及煤分子中存在吸附瓦斯，这种相态的瓦斯是以扩散形式缓慢运移的，当它们扩散到达煤层
的缝隙网络后，便迅速解吸为自由态的瓦斯并成为通过宏观孔隙流到工作面的自由流体。吸附瓦斯在解吸过程中必然释放出大量内能，煤层内能有两种储存形式，分别为气体介质的内能和固体介质的内能。在矿井采掘作业中，由于煤体结构和状态均发生了变化，这两种能量将转化为动能，因此，煤与瓦斯突出是一种由于存储于煤层中的瓦斯能量转换为动能而发生的煤层崩塌和瓦斯气体溢出的失效破坏过程。这种失效破坏可能是由于煤层中的应力超过煤介质的强度，以及在瓦斯释放时单位体积煤所释放的瓦斯内能足以超过引起单位体积煤发生突出所必须的功。
2.2 化学本质说
化学本质说[2]主要包括：“爆炸的煤说”、“重煤说”、“地球化学说”、“硝基化合物说”。其中“爆炸的煤说”认为是由于煤在地下深处变质时发生的化学反应而引起的，即由于煤的变质，在爆炸转化的物质（爆炸的煤）的介稳区能呈现链锁反应过程，并迅速形成大量的CO2和CH4，从而引起爆炸即煤与瓦斯突出。
“重煤说”认为煤在形成时有重碳（原子量13）及带氢的同位素（原子量2）重水参加，形成煤的重同位素，称为“重煤原子”，当进行采掘时，能发生突出。
“地球化学说”认为煤与瓦斯突出是煤层中不断进行的地球化学过程，即煤层的氧化-还原过程，由于活性氧的存在而加剧，生成一些活性中间物，并与煤中有机物质发生相互作用，使煤分子遭到破坏。
“硝基化合物说”认为突出煤中积蓄有硝基化合物，只要有不大的活化能量（如分布不均的地应力，瓦斯压力）就能产生发热反应，当其能量超过分子间活性能时，反应将自发地加速进行，从而发生突出。
2.3 地应力作用说
这类假说把突出发生的原因归结为局部地应力的增大。在这类假说中，构造应力论占有重要的地位。构造应力说又可分为残余构造应力说和现代构造应力说两种[6]。地层中产生的地质构造须有巨大的力量,即构造应力。残余构造应力说认为，尽管在久远的年代以前，地质构造已经形成，但在地质构造带附近煤层的围岩中，仍残存着部分构造应力，即残余构造应力，其值远大于自重应力值。当采掘工作面接近这些含有残余构造应力的岩层时，会像弹簧一样张开，释放其中贮存的大量弹性潜能，引起突出。但在漫长的地质年代中，残余构造应力是否能保存下来，引起了较大的争议，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。另一种学说认为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。
成新龙等研究了地应力在煤与瓦斯突出中的作用[7]，其结果表明:(1)储存在围岩或煤层中的弹性变形能做功，使煤体产生突然破坏和位移。(2)地应力场对瓦斯压力场的控制作用，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。(3)煤层透气性也决定了地应力状态，高的地应力又决定了煤层的低透气性，有利于在巷道前方煤体造成高的瓦斯压力梯度。
因此，增高的地应力是发生煤与瓦斯突出的第一个必要条件。在挤压构造带和采动应力集中带，既使深度不大，煤体及围岩中可能存在很高的地应力和弹性变形能，同样存在发生煤与瓦斯突出的可能性。煤与瓦斯突出发生的第二个必要条件是应力状态的突然变化。
2.4 综合假说
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[8]。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。若某区域地应力越大，瓦斯含量（压力）越高，则该区域突出危险性越大。对采掘工作面突出而言，突出不仅与地应力、瓦斯和煤物理力学性质各参数的
原始值有关，在很大程度上还取决于近工作面各参数的变化，即工作面附近煤岩应力，瓦斯压力的分布状况和煤强度性质的变化。工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大，煤强度越不均质，则工作面突出危险性也就越大。
这类假说中有代表性的是前苏联学者 B.B.霍多特的能量说[9]和巴浦洛夫等人的地应力分布不均说[10]。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。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。由于围岩和煤体的变形，产生不同的振幅和声响，同时因顶底板移近的“停滞”和“塞子”的形成，产生一种脆弱的平衡。突出之前，这种顶底板移近的停滞，造成“自我阻塞”，大大降低了靠近工作面的破裂带的尺寸，只留下压缩带，同时在距工作面短距离内部保持着较高的稳定的瓦斯压力。由于采掘工作破坏了围岩脆弱平衡，就造成急剧的位移和搓揉，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，且在突出过程中围岩的变形具有脉冲性质。
近几年，在突出机理综合假说的理论指导下，突出理论研究取得了明显的进展。中科院力学所提出的破裂间断波模型[11]，破裂波模型表明，当煤样表面突然卸载的强度超过抗拉强度与大气压之和，便发生破裂，且以破裂波的形式向深部发展，破裂波阵面的传播速度在突然卸载时达到最大值，然后随时间增加逐渐减小至零，初始充气压力越大，破裂波的最大速度以及破裂段的长度也越大。
中国矿业大学提出的球壳失稳假说及突出问题的流变学探讨，蒋承林教授通过对突出过程的理论分析和大量的实验室研究，提出了瓦斯突出的球壳失稳机理[12]，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。因此，在理想石门揭煤条件下，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。并且单独采用瓦斯膨胀能指标预测，准确率可达90%。
周世宁和何学秋两位教授提出了煤与瓦斯的流变机理[13]，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[14]。流变假说运用流变学的观点分析了突出过程中含瓦斯煤受力的时间和空间过程，能够很好的解释综合作用的瓦斯突出现象。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[15]。
重庆煤科分院研究了瓦斯突出强度与瓦斯能量关系[16]以及谢逸清等对延期性突出防治进行探讨[17-19]。重庆煤科分院从能量的观点出发，对瓦斯突出强度的定量化关系进行了初步研究，认为采掘工作面新的暴露面形成后，煤体中应力迅速重新分布，煤体进入极限平衡状态，在应力和瓦斯压力的共同作用下形成与暴露面近于平行的大裂缝，将暴露表面附近煤体切割成与暴露同形的圆柱筒煤壳，煤壳在瓦斯压力作用下破碎并抛出煤体，形成煤与瓦斯突出。谢逸清等人依据中国矿业大学周世宁教授的观点“煤与瓦斯突出实质上是属于含瓦斯煤体的流变行为”，只是依据时间对延迟突出进行分类，延迟时间在30min之内的称为短延期突出，大于30min至8h的称为中延期突出，8h以上的称为长延期突出。
国外许多学者研究了瓦斯动力现象的本质和岩石破坏机理，如日本的栗原一雄采用实验装置实现了实验室基于综合假说的瓦斯突出再现[20-22]；德国慕尼黑工业大学的H.Lippmann 等人对煤矿中岩石突出问题采用了弹塑性力学的方法进行了卓有成效的研究，给出了易产生
岩石突出力学特征和突出预报的新概念[23-25]。
3 结论
综上所述，近100年来国内外学者对煤与瓦斯突出机理作了大量研究，提出许多假说或理论，对矿山此类灾害事故的防治做了许多有益的工作。但是由于矿山地质和开采条件的复杂性，该问题还远未达到完全解决的阶段。如前述的瓦斯作用假说，地应力作用假说等主要考虑单方面因素，破裂间断波模型也只是基于成型煤样的一维模型，没有考虑气体渗流作用，侧限压力及地应力等影响，球壳失稳假说也是基于实验研究解释了突出现象，没有深入讨论突出煤岩的物理力学作用规律，何学秋等人对突出的流变问题探讨也是基于型煤实验结果，没进一步对原煤特性进行研究。而谢逸清等人的工作也只是指出延迟突出现象，还未进行深入研究。因此未来研究方向，只有把地应力、瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特性的影响结合起来，从时间和空间上分析含瓦斯煤岩的强度、形变、流变、集气性和物理化学性等变化规律，才能最终解决煤与瓦斯突出机理问题，尤其是煤与瓦斯延迟突出机理问题。
参考文献
[1]赵全福，王佑安．煤矿安全手册[M]．北京：煤炭工业出版社，1994：234-251
[2]成新龙，何新矿，白国基．能量守恒分析在防治煤与瓦斯突出中的研究[J]．煤炭科学技
术，2002，30(10)：52-55
[3]朱连山．煤与瓦斯突出机理浅析[J]．矿业安全与环保，2002，29(2)：23-25
[4]何学秋．含瓦斯煤岩流变学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1995
[5]曹树刚．煤岩的蠕变损伤、瓦斯渗流和煤与瓦斯突出关系的研究[D]．重庆，重庆大学，
1994
[6]李萍丰．浅谈煤与瓦斯突出机理的假说-二相流体假说[J]．煤矿安全，1999（11）：64-67
[7]煤科院重煤分院．瓦斯突出强度与瓦斯能量关系的研究[C]．科学技术报告，1997
[8]蒋承林．突出危险性的线性判别法及临界值研究[J]．中国矿业大学学报，2000，29(1)：
63-66
[9]钟晓晖，朱令起，郭立稳．煤体破裂过程辐射温度场的研究[J]．煤炭科学技术，2006，
34(2)：57-59
[10]王佑安，杨思静．煤和瓦斯突出危险煤层的某些特征[J]．煤炭学报，2006(1)：47~53
[11][德]H. Lippmann等．关于煤矿中突出的理论[J]．力学进展，1994(4)：452-467
[12]Xujiang, Xian Xuefu. Division of potential danger of coal and gas outburst[J]. West China
Exploration Enginering, 1994,6(5):81-88
作者简介：王永祥（1957—），男，河南周口人，副教授，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现在平顶山工业职业技术学院任教。
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