煤與瓦斯突出機理研究新進展

王勇　王澤寧　盧祁

摘 要：煤與瓦斯突出是發生在煤礦井下的一種復雜的動力現象，是威脅煤礦安全生產的重大災害之一，隨著世界各國科研工作者們對煤與瓦斯突出的深入研究，已經取得了重大進展，近年來礦井開采深度逐漸增加，現有的煤與瓦斯突出機理需要完善來指導煤礦的安全生產，具有重要的現實意義。

關鍵詞：煤與瓦斯突出；開采深度；煤與瓦斯突出機理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.054

1 引言

煤與瓦斯突出是發生在煤礦井下的一種復雜的動力現象，是威脅煤礦安全生產的重大災害之一，為了保障煤礦井下采掘工作的正常進行，煤礦工作人員就需要懂得更多的防突知識，采取防突措施，更大程度上減少瓦斯突出給煤礦帶來的財產損失和人員傷亡。煤與瓦斯突出機理十分復雜，國內外研究學者一直都在研究突出的機理問題，但是由于突出機理的研究只是根據突出后的資料進行收集整理，并不能在井下直接觀測突出的過程，這也大大的限制了工作者們對突出機理的研究，目前對煤與瓦斯突出的機理的認識仍處于假說階段，沒有形成一個統一的認識。

2 瓦斯為主導假說

這類假說認為在突出發生過程中起主要作用的是瓦斯，地應力不是決定突出發生的主要因素。

2.1 “瓦斯包”假說

該假說認為突出造成的原因是高壓的游離瓦斯，這些高壓的游離瓦斯儲存在“瓦斯包”中，“瓦斯包”周圍的煤體的透氣性差，這就為高壓的游離瓦斯的儲存創造了條件，在井下采掘的過程中，當“瓦斯包”周圍的煤體遭到破壞或者周圍的煤體厚度發生改變時，“瓦斯包”周圍的煤壁強度不足以維持“瓦斯包”時，“瓦斯包”中的高壓游離瓦斯得到釋放，就會短時間內迅速攜帶煤粉噴出。

2.2 “瓦斯膨脹”假說

“瓦斯膨脹假說”認為突出發生在結構不均的高壓瓦斯煤層，煤層外部為硬煤，透氣性差，內部為軟妹透氣性好，在采掘的過程中，當外部透氣性差的硬煤遭到破壞時，內部的軟媒強度較低，高壓瓦斯就會通過透氣性差的軟媒噴出，噴出的同時攜帶出大量煤粉。

2.3 二相流體假說

這種假說認為二相流體壓縮積蓄的能量，為煤與瓦斯突出提供主要能源，強調與煤巖體的彈性能和瓦斯膨脹能無關。其中突出的發生有著必要的條件，一是要有突出積能區，二是積能區積累的能量要大，大小上要保證能沖破阻礙區所需的能量。

3 地應力為主導的假說

3.1 構造應力假說

該假說認為地層在地質歷史時期中經歷過構造運動，在地質構造帶附近應力非常集中，煤層周圍變形的巖石積聚了彈性勢能，在采掘的過程中，彈性巖石的彈性勢能釋放，壓縮的巖石向外伸長，破壞煤的結構，造成突出。

3.2 煤層塑性變形假說

這種假說認為，煤層在地應力作用下會發生塑性變形，突出發生的原因是煤層受到塑性變形結構受到破壞。瓦斯攜帶破碎的煤粉沖出巷道，從而發生突出。

3.3 應力變形假說

這種假說認為突出的煤跟正常的煤存在著結構上的區別，這種特殊的結構稱為“枝網狀裂隙”結構，正常的煤不具有“枝網狀結構”，但是通過應力變形等試驗可以使正常的煤具有“枝網狀結構”，這樣的“枝網狀結構”是煤層里面殘留的應力。在采掘過程中，煤層結構發生改變，從而會產生新的應力變形。造成應力變形的原因有很多，所以應力變形假說是多種因素共同作用的結果。

3.4 放炮影響突出假說

該假說通過對大量突出煤層資料整理發現，長壁工作面比巷道工作面突出的次數要少的多，這就與瓦斯突出主要原因是地應力相矛盾，從而根據資料的整理，否定了地應力是造成突出的主要原因，認為放炮的應力作用是造成突出的主要因素。

4 化學本質假說

4.1 瓦斯屏障假說

瓦斯屏障假說認為在煤層受到壓力條件時，煤層的結構將會發生改變，空隙率會變小，從而降低了煤層的透氣性，在壓力增大的過程中，煤層的透氣性迅速降低。甚至隨著壓力的增大，煤層透氣性可減小至零。這樣瓦斯就不能從煤體流向巷道，類似于一個屏障在兩者之間起到了隔絕作用，稱之為“瓦斯屏障”。當“瓦斯屏障”消失時，煤層內部的高壓瓦斯就會猛烈的像外涌出，造成瓦斯突出。

4.2 瓦斯水化物假說

這種假說認為在一定的氣壓，溫度條件下，煤層內可生成瓦斯水化物，且生成瓦斯水化物的溫度，氣壓跟煤層瓦斯重重炭氫氣體聯系密切，重炭氫氣體含量高時，生成瓦斯水化物所需的溫度壓力都會降低很多。由于瓦斯水化物狀態不穩定，很容易受到外部的因素而發生變化，當瓦斯水化物的平衡發生改變時，瓦斯水化物將會迅速的轉變為氣態的瓦斯，在短時間內煤層瓦斯壓力將會迅速增大，當煤層強度不足以抵抗高壓瓦斯時，煤層將會發生突出。

5 綜合作用假說

這類假說認為造成煤與瓦斯突出的因素不是單一的，而是由地應力，瓦斯等各種因素共同作用的結果。這也是目前國內外學者普遍支持的假說.。盡管各種假說都承認突出是各種因素共同作用的結果，但是針對每個因素在突出中起到的具體作用和影響因素，看法并不相同。

5.1 能量假說

能量假說認為煤層內為突出提供能源的是重力壓力和瓦斯壓力。除了這兩個能源以外，再無其他能源，在采掘過程中，改變了工作面附近煤體的受力狀態。在這個過程中增大了煤體的潛能，彈性勢能儲存在煤體中，這時工作面的煤體會維持短暫的平衡狀態，這種不穩定的平衡狀態，很容易被改變，當采煤過程打破這種平衡時，應力狀態的改變，會使強度較低的煤快速破碎，煤體的破碎又為瓦斯提供了更大的作用面積，促進了突出，所以認為煤層內的地壓是決定突出發生的因素，煤層內地瓦斯只是拋出煤體，粉碎煤體，而煤體的特殊結構，讓煤體能夠更容易發生突出。

5.2 流變機理假說endprint

流變機理假說從瓦斯煤體的流變性來研究煤與瓦斯突出，提出突出是瓦斯煤體流變性的具體表現，流變機理假說核心思想是突出的發生要經歷3個階段，煤體變形衰減階段：在這一階段煤層只是變形衰減，整體上還是處于穩定的平衡狀態，這時候突出不會發生；煤體屈服階段：這個階段煤體的屈服值小于外部荷載，煤體的穩定狀態被打破，強度較低的煤體就會遭到破壞，煤體發生破裂，空隙性變大。煤體內的瓦斯暴露面積增大，為突出的發展奠定了基礎；突出階段：經過上一階段的積累，煤體的結構的完整性降低很多，進入這一階段后，煤體的透氣性繼續增大，高壓瓦斯會攜帶煤粉噴出，造成突出。

5.3 球殼失穩機理假說

該假說把地應力、瓦斯壓力、媒體強度、軟煤分層厚度綜合起來，作為瓦斯突出的判定依據，瓦斯突出機理從定性研究，轉變為定量研究，提出理想石門揭煤時，可以根據煤樣的初始膨脹能和軟煤厚度，就能判斷煤體能否發生突出。

5.4 滲透失穩機理假說

這種假說把地應力、瓦斯壓力、煤的滲透性作為瓦斯突出的綜合影響因素，提出了瓦斯壓力梯度作為各種影響因素的綜合指標。突出的過程可分為2個階段，煤體滲透失穩階段：煤體中的瓦斯會對煤體產生滲透壓力，當滲透壓力很小時，煤體的強度足夠抵抗滲透壓力時，則不會發生突出，當瓦斯對煤層的滲透壓力，達到一定值時，就會對煤體產生破壞，而瓦斯氣壓梯度大小決定煤層內滲透壓力的大小，這一定值稱為臨界氣壓梯度，不同的煤體臨界氣壓梯度不同；煤與瓦斯運移階段：當煤體結構已經破壞時，破碎的煤塊，煤粉將會和煤層內的瓦斯一起運移，瓦斯的膨脹壓力提供運移所需的動力。

6 結論

煤與瓦斯突出機理經過了各國科研工作者們的深入研究，已經取得了重大進展，但是由于突出發生的復雜性，目前關于煤與瓦斯突出的各種機理仍處于假說階段，各種關于煤與瓦斯突出的機理，都是圍繞著瓦斯、地應力、煤的性質等來進行研究，各種機理雖然能對瓦斯突出做出一定解釋，但是不能完全解釋這個問題，這就需要后人工作者們繼續深入研究下去。

參考文獻：

[1]于不凡.煤和瓦斯突出機理[M].煤炭工業出版社，北京：1985

[2]蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩機理及防治技術[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，1998.

作者簡介：王勇（1991-），男，安徽蚌埠人，碩士，主要從事：礦井地質研究。endprint