淺析煤與瓦斯突出機理及其危害方式

劉路偉（陜西中能煤田有限公司 陜西榆林 719000）

淺析煤與瓦斯突出機理及其危害方式

劉路偉（陜西中能煤田有限公司 陜西榆林 719000）

根據多年的煤礦實踐，筆者從煤與瓦斯突出事故的機理及規律入手，分析了煤與瓦斯突出的特征及危害方式，從而說明防治煤與瓦斯突出事故是突出礦井安全工作的系統工程，我們必須給予加強和重視。

煤與瓦斯；突出機理；危害應用

【DOI】10．19312/j．cnki．61-1499/c．2016．07．101

一、煤與瓦斯突出現狀分析

1.煤與瓦斯突出現狀

煤礦采掘過程中，在極短的時間內，從煤的體內以極快的速度向采掘空間拋出煤與瓦斯的動力現象，稱為煤與瓦斯突出。我國的煤礦96%為井工開采，90%以上為瓦斯礦井，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占48%，突出災害發生次數為世界之最，累計突出次數達15000多次，占世界各國突出總數的40%，突出的規模為幾百噸、幾千噸、甚至超過萬噸。

2.煤與瓦斯突出機理

采掘工作面煤巖體，在地應力、瓦斯壓力的作用下積聚了大量的彈性潛能，一旦煤體或其中較硬的塊體在采掘應力的擾動下突然破碎，積聚在煤巖體中的彈性潛能瞬間釋放，將會在工作面附近產生突出現象。由于該突出現象的發生必須具備一定的能量，所以煤體需要經歷一定的能量積聚過程，使之逐漸發展到臨界破壞甚至過載的脆弱平衡狀態，其發展過程可劃分為四個階段：

（1）準備階段：這一階段在工作面附近的煤壁內形成較高的地應力與瓦斯壓力梯度，即在有利的約束條件（石門巖柱，煤巷的硬煤包裹體）下，煤體內地應力梯度急劇增高，形成很高的應力集中，積聚著很大的變形能；同時由于孔隙裂隙的壓縮，使瓦斯壓力增高，瓦斯內能增大。這個階段，會顯現多種有聲的與無聲的突出預兆。準備階段的時間可在很大范圍內變化，也可在幾秒內完成。

（2）激發階段，特點是地應力狀態突然改變，即極限應力狀態的部分煤體突然破壞，卸載并發生巨響和沖擊。向巷道方向作用的瓦斯壓力，其作用力由于煤體的破裂，頓時增加幾倍到十幾倍，伴隨著裂隙的生成與擴張，膨脹瓦斯流開始形成，大量吸附瓦斯進入解析過程而突出。

（3）發展階段：一是突出從激發點起向內部連續剝離并破碎煤體；二是破碎的煤在不斷膨脹的承壓瓦斯風暴中邊運送邊粉碎。前者是在地應力與瓦斯壓力共同的作用下完成，后者屬于瓦斯內能作功過程。煤的粉化程度、游離瓦斯含量、

瓦斯放散初速度、解析瓦斯量以及突出孔周圍的卸壓瓦斯流，對瓦斯風暴的形成與發展都起決定作用。

（4）終止階段：一是在剝離和破碎煤體的擴展中，遇到了較硬的煤體或地應力與瓦斯壓力降低到不足以破壞煤體；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撐建立起新的拱平衡或孔洞瓦斯壓力因其被堵塞而升高，地應力與瓦斯壓力梯度不足以剝離和破碎煤體。但這時突出孔周圍的卸壓區與突出的煤，涌出瓦斯的過程并沒有停止，異常的瓦斯涌出還要持續相當長時間。

3.煤與瓦斯突出的規律、預兆及其特征

（1）煤與瓦斯突出的一般規律

第一，煤層突出危險性隨開采深度的增加而增大。對同一礦區、同一礦井、同一煤層，隨著開采深度的增加，突出危險性進一步增大。 第二，絕大多數突出發生在煤巷掘進工作面。據統計，煤巷掘進工作面突出占所有突出總和的76%，采煤工作面發生突出占15．8%，石門突出危險性最大。 第三，煤層突出危險性隨煤厚增加而增大。對同一礦區、同一礦井，突出煤層厚度越大，突出危險性也越大，特別是隨著軟分層厚度的增加，突出的次數會增多，突出的強度也增大。 第四，大多數突出前均有作業方式誘導。采掘作業也是一種誘導因素，較多的有放炮，落煤，打鉆等。第五，煤體破壞程度越高，突出危險性越大。突出煤層結構特點是破壞程度高，煤的堅固系數一般小于0．5，多為受到地質構造揉皺的構造煤。第六，突出煤層危險區域通常呈條帶狀分布。突出危險區受地質構造的影響，而地質構造具有帶狀分布的特征，如斷層、向斜軸部、火成巖侵入形成變質煤與非變質煤交互等；采掘工程形成的應力集中帶、應力疊加區，如采掘工作面鄰近煤柱、采止線、兩條巷道貫通之前的應力集中帶等也具有帶狀分布特點，使煤層突出危險性增大。這些地區不僅突出頻繁，而且極易發生大強度煤與瓦斯突出。

（2）煤與瓦斯突出的預兆

第一，聲響預兆。煤體發出悶雷聲、爆竹聲、機槍聲、翁翁聲等，這些都統稱為響煤炮。 第二，瓦斯預兆。風流逆轉，瓦斯異常，瓦斯濃度忽大忽小，打鉆時噴孔、出現蜂鳴聲等。 第三，煤體結構預兆。煤層層理紊亂、煤體干燥、煤體松軟等，特別是煤層軟分層變厚時，更容易發生突出。第四，礦壓顯現預兆：支架來壓、煤壁裂開、掉渣、工作面煤墻外鼓、巷道底鼓、鉆孔頂鉆、夾鉆，鉆孔變形等等。

（3）煤與瓦斯突出的特征

第一，突出的煤向外拋出距離較遠，具有分選現象。所謂分選就是不同顆粒度大小的煤按照其大小順序有規律堆積的現象。 第二，拋出的煤的堆積角小于煤的自然安息角。一般來說，突出后被拋出的煤距離都很遠，有的甚至堵塞掩埋了整條巷道全斷面達幾百米。第三，拋出的煤破碎程度比較高，含有大量的小煤塊和煤粉，這是在地應力和構造搓揉以及沖擊波的作用下形成的。第四，有明顯的動力效應，破壞支架、推倒礦車和拋出安裝在巷道內的設施。第五，有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量遠遠超過突出煤量的瓦斯含量，有時會造成風流逆轉。第六，有各式各樣突出孔洞，孔洞的位置及形狀是各式各樣的。大部分孔洞位于巷道上山方向及工作面上隅角。典型突出的孔洞口小腹大（壓出和傾出例外），呈梨形或橢圓形，或者呈不規則拉長的橢球形。

二、煤與瓦斯突出的危害及其方式

1.瓦斯及瓦斯逆流

突出一般都涌出遠遠高于煤層正常涌出量的瓦斯。破壞通風系統，瓦斯逆流，造成非突出地點作業人員的窒息傷亡。極有可能引起瓦斯爆炸，造成更大破壞和傷亡。

2.沖擊波

突出形成強大的沖擊波，在極短的時間內沖向采掘空間，破壞巷道里的設施及支護，甚至直接沖擊附近作業的人員，釀成重大事故。

3.突出的煤

一般來說，突出除了會突出大量的瓦斯之外，還有大量的煤也隨之突出，突出的煤破壞力也是比較強的，它可能把整條巷道都堵塞掩埋，破壞通風系統，也讓突出后的清理工作變得更加復雜和困難。