煤與瓦斯突出機理研究現狀以及未來研究方向

王云亮

山東省青島市山東科技大學礦業與安全工程學院

煤與瓦斯突出機理研究現狀以及未來研究方向

王云亮

山東省青島市山東科技大學礦業與安全工程學院

到目前為止，煤與瓦斯突出的機理還沒有明確，處于假說狀態。在這一背景下，本文系統總結分析了國內外較被認可的各大假說，揭示了煤與瓦斯突出的研究現狀。分析了現階段研究的不足，以及未來研究的發展方向。

煤與瓦斯突出;現狀;發展

煤與瓦斯突出是一種發生在煤礦生產中的極其復雜的地質動力現象，它能在極短的時間內由煤體向巷道或采場突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯，它將產生巨大的沖擊力，對人員以及井下設備造成不可估量的傷害。目前世界上有20 多個國家發生過煤與瓦斯突出，其中， 我國的突出尤為嚴重，隨著煤礦開采深度的增加，礦井不斷延伸，突出發生的危險性增大。然而到目前為止，關于煤與瓦斯突出發生的機理還沒有一個確切統一的解釋，仍然處于假說狀態。因此，深入研究煤與瓦斯突出的機理對于井下突出的防治以及預測有重要意義。

1.煤與瓦斯突出機理研究現狀

1.1 國外現狀

國外關于煤與瓦斯突出機理的研究成果可以歸納為以下 4 個方面：

a.瓦斯主導作用假說。這類假說認為煤體內存儲的高壓瓦斯在突出中起主要作用。其中“瓦斯包”說占重要地位，認為“瓦斯包”是突出的動力來源。瓦斯主導作用假說主要有：“瓦斯包”說、粉煤帶說、煤空隙結構不均勻說、突出波說、裂縫堵塞說、閉合空隙瓦斯釋放說、瓦斯膨脹說、卸壓瓦斯說、火山瓦斯說、地質破壞帶說、瓦斯解吸說等 11種假說。

b.地應力主導作用假說。這種假說認為煤和瓦斯突出主要是高地應力作用的結果。高地應力包括 2 個方面，一方面指自重應力和構造應力，另一方面指工作面前方存在的應力集中。 地應力主導作用假說主要有：巖石變形潛能說、應力集中說、塑性變形說、沖擊式移近說、拉應力波說、應力疊加說、放炮突出說、頂板位移不均勻說等 8 種假說。

c.化學本質作用假說。這種假說認為突出主要是在化學作用下形成高壓瓦斯和產生熱反應。 化學本質主導作用假說主要有：瓦斯水化物說、地球化學說、硝基化合物說等 3 種假說。

d.綜合作用假說。這種假說認為，突出是由地應力、包含在煤體中的瓦斯及煤體自身物理力學性質等綜合作用的結果。但對各因素在突出中所起的作用沒有統一認識。 綜合作用假說主要有：振動說、分層分離說、破壞區說、游離瓦斯壓力說、地應力不均勻假說、能量假說等 6 種假說。

1.2 國內現狀

我國從 20 世紀 60 年代起開始對突出煤層的應力狀態、瓦斯賦存狀態、煤的物理力學性能等開展了研究，并根據現場資料和實驗研究對煤和瓦斯突出機理進行了探討。特別是近幾年隨著研究的深入及新手段的應用，產生了許多新的認識。概括起來主要有以下四種假說：

a.二相流體假說。1989 年李萍豐提出了二相流體假說。假說認為，突出的本質是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流體，二相流體受壓積蓄能量，卸壓膨脹放出能量，沖破阻礙區形成突出。假說強調突出的動力源是壓縮積蓄的能量，不是煤巖彈性能和瓦斯膨脹能。

b.流變假說。1990 年， 周世寧、何學秋提出了流變假說。流變假說認為：含瓦斯煤體在外力的作用下，當達到或超過其屈服載荷時，則明顯地表現為時間上的3 個階段：變形衰減階段、均勻變形階段和加速變形階段。認為突出是瓦斯快速流變的結果， 且流變行為取決于其外部條件和自身的物理力學性質，不存在突出煤和非突出煤差別。

c.固- 氣耦合失穩假說。1994 年， 趙陽升等提出了固- 氣耦合失穩假說。該理論認為是煤巖、瓦斯變形系統從靜態轉變為動態的失穩過程。煤巖體失穩破壞除了與應變狀態有關外， 還與其物理力學性質有關。局部應變軟化介質的脆性度大時容易失穩， 否則不容易失穩;而圍巖剛度小時才容易失穩， 大時不容易失穩。煤與瓦斯突出是由于應力和孔隙瓦斯壓力綜合作用的結果， 既不是哪一個因素起主導作用， 也不是應力、瓦斯兩者簡單疊加綜合作用的結果， 而是在各個因素間的相互作用、相互影響下發生的動力失穩破壞現象。

d.球殼失穩假說。球殼失穩假說的觀點是由蔣承林提出的。球殼失穩觀點認為， 突出的過程實質是地應力破壞煤體、煤體釋放瓦斯、瓦斯使煤體裂隙擴張并使成的煤殼失穩破壞， 煤體的破壞以球蓋狀煤殼的形成、擴展及失穩拋出為主要特點。這種觀點對于解釋突出孔洞的形狀及形成過程給予很好的解釋。

2.煤與瓦斯突出未來研究方向的展望

以上國內外各假說都只是從某一個角度解釋了煤與瓦斯突出發生的機理，考慮的比較片面。雖然綜合作用假說認為煤與瓦斯突出是多種因素決定的，但是在進行研究時只是從某一個方面進行深入研究，沒有將各大假說進行融合，綜合考慮各個因素進行研究。因此，現階段，我們應該在各大假說的基礎上，取其長處，融合起來建立一個完整理論和模型， 以指導煤礦安全生產。

① 現階段需要建立一個綜合各家假說的相關理論而成的動態理論體系， 不局限于某一地區某一種地質條件，而是能夠使用于各種煤與瓦斯突出現象，使其能夠簡便、全面地解釋煤與瓦斯突出機理。為了建成這一體系，需要綜合考慮各個因素，全面深入分析煤與瓦斯突出發生的實例。

② 結合各地區條件， 簡化煤與瓦斯機理研究理論， 使其更接近實際現場， 使其更簡單更形象地解釋煤與瓦斯突出機理， 進而研究出有效的突出預測預報技術和瓦斯抽放技術。

③ 需要更深入地研究其物理本質，從而定量地描述突出現象。尤其要研究煤與瓦斯突出的準備機理、失穩與平衡機理、發展機理、傳播機理和煤與瓦斯突出帶的分布規律，確定煤體、巖體、瓦斯和應力場之間的時空能耦合關系及其動態演化規律，突出失穩激發條件和平衡終止條件，定量評價煤與瓦斯突出危險性。

[1]高光發.煤與瓦斯突出機理研究的現狀及相關問題.工業安全與環保.2016(12)；

[2]耿愛平，李文.煤與瓦斯突出機理和預測預報研究進展.煤礦現代化.2008(1).