瓦斯突出機理的應力演化過程研究

摘 要：為了有效防止瓦斯突出對采礦業帶來的災難性危害，應全面加大科研力度，本文就瓦斯突出機理的應力演化過程，對近年一些學術成果進行研究，總結經驗，提出相應建議，希望能夠為避免瓦斯突出，發現可預見性措施，最大程度的減少由于瓦斯突出事故對采礦人員和財產造成的傷害。

關鍵詞：掘進巷道;瓦斯突出;機理;應力演化;研究

0 引言

自從1834年3月22日發生世界第一起瓦斯突出事故以來，186年時間世界19個主要產煤國已發生瓦斯突出超過4萬次，瓦斯突出會引發劇烈的瓦斯燃燒和爆炸、破壞生產系統，造成人員傷亡，近年來，隨著我國礦山開采深度的不斷增加，瓦斯突出事故發生風險不斷加大。僅在2006年-2018年之間，我國瓦斯突出事故233起，死亡1665人，瓦斯突出事故在礦難危害榜上排名第一，為此，對瓦斯突出機理演化過程進行深入研究，及時預測和避免瓦斯突出事故發生，具有極其重要的意義。

1 瓦斯突出機理

煤在形成的過程中，或多或少的會產生一定量的伴生氣體，就是瓦斯，瓦斯在封閉的礦層空間內好比是一個有一定壓力的大氣球，在進行巷道掘進或開采過程中，擾動這個氣球，導致氣球突然破裂，大量的瓦斯連同煤、巖石一起噴入巷道或工作面，就是瓦斯突出。突出會導致人員傷亡的原因主要是強大的沖擊力，大量的瓦斯涌入導致氧氣含量急劇降低，開采人員窒息死亡，是非常可怕的災難，瓦斯突出事故是礦山開采的頭號天敵。瓦斯突出機理簡單來說就是在地應力和瓦斯的共同作用下，破碎的巖石與瓦斯一起從巖體或煤體內向外噴發。主要就是由于地應力和瓦斯壓力共同作用下，突出的動力（地應力與瓦斯的共同作用的力）大于突出阻力（安全距離與破壞類型的反映），大量的煤巖與瓦斯突然涌向采掘空間的動力現象。主要影響因素是：瓦斯壓力、瓦斯含量、破壞類型，開采深度，煤層賦存條件，斷層等地質構造等。

2 瓦斯突出機理的應力演化過程

由于巖石的非均質性和探測難度大等特性，嚴重制約著瓦斯突出機理的研究進展。對于瓦斯突出原因的追根溯源，國內外學者付出極大的研究精力，仍不能完全解釋突出現象，以應力演化為主要層面的研究內容，是其中比較具有權威性的影響學說。近年，主要演化假說有以下幾種：

①造成瓦斯突出的應力從某一中心擴張是原因之一，從距離工作面某一距離處的發動中心開始，而后向四周擴散，由發動中心周圍的煤--巖石--瓦斯體系提供能量并參與活動。在發生突出的地點，地應力場、瓦斯壓力場、煤結構和煤質是不均勻的。瓦斯突出發動中心就處在應力集中點，且該點向各個方向的發展是不均勻的。礦體破壞分為層裂和層裂片的粉碎2個階段，并將最大有效拉應力準則作為破裂準則。破裂是不連續的，破裂陣面跳躍式發展，層裂片的形態在運動中不穩定并可進一步的粉碎;

②某種程度來講，高瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者，突出層中瓦斯內能量要比礦體的彈性潛能大1～3個量級。煤層中存在的高壓瓦斯含量地帶，吸附瓦斯引起了煤體膨脹，增加了地層應力，且這樣的煤層透氣性系數接近零。當巷道掘進接近這一區域時，其應力急劇降低，造成瓦斯破壞性突出。掘進工作面瓦斯突出是工作面煤壁盤形拉伸破壞的連鎖反應過程，突出過程就是煤體所積存的彈性應變能和瓦斯內能突然釋放的過程;

③含瓦斯煤受采動影響后地應力與孔隙瓦斯氣體耦合的一種流變過程。在突出準備階段，含瓦斯煤體在采動影響區域內就開始蠕變破壞，使煤體進一步被切割，形成發育的裂隙網。在某區域加速破壞發生時，如果該區域瓦斯能量足夠沖跨已遭破壞的煤體，則突出發生和發展。突出過程中的瓦斯氣體部分由前一蠕變區域通過發育的裂隙網補給。流變假說除考慮瓦斯、地應力和煤的物理力學性質外，還應考慮時間發展因素;

④應力分布不均勻是導致瓦斯突出的主因，在突出層的圍巖中具有較高的不均勻分布的應力，其主要的原因是地質構造運動，個別情況是由于采掘過程引起的（如留煤柱、冒頂等）。由于煤體深部應力分布不均勻，就會產生圍巖的不均勻移動，圍巖位移減緩或停滯，從而建立了不穩定平衡狀態。在突出前，由于對工作面的機械作用，破壞了圍巖的不穩定平衡，引起圍巖的移近和伸直，使含瓦斯的煤暴露和破碎。在煤體破壞時，在暴露面附近形成瓦斯壓力梯度，引起很薄的分層分離并破壞，飽含瓦斯的分層又重新暴露，破壞過程反復進行，并以突出波的形式向深部傳播，釋放出的大量瓦斯把碎煤拋出。瓦斯突出是地應力、瓦斯、煤的物理力學性質和卸壓區寬度4部分作用的結果。由于采掘工作面前方卸壓區的存在，在遠離采掘工作面處的煤體，即使處于高地應力、高瓦斯和煤破碎的突出危險區，也不會發生突出現象，因為足夠的卸壓區寬度抑制了高能量體的失控。因此，如果適當加大卸壓區的寬度，可有效預防瓦斯突出的發生。

目前，研究傾向于利用物理模擬不同瓦斯壓力，應力以及不同條件下的瓦斯突出實驗，以此獲取研究煤體、地應力、和瓦斯壓力對突出的影響規律，確定突出的發生條件，分析突出過程中，煤體裂隙及監測信息的變化規律。通過構建煤表面與瓦斯的吸附模型，研究瓦斯突出微觀機理。指出瓦斯的吸附為物理吸附，煤與瓦斯吸附形成的伴生分子體系以量子化形式吸收寬頻電磁波。采掘等活動導致分子體系由基態變為激發態，使得瓦斯由吸附態脫附變為游離態，形成大量的游離態瓦斯，在弱面發生瓦斯突出。揭示瓦斯突出演化過程，為實現瓦斯突出的綜合實時、自動、定位和定量化監測預警奠定基礎，以期有朝一日能徹底消除瓦斯突出給采礦業帶來的災害。

3 重視瓦斯突出的預兆信息

在極大的應力作用下，發生瓦斯突出會釋放出異常信息，這些預兆能夠及時被發現，第一，有聲預兆，響炮聲，有的像悶雷，爆竹，銹蝕門軸聲、壓裂聲;第二，無聲預兆，巷道支架變形，垮落、冒頂片幫、變軟層理消失、瓦斯涌出增大，瓦斯忽大忽小;瓦斯抽放施工一旦發生頂鉆，鉆桿鉆不進的現象、很有可能是瓦斯突出事故前兆，卡鉆、噴孔、煤粉噴出、出現滑面或鏡面揉搓發育，這些預兆可能是一種或幾種同時出現，千萬不能掉以輕心，工作面出現軟分層并且明顯變厚，例如由之前厚度0.1m，增加到1.3m，也是明顯預兆之一。此外，據井下多年工作的老工人說，煤壁溫度出現劇烈變化，突然發涼，鉆孔噴出涼氣，也是預兆，準確識別災害預兆，才能保證人身安全。做到清晰的甄別瓦斯突出預兆，及時采取措施，采礦全體人員應積極接受防治瓦斯突出事故的教育和培訓，知悉響炮、瓦斯異常（涌出增大、忽大忽小）等突出事故預兆的特征，出現預兆后，要做到“一知、二拒、三撤、四報告、五處置”準確識別預兆，拒絕違章指揮和冒險作業行為，堅決抵制出現事故信息預兆，仍然繼續組織生產的違章指揮和強制冒險作業行為，切實保護自身合法權益和生命安全。及時采取應急應對措施，要熟悉瓦斯突出事故應急預案，現場處置方案，避災路線，掌握避災硐室和自救器使用方法。當發現預兆并緊急撤離后，如實及時報告瓦斯突出事故異常信息給調度室和有關安全管理人員。及時處置瓦斯突出事故異常信息預兆，立即組織人員采取針對性的處置措施，消除突出危險或確認無突出危險后，有關區域地點方可恢復生產。

4 結語

每個礦山企業都應堅定樹立安全發展理念，弘揚生命至上、安全第一的思想，強化紅線意識，樹立底線思維，深刻吸取歷史上發現瓦斯突出事故異常信息預兆未采取應對措施，導致人員傷亡的慘痛教訓，切實落實防治瓦斯突出各項規定，確保瓦斯突出防治措施到位有效，確保不掘突出頭，不采突出面，并且舉一反三，教育培訓廣大一線職工提高對瓦斯突出異常信息預兆的識別和應急應對能力，杜絕違章作業，堅決防范瓦斯突出事故引發的人身傷亡，為實現礦山安全生產形勢持續穩定向好做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]蔡峰.煤巷掘進過程中煤與瓦斯突出機理的研究[D].安徽：安徽理工大學，2005.

[2]李希建，林柏泉.煤與瓦斯突出機理研究現狀及分析[J].煤田地質與勘探，2010，38（1）.

作者簡介：

孟維波（1981- ），男，河北唐山人，研究生，2015年畢業于中國礦業大學采礦工程專業，礦建工程師，主要從事煤礦安全生產管理工作。