煤與瓦斯的突出場研究及應用實踐

穆 敏

（桐梓縣應急管理局）

煤與瓦斯突出的地域性很強，不同區域突出的強度和危險性各不相同。貴州煤炭儲量豐厚，瓦斯地質賦存條件復雜，煤層瓦斯含量高，區域煤與瓦斯突出危險性較其他省份偏高。突出的影響因素在實際生產中較多，突出有其自身的特殊性，引起突出發生的具體原因也不盡相同［1-2］。突出的主導因素隨著采掘活動的變化而改變。研究認為，煤與瓦斯突出的影響因素中瓦斯壓力、瓦斯含量作用較突出［3-4］，而煤與瓦斯突出不僅具有區域性，而且具有差異性，存在煤與瓦斯“突出場”。為此，分析研究煤與瓦斯的突出機理及“突出場”影響因素的構成等，對提高煤礦瓦斯的防治能力及瓦斯災害預報預警水平意義重大。

1 煤與瓦斯突出機理

瓦斯災害中突出占很大比例，主要由地應力和瓦斯壓力要素構成，而煤體抵抗破壞的能力是阻礙突出的因素，研究地應力、瓦斯壓力和煤的力學性能對進一步提高防治煤與瓦斯突出的綜合能力，做好煤礦安全監管工作具有很強的現實意義。

（1）地應力。地應力指煤體受到的地層應力。由于煤體中瓦斯使煤體產生膨脹變形而產生附加的應力，地應力隨著瓦斯釋放逐漸下降，煤與瓦斯突出動力從而得以減弱。

（2）瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力是瓦斯分子熱運動撞擊產生的作用力表現，煤層透氣性系數與瓦斯壓力大小成反比。研究認為，地應力在突出過程中的作用主要是破碎煤體，煤層瓦斯才是突出的主要動力來源［5］。

（3）煤的物理力學性質［5］。地應力和瓦斯壓力能夠從軟煤分層開始破壞煤體，從而引發突出，而阻礙煤體被破壞是煤體的力學性決定的，瓦斯含量越大，煤體的強度越低。

2 煤與瓦斯“突出場”影響因素

“突出場”模型構建是依據煤層突出危險性大小而提出的，即在煤礦井下一定的采掘條件下，采場周圍區域發生煤與瓦斯突出及瓦斯動力現象可能性大小的集合，反映了有無煤與瓦斯突出性和突出危險性的大小。瓦斯、煤體性質、地質作用和采掘擾動等相互作用的復雜物理現象引發煤與瓦斯突出［6-8］，此處對應為“瓦斯場”、“煤體特征場”、“地質作用場”和“擾動場”，為一級影響因素場。瓦斯動力由瓦斯場表征，由煤層瓦斯壓力和瓦斯含量、瓦斯放散初速度等因素構成；煤體抵抗突出本能由煤體特征場表征，包括煤的堅固性系數、透氣性等；地應力由地質作用場表征，主要包括煤體產狀和構造應力、地應力等；擾動場影響因素有采掘活動、大地運動等，主要是擾動觸發突出發生，為“突出場”次級因素。

3 煤與瓦斯“突出場”模型構建

煤層突出危險性的強度取決于瓦斯場、煤體特征場、地質作用場和擾動場之間的相互耦合，可按下式進行表達，“突出場”隨著瓦斯場、地質作用場和擾動場增大和煤體特征場減少而變大。

式中，Tm為“突出場”內某點突出危險性大小；Wm為瓦斯場；Mm為煤體特征場；Dm為地質作用場；Rm為擾動場。

瓦斯場為瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯放散初速度相互耦合，瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯放散初速度越大，瓦斯場越大；煤體特征場由煤體堅固性系數和煤層透氣性系數相互作用影響，與兩者關系成正比；地質作用場受煤層傾角、地質構造應力和地應力因素影響，煤層傾角越大，構造應力和地應力越強，地質作用場越大；而擾動場與井下區域內采掘具體工藝方式、天地運動以及其他干擾因素息息相關。

4 煤與瓦斯“突出場”模型的實踐應用

為驗證上述所構建模型的科學性，將構建的煤與瓦斯“突出場”的模型在同德煤礦進行了初步實踐。同德煤礦設計生產能力15 萬t/a，煤與瓦斯突出礦井水文地質類型中等，可采煤層有C6、C5 和C1，平均厚度分別為1.7，1.5，1.4 m，煤層平均傾角35°，三層煤自燃傾向性為不易自燃，均無爆炸性，C6 與C5 煤層間距8 m，C5與C1煤層間距45 m。

C6 煤層經鑒定具有煤與瓦斯突出的危險性，實踐區域為10602工作面，傾向長105 m，走向長215 m。當回采至65 m 時，經鉆孔探測正前方遇地質構造（正斷層），測定瓦斯壓力為0.24 MPa，瓦斯含量3.1 m3/t，采取鉆屑指標法預測得出K1值為0.3 mL（/g·min1/2），鉆屑量S值為3.2 kg/m，較以往平均值偏高，煤層突出危險性（突出場）變大；當工作面推進15 m 后，測定瓦斯壓力為0.14 MPa，瓦斯含量2.5 m3/t，采取鉆屑指標法預測得出K1值為0.1 mL（/g.min1/2），鉆屑量S值為2.3 kg/m，回歸日常平均值，煤層突出危險性（突出場）較??；結果表明，該工作面局部區域在煤體堅固性的系數和透氣性系數相同的情況下，瓦斯壓力、瓦斯含量越大，則煤層突出危險性（突出場）越大。

5 結語

該研究結果說明，煤層突出危險性的可能性和強度取決于瓦斯場、煤體特征場、地質作用場和擾動場之間的相互耦合，但由于煤與瓦斯突出的機理錯綜復雜，不同區域煤與瓦斯突出的影響因素不盡相同，很難用一個固定的函數關系來計算所有煤與瓦斯“突出場”的大小。所以，不同地區、不同礦井煤與瓦斯“突出場”關系式的確立應依據實際影響因素間的作用進行具體完善，這樣才能確保利用“突出場”模型更好地指導煤與瓦斯突出的防治工作。