掘进工作面前方瓦斯异常预报研究

1、煤与瓦斯突出机理关于煤与瓦斯突出机理迄今尚未得到根本解决,大部分还是根据现场资料统计和实验室 研究提出的各种假说,归纳起来主要有几种,一种是认为瓦斯占主导作用的假说,再者是地 压为主导作用的假说,还有一种是化学本质假说。而目前得到人们普遍认可的是综合假说, 其中能量假说认为,突出是由煤的变形潜能和瓦斯内能引起的,当煤层应力状态发生突出变 化时,潜能释放引起煤层高速破坏,在潜能和煤中瓦斯压力作用下煤体发生位移,瓦斯由己 破碎的煤中解吸、涌出,形成瓦斯流,并把已粉碎的煤抛向巷道。该假说认为无论游离瓦斯, 还是吸附瓦斯都参与突出的发展。苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫的应力分布不均匀说认为,在突出煤层的围

2、岩中具有较高 的不均匀分布的应力,在其作用下产生围岩的不均匀运动,并建立了不稳定平衡状态。突出 前由于外界因素的影响,围岩的不平衡状态破坏,进一步引起煤体的破坏,并在暴露面形成 瓦斯压力梯度。在其作用下,煤体破坏反复进行,并以突击波的形式向深部传播,释放出的 大量瓦斯把碎煤抛出。破坏区假说则认为,突出煤是不均质的,各点强度不等。在高压力作用下,由强度最小 的点发生,并在其周围造成应力集中,如邻点的强度小于这个集中应力,就会破坏形成破坏 区。该区内的附着瓦斯吸收外能而大量解吸,并使得煤的内摩擦力下降,变成易流动状态, 瓦斯粉煤流喷出而形成突出。以上几种假说都认为煤与瓦斯突出是瓦斯、应力和煤结构力

3、学综合作用的结果,突出的 发生,也是在以上因素综合作用下不断变化的过程。1958年苏联霍朵特博士提出的综合作用 假说建立在弹性力学基础上,表明了含瓦斯煤体在地应力作用下的破坏和抛出条件,但未能 反映出突出的时间过程。由周世宁、何学秋提出的煤与瓦斯突出机理的流变假说,用流体力 学的方法在实验室对含瓦斯煤体的流变特性进行了研究,认为煤和瓦斯突出本质上是属于瓦 斯煤体的流变行为。一次大的突出往往是由几次突出组成,煤与瓦斯突出是含瓦斯煤体流变 行为的表现,其表现形式、突出强度和规模受到地应力、瓦斯压力的大小、煤质分布、顶底 板岩性和采掘方式、时问与空间条件的控制,煤与瓦斯突出是多种因素在一个大的系统中

4、相 互作用的结果煤与瓦斯突出发生的条件在突出过程中,地应力、瓦斯压力是发动与发展突出的动力,煤结构及力学性质是阻碍 突出发生的因素。地应力条件一般说来,地应力在突出中的作用有三个方面:(l)围岩或煤层的弹性变形潜能作功,使煤体产生突然破坏和位移;(2)地应力场对瓦斯压力场起抑制作用,围岩中高的地应力决定了煤层的高瓦斯压力, 从而促进了瓦斯压力梯度在破坏煤体中的作用;(3)煤层透气性也取决于地应力状态,当地应力增加时,煤层透气性按负指数规律降低。因此,围岩中增高的地应力,也决定了煤层的低透气性,使巷道前方的煤体不易排放瓦 斯,而造成较高的瓦斯压力梯度。煤体一旦破坏,又有较高的瓦斯放散能力,这对突

5、出十分 有利。从上述分析可以看出,具有较高的地应力是发生煤与瓦斯突出的第一个必要条件。当应力 状态突然改变时,围岩或煤层才能释放足够的弹性变形潜能,使煤体产生突然破坏而激发突出。可以认为,发生突出的充要条件是:煤层和围岩具有较高的地应力和瓦斯压力,并且在 近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化。从而使得潜能有可能突然释放。采掘期间应力状态的突然变化一般有下述几个原因:(l)采掘工作面进入地质破坏区;(2)采掘工作面从硬煤带进入软煤带;(3)煤层突然加载,如巷道顶板下沉等;(4)煤层突然卸压,如悬脊梁的突然断裂(5)煤的冒落。瓦斯条件以游离状态和吸附状态存在于煤裂隙和孔隙中的瓦斯,都参与突出的发

6、展,其对于煤体 有三方面的作用。(l)全面压缩煤的骨架,促使煤体中产生潜能;(2)吸附在微孔表面的瓦斯分子,对微孔起楔子作用;(3)具有很大的瓦斯压力梯度,从而造成作用于压力降低方向的力。在这个方向上, 压力不是作用于煤层全断面上,而只作用在部分断面上。突出时依靠潜能的释放使煤体破碎并发生移动,瓦斯的解吸使破碎和移动进一步加强。 并由瓦斯流不断地把碎煤抛出,使突出空洞壁始终保持着一个较大的地应力梯度和瓦斯压力 梯度,致使煤的破碎不断向深部发展1331。因此,突出过程的继续发展或终止,在某种程度 上将决定于突出通道是否畅通,即碎煤被瓦斯搬走的程度。煤与瓦斯突出发展的另一个充要条件是:有足够的瓦斯

7、流把碎煤抛出,并且突出孔道要 畅通,以便在空洞壁形成较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度,从而使煤的破碎向深部扩展。 煤结构和力学性质条件煤结构和力学性质与发生突出的关系很大,因为煤体和煤的强度性质(抵抗破坏的能力)、瓦斯解吸和放散能力、透气性能等,都对突出的发动与发展起着重要作用。一般来说, 煤愈硬、裂隙愈小,所需的破坏功愈大,要求的地应力和瓦斯压力愈高;反之亦然。因此, 在地应力和瓦斯压力为一定值时,软煤分层易被破坏,突出往往只沿软煤分层发展。尽管在 软煤分层中裂隙丛生,但裂隙的连通性差,因而煤体透气性差,易于在软煤分层引起大的瓦 斯压力梯度,又促进了突出的发生。同时,根据断裂力学的观点,煤层中

8、薄弱地点(如裂隙 交汇处、裂隙端部等)最易引起应力集中,所以煤体的破坏将从这里开始,而后再沿整个软 煤分层发展。在成煤过程和地质构造运动中,造成了煤结构和力学性质沿煤层走向和倾斜方向的不均 质性,这种不均质性,不但给工作面附近煤体应力状态突然变化创造了有利条件,并且还影 响着突出的发展速度和突出空洞的形状及尺寸。为矿井提供高可靠性安全保障的重点(l)对煤与瓦斯突出等熟知的原发性灾害的防治,加强高瓦斯区域的重点防治;(2)加强对容易忽视的“安全”区域转化为“危险”区域的动态致灾可能性的预警和 防治;(3)加强对煤与瓦斯突出等原发性灾害转变为继发性灾害的预防和防治煤与瓦斯突出过程煤与瓦斯突出的全过

9、程,一般可划分成三个阶段,即发动、发展和停止阶段在突出的发动阶段,由于外力作用(爆破、钻进等),使煤体应力状态突然改变,岩石和煤的弹性潜能迅速释放。这时,可先听到煤体或岩体中的破裂声,观察到煤层发生压缩变 形,孔隙和裂隙中瓦斯压力急剧升高(可高达10MPa)。当瓦斯压力梯度及释放的岩石和煤 的弹性潜能足够大时,即可破坏煤体,激发突出。当其释放的能量不足,或者煤较硬时,煤 体只发生局部破坏,而不能破碎到突出的那种粉煤状态,突出就暂时不会发生,但煤体进入 不稳定平衡状态。这时外部表现为煤面外鼓、掉煤碴,煤挤出、支架压力增大、瓦斯忽大忽 小、煤中出现劈裂声及闷雷声,即通常所说的突出预兆。此时如停止工

10、作,减少外力对煤体 的影响,或加固煤体等,则可使得突出危险程度减少或免于突出发生。相反,如有外力作用 (震动与冲击)的促进,补给部分能量,则破坏煤体的不稳定平衡状态,即能激发突出。 在突出的发展阶段,依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使煤体破碎,并由瓦斯流把碎煤抛出。此时可观察到煤体的膨胀变形,并由瓦斯流把碎煤抛出。此时可观察到煤体的膨 胀变形,以及瓦斯压力的降低,随着碎煤被抛出,在突出空洞壁始终保持着一个较大的地应 力梯度和瓦斯压力梯度,从而使煤的破碎过程由突出发动中心向周围发展。因此,煤与瓦斯 突出得以发展的充要条件是:有足够的瓦斯流把碎煤抛出,保持孔道畅通,以便使空洞壁形 成足够大的地应

11、力梯度和瓦斯压力梯度,使煤的破碎不断向突出发动中心周围扩展。煤体的 裂隙及弱面不但是应力集中的地点,也是易造成大的瓦斯压力梯度的地点。因此,突出最易 沿着裂隙及弱面发展,并把裂隙及弱面两侧的煤体破碎和抛出。由于地应力、瓦斯压力、煤结构和煤质的不均匀性,以及通道阻力的变化,突出的发展 速度也是不均匀的。煤与瓦斯突出过程,尤其是喷孔过程,均可显示脉冲式的特征。 随着煤的破碎和抛出,瓦斯压力降低,吸附瓦斯解吸,而大量解吸瓦斯的膨胀加剧了这一过程,又促使煤进一步破碎。如此反复进行,直到煤被破碎为粉煤并形成粉煤瓦斯流。这 种粉煤瓦斯流具有很大的能量,可以把煤抛出数十以至数百米,能逆风流运动或沿揭露的巷

12、道运动,以致推翻矿车、钻机、搬运岩石等,造成一定的动力效应。但是,当出现下列任一 情况时突出即告停止:(l)激发突出的能量业己耗尽;(2)继续放出的能量不足以粉碎煤;(3)突出孔道受阻碍,不能继续在突出空洞壁建立大的地应力梯度和瓦斯压力等。突出停止后碎煤及粉煤沉陷,其中的瓦斯继续解吸并涌向巷道。同时,由于煤的喷出在煤体中形成某种特殊形状的空洞。空洞壁与洞口间的瓦斯压力梯度虽然不能把煤抛出,但可 以使空洞周围参与突出的煤体继续破碎,加剧瓦斯放散,这就是突出以后相当长一段时间内 还存在瓦斯大量涌出的原因。突出过程中煤体变形变化的延续时间为0.1一645,一般只有几秒。瓦斯压力延续时间一 般只有2一

13、7s。因此,煤与瓦斯突出的全过程,一般只延续几十秒,少数达1一2.5minl2'1。突 出后,突出空洞周围的煤体由于受到残余弹性潜能及瓦斯膨胀能的作用,继续破坏并发生变 形,使空洞压缩、体积变小,甚至堆满碎煤,直到空洞壁建立了新的应力平衡掘进工作面煤与瓦斯突出在瞬态和动态流变阶段,由于浅部煤体应力增加速度较大,这部分煤体在较短时间内屈 服破坏,使集中应力向深部传播而卸压进入松弛状态。对于蠕变阶段,可按空间位置划分为 松弛区域A(动态流变阶段发生屈服的区域)、集中应力区域C(强流变区)和稳态蠕变区域 B(弱流变区),如图2一1所示。在蠕变阶段,A区为含高压瓦斯的B、C区提供侧向应力, 阻

14、碍B、C区的蠕变变形B区域煤体在比原始地应力稍高的应力作用下蠕变,如果地应力大于煤的长时强度,煤体出现蠕变的I、n阶段如图2一2所示,最后以恒定变形速率蠕变。外载荷对该煤体所作的 功主要转化为新产生滑移面的表面功和摩擦功,摩擦产生热量使煤体温度上升,促进吸附瓦 斯解吸。如果地应力小于煤的长时强度,则蠕变变形速度减缓,最终趋于零,外力所作的功 主要以弹性潜能形式贮存于煤体中。C区域煤体的蠕变,当集中应力大于煤体的长时强度时,其与B区类似。当在较高的集中应力和瓦斯压力作用下,C区域瓦斯压力梯度很大,煤体很快进入加速破坏的蠕变第m阶 段,如果此时煤体的瓦斯压力仍保持很高,C区域煤体变形推垮A区域煤体而发动突出。如