浅析煤与瓦斯突出的演化过程

1、    浅析煤与瓦斯突出的演化过程    煤与瓦斯突出是矿井最常见、最主要、最严重的自然灾害，所谓煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯在极短的时间内，从煤（岩）体内突然向采掘空间大量喷出的异常动力现象。煤与瓦斯突出不仅可以摧毁井巷设施，破坏矿井通风系统和地质结构，甚至充塞巷道，产生瓦斯爆炸，造成极大地人员伤亡和财产损失。对此，本文简要剖析了影响煤与瓦斯突出的地质条件，瓦斯的形成，以及突出的预兆、过程、力能计算、机理以及规律，以便各矿井根据自身情况，做好煤与瓦斯突出的防治工作。  

2、0;   0. 引言煤是工业的粮食，改革开放以来，在我国的能源结构中煤炭约占70%到75%1，以煤为主的格局在今后几十年不会发生根本改变。近年来，随着国家对煤炭开采力度的加大，开采深度不断增加，煤层赋存条件复杂多变，矿井灾害屡见不鲜，而由煤与瓦斯突出引起的事故更是时有发生，例如，2009年的鹤岗新兴煤矿事故；2008年的辽宁法库“8.18”事故：2005年辽宁阜新孙家湾“2.14”事故等，毋庸置疑，这些事故造成了严重的人员伤亡和财产损失，因此，全面了解煤与瓦斯突出的演化过程对矿井生产具有重大的科学意义。1. 地质构造对煤与瓦斯突出的影响1.1地

3、质构造与煤与瓦斯突出的关系提到煤与瓦斯突出，就不得不考虑地质构造，因为不同的矿井有不同的地质构造，不同的地质构造对煤与瓦斯突出有不同的影响。大量的研究成果表明突出与构造有直接的关系，如山西阳泉80%以上的突出发生在构造区2，开滦矿区60%的突出发生在以断层为主的构造附近，四川芙蓉矿47次的突出都发生在断层和褶皱构造附近3，安徽淮南矿区85%以上的突出与以断层为主的构造有关，河南平顶山矿区、江苏省含煤矿区的突出也与构造有关4。突出不仅需要良好的瓦斯形成和保存的地质条件，还需要具备瓦斯突出的地质条件。瓦斯的形成和保存奠定了突出发生的物质基础，地质构造因素则是发生瓦斯突出的必要条件。综合分析各方面的

4、研究成果，从地质力学的角度来看，构造区内突出危险性相对较大的部位是:构造体系的复合部位、弧形构造的弧顶部位、褶曲构造的褶扭部位、多种构造体系的交汇部位、压扭性断裂所夹的断块，以及旋转构造的收敛端和断层的尖灭端等5。1.2煤层厚度对煤与瓦斯突出的影响研究表明突出点常分布在煤层厚度大和煤层厚度变化大的部位，见表1，突出危险程度的差异与煤厚及其变化的关系有以下几种4:1)煤层厚度较稳定的多煤层矿井:各煤层的突出危险性决定于煤层的厚度，随着煤层厚度的增加,突出危险程度增加。2)煤层厚度变化大的矿井:突出多发生在厚煤地段和煤厚变化带。透镜状煤包和被薄煤带包围的厚煤带的突出危险性大.3)煤层厚度变化大的多

5、煤层矿井:不同煤层相比较,煤厚变化大的地段比煤厚变化小的地段突出危险性大。煤层厚度变化造成了瓦斯分布上的差异性，煤厚变化的梯度在一定程度上反映了瓦斯变化的梯度，造成了瓦斯突出点分布的不均衡性。62.瓦斯的形成瓦斯是一种很复杂的混合气体，其主要成分是甲烷和一氧化碳（CO），少量二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，微量的烃类气体，如：乙烷、丙烷、硫化氢（H2S）等。2.1瓦斯成因煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的7。它包含两个阶段：（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O 反映条件：空气隔绝，微生物作用。特点：埋藏浅，

6、覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤如： 4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O（泥炭 ） （褐煤）C57H56O10 C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O（褐煤） （烟煤）C54H42O5 C13H4 + 2CH4 + H2O（烟煤） （无烟煤） 特点：（1）碳化过程生成的大量气体。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量83.煤与瓦斯突出的预兆突出煤层开采多年实践表明，大多数突出前都会有有声或无声预兆，

7、可以被人明显感觉到，利用所掌握的预兆知识，避免不必要的人身伤亡事故，对于减少突出危害，保证人身安全以及避免突出灾害的发生都有着十分重要的现实意义。其中，有声预兆：俗称响煤炮，通常在煤体深处打闷雷声（放炮声），劈啪声（枪声），霹雳声，嘈杂声，沙沙声以及气体穿过含水裂缝时的吱吱声等。声音由远到近，由小到大，有短暂的，有连续的，时间间隔长短也不一致。煤壁发生震动和冲击，顶板来压，支架发出折裂声。无声预兆：煤变软，光泽变暗，掉渣和小块煤剥落，煤面轻微颤动，支架压力增加，瓦斯涌出量增高或者忽大忽小，煤面温度或气温降低等。此外，煤壁被挤压，顶板下沿或底板鼓起，煤层层理紊乱、煤壁发凉，打钻时有顶钻、卡钻、喷

8、瓦斯等现象。井下工作人员发现上述预兆后，应立即向有关部门报告，及时采取措施。情况严重时，应立即停止作业，迅速迎着风流撤出。9 104.煤与瓦斯突出的各阶段过程。煤与瓦斯突出共分为有四个阶段，即：准备阶段、激发阶段、发展阶段、终止阶段。(1)准备阶段:在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。煤体内地应力梯度急剧增高，形成很高的应力集中，积聚着很大的变形能；同时由于孔隙裂隙的压缩，使瓦斯压力增高，瓦斯内能增大。在这个阶段，会显现多种有声的与无声的突出预兆。 (2)激发阶段:极限应力状态下的部分煤体突然破坏，卸载(卸压)并发生巨响和冲击；由于煤体的破裂，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开

9、始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出 。 (3)发展阶段:在地应力与瓦斯压力共同作用下，突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体;由于是瓦斯膨胀作功，破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯气流中边运送边粉碎。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流对瓦斯风暴的形成与发展起决定作用。(4)终止阶段:突出的终止有两种情况，一是在剥离和破碎煤体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低到不足以破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞。虽然这时突出停止了，而突出孔周围的卸压区与突出的煤涌出瓦斯的过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相

10、当长时间11。突出停止后，碎煤及粉煤沉降，其中的瓦斯继续解吸并涌向巷道。同时，由于煤的喷出，在媒体中新年工程某种特殊形状空洞。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的煤体继续破碎，加剧瓦斯放散，这就是突出以后相当长按一段实际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 64s,一般只有几秒钟。瓦斯压力延续时间一般只有27s。因此，煤与瓦斯突出的全过程，一般只延续几十秒，少数达1 2.5分钟。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，直到空洞避建立了新的应力平衡12。4. 煤与瓦斯突出力能计算4.1 地应力煤体内存在着地应力（自重应力、地质构造力和采动集中应力）、瓦斯压力和煤的自重重力。自重应力：铅垂方向水平方向 地质构造应力： 水平方向采动集中应力: 铅垂方向煤的自重力: 铅垂方向 一般地， , 13，通常地应力在数值上为瓦斯压力的几倍到几十倍，突出过程中破碎煤体的主导力是地应力，特别是存在地质构造应