煤与瓦斯突出各项假说

1、煤与瓦斯突出各项假说张一勃（黑龙江科技大学，矿业工程学院，采矿工程，2011020616 ）摘要：煤与瓦斯突出是影响当今煤矿地下开采最为重要的矿井灾害，是矿山安全治理的 重要部分。至今为止煤与瓦斯突出尚未有统一的完整理论予以解释其机理，本文通过对于诸 多突出突出机理假说的整理，从瓦斯、地压等方面对突出现象发生机理进行了解释。关键词：矿井安全；煤与瓦斯突出；流变假说引言煤岩动力灾害现象是煤岩体在外界应力或自身内部场的作用下在短时间内突然发生失 稳，具有动力效应和灾害后果的现象。煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，它 能在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量瓦斯及碎煤，在煤体中形成

2、特殊形状 的空洞，并形成一定的动力效应，如推到矿车、破坏支架等;喷出的粉煤可以充填数百米长 的巷道，喷出的瓦斯-煤粉流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米的 巷道。因此，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一。一、煤与瓦斯突出假说煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生发展过程。关于突出 机理，迄今尚未得到根本解决，大部分是根据现场统计资料或实验室研究提出各种假说，这 些假说只能对某些现象给予解释吗，还不能得出统一的突出理论，突出假说归纳起来有下列 几种。1、瓦斯为主导作用的假说（1）瓦斯包说。认为煤层内存在着积聚高压瓦斯空洞，其压力超过煤层强度减弱

3、地区 煤的强度极限，当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁会发生破坏并抛出煤炭。（2）煤粉带说。认为因地质构造作用，把煤粉碎成粉状，当巷道接近这一地带时，煤 粉在不大的瓦斯压力作用下，与瓦斯一起喷出。（3）煤透气性不均匀说。认为煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域的边缘， 瓦斯流动速度变化很大。如透气行小的恰好是坚硬的煤，而透气性大的又是不坚硬的煤，那 么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯的潜能就能将煤喷出。（4）突出波说。认为瓦斯潜能要比煤的弹性变形潜能大十余倍，当巷道接近煤强度低 的地区时，在瓦斯作用下，可产生连续破碎煤体的突出波。（5）裂缝堵塞说。认为由于均匀排放瓦斯的裂缝系统被封闭和堵塞，在

4、煤层中形成增 高的瓦斯压力带，从而引起突出。（6）闭合孔隙瓦斯释放说。认为近工作面地带，由于煤吸收和解吸瓦斯的周期性，使 其强度降低，包含在闭合孔隙中的瓦斯在孔隙壁的闭合面和敞开面之间产生很大压力差，当 煤体破坏时，便被解吸瓦斯抛向巷道。（7）瓦斯膨胀应力说。认为煤层中存在瓦斯含量增高带，因而引起煤体的膨胀应力增 高，此处煤层透气性接近零。当巷道掘进时，其应力急剧降低，造成煤的破碎和突出。（8）火山瓦斯说。认为由于火山活动，煤受到二次热力变质，产生热力变质瓦斯和岩 浆瓦斯，从而在煤层内，特别是断层部分，形成高压瓦斯区，当进入这些地带采掘时，可能 引起突出。（9）瓦斯解吸说。认为卸压时煤的微张孔

5、隙扩张，孔隙吸附潜能降低，吸附瓦斯的内 能转化为游离瓦斯压力，使瓦斯压力升高，破坏不坚硬的煤而引起突出。（10）瓦斯水化物说。认为在某些地质构造活动地区，在一定的温度压力下，有可能生 成瓦斯水化物（N水化甲烷），并以介稳状态存在，它具有很大的潜能，受到采掘工作影响 后，即迅速分解成高压瓦斯，破坏煤体而造成突出。（11）瓦斯一煤固溶液说。认为处于未收才动影响的自然条件下的煤的有机物质，是一 种特殊的瓦斯一煤固溶液说。瓦斯一煤固溶液说处于稳介状态，在压力和温度变化时发生分 解，并以气态涌出，在支承压力带有可能形成具有增高瓦斯含量的次生固溶体。煤和瓦斯突 出可以看做是瓦斯一煤固溶体的转化，固溶体的分

6、解伴随着形成完整性的破坏和涌出气态产 物。2、地压为主导作用的假说（1）岩石变形潜能说。认为突出是煤层因变形的弹性岩石所积聚的潜能引起的，潜能 是以往的地质构造运动所造成的，当巷道掘至该处时，弹性岩石便像弹簧一样伸张，从而破 坏和粉碎煤体而引起突出。（2）应力集中说。认为在采煤工作面前方的支承压力带，由于厚弹性顶板的悬梁和突 然下沉引起附加应力，煤体受集中应力作用产生移动和破坏，导致突出。（3）剪应力说。认为突出过程前的破碎始于最大应力集中处，且是在剪应力作用下发 生的。（4）振动波动说。认为突出过程的发展是外力震动引起煤体和围岩的振动波动过程的 发展。由于岩石的潜能和煤体的破坏而维持和发展了

7、这一过程。（5）冲击式移近说。认为突出中起主导作用的事顶底板的冲击式移近，冲击式移近的 可能性和大小，取决于岩体的性质、巷道的参数、掘进方式和速度。突出的条件是：煤层紧 张程度增大，煤层边缘有脆性破坏，从破坏的煤中涌出的瓦斯有一定的压力。（6）顶板位移不均匀说。认为突出是由于煤层顶底板不规则和不连续移动而引起的一 种动力现象，并且突出发生在顶底板移近速度值增加后又下降时。（7）应力叠加说。认为突出是由于地址构造力、火山与岩浆活动的热力变形应力、自 重应力、采掘压力和放顶动压等叠加而引起的。突出危险煤层具有特殊的“分枝性裂隙”显 微结构。3、化学本质说（1）“爆炸的煤”说。认为突出是由于煤在地下

8、深处变质时发生的化学反应而引起的。 即由于煤的变质，在爆炸性转化的物质“爆炸的煤”）的介稳区，能呈现连锁反应过程，并 迅速形成大量的二氧化碳和甲烷，从而引起爆炸煤与瓦斯突出。（2）重煤说。认为煤在形成时有重碳（原子量13）及带氢的同位素（原子量2）重水 参加，形成煤的重同位素称为“重煤院子”，当进行采掘时，能发生突出。（3）地球化学说。认为瓦斯突出是煤层中不断进行的地球化学过程煤层的氧化一 一还原过程。由于活性氧及射气的存在而加剧，生成一些活性中间物，导致瓦斯高速形成。 中间产物和煤中有机物质的互相作用，使煤分子遭到破坏。（4）硝基化学物说。认为突出煤中积蓄有硝基化合物，只要有不大的活化能量（

9、如岩 石应力分布不均，瓦斯压力等），就能产生发热反应。当其热量超过分子间活性能时，反应 将自发地加速进行，从而发生突出。4、综合假说（1）能量说。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 然变化时，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移动，瓦斯 从已破碎的煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把已粉碎的煤抛向巷道。引起煤层应力状态突然 发生变化的原因是：巷道从硬煤进入软煤带，顶板岩石对煤层动力加载，爆破时煤体突然向 深部推进，石门揭开煤层，巷道进入地质破坏区。突出过程可分为3个阶段：在静、动载荷下煤的破碎，在煤变形潜能和瓦斯压力下煤的 移动，瓦斯从已破碎的煤

10、中解吸、膨胀并带出悬浮于瓦斯流中的煤。发生煤与瓦斯突出的条件，即可能造成突出或破碎的条件，由下式描述：W + 入=A式中A煤破碎到突出物粉煤时的能量，J;W煤的弹性潜能，J;入瓦斯膨胀能，J。其中w=2e q式中。煤体的平均应力，Mpa;E煤的弹性模量，Mpa。.106Wp、X =1 （乌）（。一1）/。22414（0-1）p1式中V气体瓦斯量，m3/t；R气体常数，R=8.29J/ （mol - K）；T煤一瓦斯体系的绝对温度，K;0 绝热系数（对于瓦斯。=1.3）；PP2 初始和最终的瓦斯压力，Mpa。该假说认为无论是游离瓦斯还是吸附瓦斯，都参与突出的发展。瓦斯对煤体有三方面的 作用：全面

11、压缩煤的骨架，增强煤的强度；吸附在微孔表面的瓦斯对微孔起楔子作用，同时 降低了煤的强度；存在瓦斯压力梯度，引起作用于梯度方向的力。（2）应力分布不均匀说认为在突出煤层的围岩中具有较高的不均匀分布的应力，其主 要的原因是地质构造运动，个别情况是由于采掘过程引起的（如留煤柱、冒顶等）。由于煤 体深部应力分布不均匀，就会产生围岩的不均匀移动，围岩位移减缓或停滞，从而建立了不 稳定平衡状态。突出前，由于对工作面的机械作用，破坏了围岩的不稳定平衡，引起围岩的移近和伸直， 使瓦斯的煤暴露和破碎。在煤体破坏时，在暴露面附近形成瓦斯压力梯度，引起很薄的分层 分离并破坏，饱含瓦斯的分层又重新暴露，破坏过程反复进

12、行，并以突出波的形式向深部传 播，释放出的大量瓦斯把碎煤抛出。（3）分层分离说。认为当突出危险带煤体表面急剧暴露时，由于瓦斯梯度的作用，使 分层承受拉伸力，拉伸力大于分层强度时，即发生分层从煤体的分离。突出常常是重复的破 坏组合，一部分是瓦斯参加下的分层而破坏，另外一部分是地压破坏。在急倾斜煤层，还有 自重作用下的分离。从煤体分离的煤粒和瓦斯急速冲向巷道，随着混合物的运动，瓦斯进一步膨胀，速度加 快。当其遇到阻碍时，速度降低而压力升高，直到增高的压力不能超高破坏条件，过程才停 止。（4）破坏区说。认为突出煤是不均匀的，各点强度不等，在高压力作用下，由强度最 小的点发生，并在其周围造成引力集中。

13、如邻点的强度小于这个集中应力，就会破坏形成破 坏区，此区内的吸着瓦斯由于煤破坏是释放的弹性能供给给热量而解吸，瓦斯使得煤的内摩 擦力下降，而变成易流动状态，瓦斯粉煤流喷出便形成突出。5、流变假说煤和瓦斯突出机理“流变假说”（何学秋，1990）的提出，是建立在理论体系比较完善 的流变力学基础之上。通过对含瓦斯煤岩流变本构方程，就使得认识煤与瓦斯突出现象的本 质规律成为可能，使原来只能进行定性描述的现象上升到半定量化阶段。（1）含瓦斯煤岩三维流变本构方程大量的现场实际现象和观测结果表明，煤岩具有明显的流变性质。“流变假说”提出者 通过对含瓦斯煤岩三轴蠕变行为的实验研究，证明含瓦斯煤岩是一种流变介质

14、。为了描述含瓦斯煤岩的蠕变特性，必须建立起与其蠕变行为相适应的力学模型。由于三 维蠕变模型无法采用直观的弹簧、粘壶和摩擦片等元件组合形式表达，因此，应首先建立一 维应力状态下的蠕变方程。然后再将一维应力状态下的蠕变方程。然后再将一维蠕变模型推 广到三维应力空间中。含瓦斯煤巷三维蠕变本构方程由于应力与蠕变速度间的关系一般是非线性的，为了研究复杂应力状态下蠕变行为，做 一下基本假设：（a）正应力的主应力与变形的主方向重合；（b）物体是各向同性的，蠕变过程中没有体积变化；（c）主切应力与主滑移变形速度成正比；（d）切应力的大小不变，或者对于每一种材料来说它都是滑移速度的已知函数。上述假设能较好的适用

15、含瓦斯软煤的特性。根据有效应力原理、流动法则及上述基本假设则得到含瓦斯煤岩三维蠕变本构方程；S （c） = b -丝8 +-1 exp（-Et）（ 8 -16 6 ）T ,baij2G ij E ij 2 EHbHia ip 3 ia 阪弗 y式中5司（c）三维蠕变率张量；Tap三维有效应力偏张量；G = E（2 + 2v ）;E1，E2 三维弹性系数；H1, H 2三维粘性系数；v泊松比；b 三维屈服有效应力；元一一等效有效应力；S Kronecker 符号。其中，H2=弓（七）,H 3 =气（气,t）。含瓦斯煤岩三维流变本构方程由于含瓦斯煤岩层在采掘空间附近一定的区域内的受力状态在很短时间

16、内是非稳定的， 所承受的外载荷值随时间是变化的。特别在采掘工作影响严重的区域内，采动压力的影响就 更为严重。当井下含瓦斯煤岩层未受到采动影响时，在受到采动影响后，一般在工作面推进速度较 慢时也可以将工作面前方含瓦斯煤岩的流变行为简化为在准恒载荷作用下的蠕变运动。煤矿 井下，一切流变现象从本质方面看都不是真正的蠕变，只是根据观察者观察流变现象的时间 域大小和为了问题的简化而人为地把某一类流变现象简化为蠕变。因此要研究瓦斯煤岩的流变特性，只建立起其蠕变方程是不够的，还必须建立含瓦斯煤 岩的流变本构方程。根据前述基本假设并用类比方法可得到推广到三维应力空间中的含瓦斯 煤岩三维流变本构方程如下：曳（T

17、 -b ） + （1 + H + 竺T + H2T = 2G S + 2H S ,T &H ij y H G j G ij 2 可 2 可 y式中T ,T 有效应力偏张量对时间的一阶和二阶导数； ij HS ,S 应力张量对时间的一阶和二阶导数； ij ijG1, g2剪切模量；H 2, H 3粘性系数；b 等效有效屈服应力，因选用的屈服准则而异；y一一等效有效应力偏张量，随所选用的屈服准则而异。根据对瓦斯煤岩蠕变试验结果可以认为含瓦斯煤岩具有极限变形量，当变形量达到该值 时，含瓦斯煤岩就会发生急速破坏和垮落。另外，对于煤与瓦斯突出的发动阶段，位于突出 发动阶段的含瓦斯煤岩，一般是在受到采动影响后较短时间内开始加速破坏到垮落的。二、对于各项假说的评价以上即是当今学界对于煤与瓦斯突出的相关机理提出的各项假设，其中以何学秋提出的 “流变假说”最为贴合实际突出成因现实，最好的拟合了突出的作用机理，但由于其本构方 程过于冗长，其测试围岩的相关基本参数过于