煤与瓦斯突出机理及预测

1、煤与瓦斯突出机理及预测试卷姓名:班级:学号:1、简述瓦斯的成因类型及其形成机制。（15分）1、生物成因气生物成因煤层气是指在微生物作用下，有机质（泥炭、煤等）部分转化为煤层气的 过程。按形成阶段可划分为原始生物成因气和次生生物成因气，褐煤阶段，即泥炭还原生成CH4 ；形成过程：通过微生1）原生生物成因气：形成阶段：早期生物成因气形成于泥炭 化作用和成岩作用阶段。 成分来源： CO2 醋酸（CH3COOH ）、甲醇和甲胺等发酵转化成 CH4。物作用，使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵变为可溶有机质，进而在产酸 菌和产氢菌作用下，变为挥发性有机酸、H 2和C02;H 2和CO2在甲烷菌作 用下生成

2、CH4。2）次生生物成因气形成阶段：煤层后期抬升阶段。原生与次生生物成因气的阶段划分取决于有没有 抬升。在煤层形成并被埋藏后，如果没有进入成熟阶段（RovO.5%）,同时又没有发生 抬升，形成的生物气为原生生物成因气；如果发生抬升，不管煤阶如何，再生成的生 物气即为次生生物成因气。形成条件：a、通过补给区由大气降水由煤层气露头带入煤层的微生物； b相对低温条件下56; C、有机质的供给。低分子有机质的来源是煤，大分子的煤 要通过腐生菌作用才能降解为可供甲烷菌作用的低分子有机质。2、热成因气煤在温度、压力作用下发生一系列物理、化学变化的同时，也生成大量的气态和液态 物质。由于煤隶属III型干酪根

3、，属于倾气性有机质，演化过程中形成的烃类以甲烷 为主。原生热成因气：指由煤生成并就地储存的热成因气，保持了煤层气原始的组分和同位素组成。从烃源岩的角度，可将煤级演化阶段分为未成熟阶段（泥炭 一褐煤ROV0.5% ），以生物气 形成为主；成熟阶段（长焰煤 一瘦煤，0.5%VROV2.0% ），以热降解气生成为主；高 成熟阶段（贫煤一无烟煤，RO2.0% ），以热裂解气形成为主（1）热降解气（0.5%VROV2.0% ）该阶段发生的化学反应，主要是官能团和侧链的裂解及其产生的大分子烃类（油、湿气)的裂解与聚合，据反应进行程度可分早、中、晚三期。2、试述国内外关于煤与瓦斯突出机理的主要假说及其主要论

4、点。 (20 分)1) 瓦斯为主导作用的假说 这类假说认为，煤体内储存的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。其代表有 “瓦斯包说 ”、“粉煤带说 ”、“煤孔隙结构不均匀说 ”、“突出波说 ”、 “瓦斯膨胀说 ”等等。如 “瓦斯包说 ”认为，煤层内存在着积聚高压瓦斯的 空洞，其压力超过煤层强度减弱地区煤的强度极限，当工作而接近这种 瓦斯包时，煤壁会发生破坏并抛出煤炭。(5) 突出空洞发生变形 (体积缩小 )；2) 地应力为主导作用的假说 这类假说认为，突出主要是高地应力作用的结果。这类假说的主要 代表有“岩石变形潜能说 ”、“应力集中说”、“剪切应力说 ”、“应力叠加说” 等等。当巷道接近积聚有高

5、构造应变潜能的岩层时，弹性岩石会像弹簧 一样伸张开来，将煤体粉碎，引起煤与瓦斯突出。3) 化学本质假说 这类假说认为突出是由于煤中发生的化学反应引起的。这类假说的主 要代表有 “瓦斯水化物说 ”、“地球化学说 ”、“重煤说 ”等等。有关化学本质的假说以推测居多， 缺乏现场实践或实验室研究。 例如， “瓦斯水化物说 ”，最早在 1945 年提出，并没有得到多大的支持。到 1969 年，由于在多年冻土带中发现了以固体状态存在的天然瓦斯后，曾一度 提高了这一假说的地位，但迄今尚未在矿井中找到瓦斯水化物的实物。4) 综合假说 这类假说认为， 突出是由地应力、 瓦斯压力及煤的物理 -力学性质等因 素综合

6、作用的结果。这一类假说由于全面考虑了突出发生的作用力和介 质两个方面的主要因素，得到了国内外大多数学者的普遍承认。在这类 假说中，有代表性的是 “震动说”、“分层分离说 ”、“游离瓦斯压力说 ”、“能 量假说 ”、“应力分布不均匀说 ”等等。“能量假说 ”认为，含瓦斯煤层发生煤和瓦斯突出的条件， 即可能造成突出式破碎的条件，可近似地用下式描述：A=Wt+ 入式中 Wt 煤的弹性能；入一一瓦斯的膨胀能；A煤破碎到标志突出特征的粉煤时的能量。3、简述煤与瓦斯突出的类型及其各自的特征。 （15 分）4、试述煤与瓦斯突出预测的类型及方法。15 分）5 神经网络方法进行突出预测3 类：第一是区域性预测，

7、 主要是确定煤田、 它是在区域性的基础上，根据钻探、按预测预报范围和时间的不同， 预测方法可分为 井田、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测， 采掘工程等资料，进一步对局部地区或要点的突出危险性作出判断；第三是日常预测，它是在区 域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应，对突出危险发出警告。1 微震技术预测突出危险性研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发生破裂和震动，当从震源传出震波或声波的强度和频 率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出。突出是由连续的多起断裂引起的，而 且异常的微震发射通常在断裂之前545s内产生，故微震法作为突出预报方法，有其广阔的应用前景。

8、2 煤层温度状况预测突出的危险性温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低越 多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。3 煤层中涌出的氦或氡浓度的变化预测突出研究表明在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。前苏联学者考察了顿 涅茨煤田中 2个不突出煤层和 4 个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦 斯压力也相应的高。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标，该项目正在继续进行。4 电磁辐射强度预测突出危险电磁辐射（EME）是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象，与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关

9、。采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的优点是：电磁辐射信 息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动力现象的主要影响因素；可实现真正的非接触预测，无需打 钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动 态连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的突出危险性及突 出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。煤与瓦斯突出，其发生是由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体 结构及围岩特征诸多因素决定的。突出灾害的发生是极不规则的，其所处的系统是一个不断变化 的系统，各种力学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。人工

10、神经网络方法的出现， 为解决这一问题开辟了一条新途径。神经网络具有通过样本来 “学习”的能力，一方面区别于传统的各种预测方法，实际应用时无须做出因素与突出相关关系的任 何假设，只需将实际数据直接提供给网络来训练；另一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近 真值（只要训练数据足够多），能够抽提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，尤其是那些尚未被人类 认识和揭示的规律，这些优点是传统方法无法比拟的。5、简述矿井瓦斯涌出量的分源预测方法。（20分）技术特点：该预测方法以煤层瓦斯含量为基础数据，通过对地质构造带瓦斯赋存规律、不同采煤方法的瓦斯涌出规律、煤的残存瓦斯量、围岩和采空区瓦斯涌出规律及掘进巷道瓦斯涌出

11、和瓦斯排放带宽度的研究，提出了地质构造单元分源预测矿井瓦斯涌出量的方法。结合我国煤层采掘条件，系统地研究了影响矿井瓦斯涌出量的各种因素，并从煤田地质、矿井开采条件、层位关系等诸多因素入手，得出了矿井瓦斯涌出量与其实质性联系。根据矿井瓦斯涌出来源及涌出规律，结合矿井煤层配产方案计算矿井不同生产时期各瓦斯涌出源的瓦斯涌出大小，来确定矿井瓦斯涌出量。技术关键：第一是分析研究煤层瓦斯含量测值的准确性，找出适合校准系数；第二是分源预测法中影响预测精度的各种系数的研究，从而找出相应条件下的适合系数值。该成果紧密结合我国煤田的实际情况，煤层瓦斯含量测定从手工测定实现自动化；从技术上克服原来矿山统计法、类比法

12、的应用局限性，使矿井瓦斯预测方法更加具体化，由原来的定性分析实现定量分析、由原来手工计算及绘图实现计算机图文一体化，并使矿井瓦斯涌出量预测工作规范化、科学化。（10 分）6、谈谈你对煤与瓦斯突出预测及机理课程的认识或建议。7、综述煤与瓦斯突出机理研究的现状。（20分）煤与瓦斯突出机理已经从单因素向多因素发展， 综合作用假说得到了普遍3者综认可，为突出危险性预测预报、防突措施的选择及防突效果的检验提供了理论依据。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质合作用的结果，是积聚在围岩和煤体中大量潜能的高速释放， 并认为高压瓦斯在突出的发展过程中起决定性的作用； 地应力 （构造应力、 自重应力、 采

13、动应力、温度应力等 ）突变和采矿活动扰动是激发突出的因素；而煤的物理力学性质则是阻碍突出的因素。我国煤地质与煤矿安全科研工作者对煤与瓦斯突出机理研究取得了丰富 成果，完善与发展了煤与瓦斯突出机理。主要成果体现在以下方面：a. 将参与煤与瓦斯突出的煤体、岩石、瓦斯和应力场看成一个统一体系， 并且认为它们是不均匀的，突出是气固两相流运动。b. 进一步明确了煤与瓦斯突出的动力来源。 煤（岩）体所积存的弹性应变能 和瓦斯内能是突出发生的能量， 并且高压瓦斯是大型突出所需能量的主要 提供者，地应力和瓦斯压力增加使突出危险性增大。c. 进一步明确了煤与瓦斯突出的准备、激发、发展和终止过程。突出是 煤体破坏

14、、 地应力突变与瓦斯渗流耦合作用下发生失稳的过程， 是卸压膨在应力波的作胀和煤 （岩）体阻碍共同作用的结果。地应力突变和采掘活动扰动是激发突出的因素，而足够的卸压区宽度可以抑制高能量体的失控。用下，煤岩体中交替出现拉应力和压应力，并出现应力波峰值。d. 进一步明确了煤与瓦斯突出的失稳破坏过程，解释了延期突出、大强 度突出及突出伴生大量瓦斯问题。 从蠕变破坏到裂隙网发育， 从裂隙扩张 到失稳破坏， 从内部延续到终止条件， 考虑了时间因素。 煤体破坏分为层 裂和层裂片的粉碎 2 个阶段，破裂是不连续的并呈破裂阵面跳跃式发展。层裂体的形成和失稳破坏是突出发动的基本环节， 最大有效拉应力准则为 破裂准

15、则。e. 进一步明确了地质构造在煤与瓦斯突出中的作用，及不同地质构造中 地应力分布、 煤体结构特征和瓦斯赋存规律。 全球板块构造运动控制着区 域构造块体； 区域地质构造及其活动决定着矿区构造应力场。 煤层及顶底 板岩层的原岩应力基本由垂直的重力和近水平的构造应力叠加作用形成， 构造应力场是形变场， 并主要体现在坚硬稳定的顶底板岩层中。 采动应力 取决于上覆岩层强度性质的压力角所圈定的充分移动区范围。 地质构造带 往往具备高地应力、高瓦斯压力 （含量 ）和构造煤发育等 3 个因素。f. 进一步明确了地应力与瓦斯之间的相互关系。 当地应力增大时， 煤体微 结构中的孔隙、裂隙闭合，对瓦斯的吸附作用增

16、加，使渗透率减小；当 地应力减小时，随孔隙、裂隙增大，煤体吸附容积加大，并产生向外膨胀 变形。g. 探讨了影响煤与瓦斯突出各因素的作用关系，在突出的动力演化时空 过程中，各个因素对突出的影响是不断变化的， 并通过按时间序列对影响 因素分别重构相空间进行突出预测。h. 探讨了构造煤结构演化和力化学作用演化过程，提出了构造煤形成过 程中的力化学作用机制， 明确了构造煤是煤受力化学作用的产物。 构造煤 的分布受地质构造逐级控制， 强挤压剪切构造破坏带、 高应力区是煤与瓦 斯突出发生的背景环境， 高能瓦斯和构造煤控制着煤与瓦斯突出。 构造煤 破碎、裂隙多、大孔和中孔发育，但渗透性较差。i. 通过物理实

17、验与数值模拟， 再现了煤岩介质在瓦斯压力、 地应力和煤岩 力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、 扩展、相互作用、 贯通直至失稳 抛出的突出全过程； 揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱发突变的非线 性本质，包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化； 得出了吸附和解吸能 力大时突出强度大的结论。j. 利用构造物理学、 量子化学、 突变理论等探讨了煤与瓦斯突出机理。 研 究认为， 煤与瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、 构造应力场、 构造 煤和煤层瓦斯 4 因素组成，其综合作用控制着地质构造带煤与瓦斯突出， 并存在粘滑失稳现象； 煤岩体破裂产生的电磁波在一定频率范围内能够被 煤与甲烷吸附伴生分子体系以

18、量子化形式吸收， 采掘等活动导致分子体系 由基态变为激发态， 使得瓦斯由吸附态脱附变为游离态， 形成大量的游离 态瓦斯， 在弱面发生煤与瓦斯突出； 突出是煤与瓦斯承压散体失控， 导出 了散体动量方程和运动突变势函数， 并利用尖点突变模型对突出的启动和 终止进行系统定性分析，找出影响突出的因素。k. 研究了利用三维地震勘探探测瓦斯突出危险带的技术。通过定量评定 断层破坏和褶皱变形程度划分瓦斯突出危险带， 并通过分析测井曲线特征 区分煤层气富集区和煤矿瓦斯突出灾害区。 随着煤与瓦斯突出机理研究的 逐步深入， 对煤与瓦斯突出发生的原因、 条件、过程和能量认识也逐步深 入。但目前仍对突出的一些细节缺乏全面了解， 还基本停留在定性解释和 近似定量计算阶段，没有形成统一的完整理论体系。地应力、瓦斯、煤 的物理力学性质是影响突出的 3 个方面，而每个方面又受很多因素作用。且突出是一个动态的时空演变的过程， 从而决定了煤与瓦斯突出机理研究 的困难性。这主要有以下方面研究不足：a. 现有的研究往往从地应力、瓦斯、煤的物理力学