最新煤与瓦斯突出机理

1、煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出机理 煤与瓦斯突出机理研究概况煤与瓦斯突出机理研究概况 煤与瓦斯突出给煤矿安全生产，特别是井下人员的生命财产安全造成了极其严重的威胁。为了防止这类灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生产世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出机理以便为突出危险性预测和防突措施的制定与实施提供科学依据。但是，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在定性与假说性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其它因素间的作用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。 目前这些关于煤与瓦斯突出机理的假说归纳起来主要有如下

2、几类：归纳起来主要有如下几类：单因素作用假说 单因素作用假说主要有：瓦斯主导作用假说，地压主导作用假说以及化学本质作用假说，其主要特点是强调单因素起主导作用。 1)瓦斯主导作用假说：以瓦斯为主导作用的假说。主要有“瓦斯包说 前苏联的比1i沙留金和英国的r威廉姆等提倡的“瓦斯包学说认为，煤层内存在着可以积聚高压瓦斯的空洞，其压力超过煤层强度减低区的煤体强度极限，当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁就会发生破坏，产生突出。 (2)粉煤带说 前苏联的几比贝可夫、德国的m鲁夫、英国的h布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤带说认为，由于地质构造或矿山压力的作用，原生煤层被破碎成粉状这些粉煤极易放出瓦斯。当巷道

3、接近这一地带时，粉煤在较小的瓦斯压力作用下，就能与瓦斯一起喷出。 (3)煤孔隙结构不均匀说 前苏联的pm克里切夫斯基等人提出了这一假说，这一假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。如透气性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，瓦斯潜能就有可能使煤突出。 (4)突出波说 前苏联的c儿赫里斯基阿诺维奇提倡的这一假说认为，瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大十倍左右，在煤的强度低的地区，煤的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度。当巷道接近这一地区时，在瓦斯压力的作用下，可产生连续的破碎煤体的突出波，引起突出。 (5)裂缝堵塞说 前苏联的h

4、l1阿莫索夫提倡这一假说，他认为由于均匀排放瓦斯的裂缝被封闭和堵塞，在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 前苏联的儿比合尔巴尼提出了这一假说，他认为：近工作面地带，由于煤吸收和解吸瓦斯的周期性，使其机械强度降低，包含在闭合孔隙中的瓦斯、在孔隙闭合面与敞开面之间产生了很大的压力差。当煤体被破坏时，使被解吸的瓦斯抛向巷道。 (7)瓦斯膨胀说 前苏联的bll尼柯林等人提倡这一假说，他们认为在煤层中存在着瓦斯含量增高带因而引起煤体膨胀和煤层应力增高，此处煤层的透气性接近于零。当巷道掘进到该处时，其应力急剧降低，造成煤的破碎和突出 (8)卸压瓦斯说 前苏联的gk里热夫斯

5、基提出的这一假说认为突出煤层富含瓦斯，但透气性低瓦斯难以流出。而采掘工作可使局部卸压，迅速卸压的瓦斯涌向煤壁、造成煤壁局部瓦斯压力升高，使粉碎的煤迅速抛出或向巷道挤出。 (9)火山瓦斯说 日本的栗原一雄提倡这一假说，他认为，瓦斯突出的动力来源于煤层中的游离瓦斯，突出时瓦斯压力能达到一千几百个大气压。由于火山的活动、煤受到了二次热力变质，产生瓦斯和热流体带来的岩浆瓦斯，从而在煤层内，待别是在断层内，形成高压瓦斯区，当进入这一地区进行采掘作业时，即能引起突出。 (10)地质破坏带说 日本的兵库倍一郎提倡的这一假说认为，由于有地质破坏带的存在，潜藏着一定数量的高压瓦斯。当巷道或工作面接近该带时，在爆

6、破及地压的影响下，煤、岩壁裂缝增多如覆盖层的阻力与瓦斯压力的平衡遭到破坏时，将会发生突出。它的中心点在于：由于地质破坏带的存在，增加了周围岩体的异常拱压，当工作面接近这一破坏带时、工作面与地质破坏带之间的煤层会被迅速破坏从而引起突出。 (11)瓦斯解吸说 原民主德国的k克歇尔倡导这一假说、他认为，卸压时煤的微孔隙扩展、孔隙吸附潜能降低，吸附和吸着瓦斯解吸潜伏的压力(吸附瓦斯的内能)转化为“游离瓦斯”压力，使瓦斯压力增高，可破坏不坚硬的煤体而引起突出。 瓦斯说能解释突出中的一些现象、但与下面一些情况不符或不能解释： 迄今为止在煤层内从未发现过上述的“瓦斯包”或持定的粉煤带， 人们在后来的实践中统

7、计的资料表明：突出危险性与煤层瓦斯含量之间没有直接的联系； 在突出孔洞周围出现过重复突出 .岩石错动的强烈声响往往发生在突出之前的煤体深处 .打小直径徘放钻孔，并不能有效地防治突出； .突出地点煤和岩石的温度升高，抛出的煤体温度也有 .煤层的自行揭开； .过煤门时的突出； .突出孔洞发生变形(体积缩小)； .大多数平巷的突出空洞位于上隅角。地压主导作用假说： 以地压为主导作用的假说。主要有： （1） 岩石变形潜能说 前苏联的11m别楚克和d1阿尔沙瓦、法国的莫连、加拿大的伊格拿季叶夫及日本的外尾善次郎提倡这一假说，他们认为突出的发生是变形的弹性岩石所积聚的潜能引起的这些岩石位于煤层周围，而这种

8、潜能是以往的地质构造运动造成的。当巷道掘到该处时，弹性岩石便像弹笛一样伸张开来，从而破坏和粉碎煤体而引起突出， (2)应力集中说 前苏联的d1l别和1m卡尔波夫提倡这一假说他们认为在采煤工作面前方的支撑压力带，由于厚弹性顶板的悬顶和突然沉降引起附加应力、煤体在此集中应力的作用下产生移动相遇到破坏。如果再施加动载荷，煤体就会冲破工作面煤壁而发生突出。煤突出时伴随有大量的瓦斯涌出。 (3)塑性变形说 前苏联的ab瓦尔琴等提倡这一假说，他们认为下，突出煤层发生弹塑性交形，使巷道周围煤体突然破碎，引起突出。 (4)冲击式移近说 前苏联的儿a包利生科倡导这一假说，他认为，在突出中起主导作用的是地压，具体

9、地说是顶底板的冲击式移近。冲击式移近发生的可能性和大小取决于岩体的性质、巷道参数、掘进方式和速度。其条件是：第一、煤层紧张程度增大；第二，煤层边缘有脆性破坏；第三，从破坏的煤中涌出的瓦斯有一定的压力。 (5)拉应力波说 前苏联的51l梅德维杰夫提倡这一假说，他认为，突出煤层的力量是拉应力波。而这个拉应力波是脆性材料在地压的作用下储蓄了大量的弹性能当巷道工作面附近的煤体由三向受压状态转为复杂应力状态时掘进工作面破坏了平衡，造成能量释放而产生突出的。在拉应力波作用下煤体破碎并抛出，而瓦斯的迅速排放又使动力效应更加猛烈。 (6)应力叠加说 日本的矢野贞三提倡这一假说、他认为，突出是由于地质构造应力、

10、火山与岩浆活动的热力变形应力、自重应力、采掘应力和放顶动压等叠加而引起的。突出危险煤层具有持殊的“分支性裂隙”的显微结构。 (7)放炮突出说 日本桥本清等提倡这一假说，他们认为大多数瓦斯突出(包括冲击地压)主要是由于爆破的应力作用而造成的。他们认为：如果突出是由地压引起的话那么采煤工作面应该比巷道突出次数多，但事实与此相反。 (8)顶板位移不均匀说 日友的小田仁平次等提倡这一假说，他们认为，瓦斯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。并指出顶底板移近速度值增加又下降后，才发生突出。 以地压为主导作用的假说同样也能解释相当一部分突出现场的现象、但也还有许多观象不能解释，如：

11、1. 在瓦斯不大的矿井，即使开采深度很深(400一500 m)，也不会发生突出。 2. 二氧化碳参与突出的平均强度比甲烷参与突出的平均强度大。 3. 突出前出现风流中的瓦斯浓度增大或忽大忽小的预兆，也出现工作面煤壁或空气温度下降的预兆。 4. 煤与瓦斯突出时，从突出煤的分选现象中可见到大量的细尘状粉煤。 5. 如果突出的发生是由地压引起的，那么突出的孔洞应该是圆锥形，而实际的突出孔洞常常是一些口小腔大特殊形状的孔洞(如梨形、椭球形)。 6. 在一些特大型的突出中，每吨喷出煤的瓦斯涌出量比煤层瓦斯含量高得多即可以在短时间内涌出数十万以致上百万立方米瓦斯气体逆风流运行并可充满数干米的巷道。 7.

12、准备巷道中地压显现不如回采巷道明显，但准备巷道的突出次数与强度均比回采巷道工作面的大。 8. 在乎巷及下山也发生突出。 9. 在进行工作面支护甚至无人作业时，地压作用并不大，也有突出发生。 10. 当增加煤体水分降低煤体强度时，煤的突出危险性反而降低。化学本质作用假说： 以化学本质为作用的假说。主要有： 1. 瓦斯水化物说 前苏联的bt巴利维列夫、阳y马何贡和1卜克留金等提出了这一假说，他们认为在某些地质构造活动区，在一定的温度压力下，有可能生成瓦斯水化物(ch4 6h20)，并以介稳状态保存在煤层和岩石渗透孔隙内，它具有很大的潜能受到采掘工作影响后即迅速分解形成高压瓦斯(可达数百个大气压)，

13、破坏煤体而造成突出。 2. 地球化学说 前苏联的儿m库兹聂左夫提出这一假说，他认为瓦斯突出现象是煤层中不断进行的地球化学过程煤层中的氧化还原过程。由于活性氧及放射性气体的存在而加剧、生成一些活性中间物，导致高压瓦斯的形成。中间产物和煤中有机物的相互作用，使煤分子遭到破坏。 (3)硝基化合物说 前苏联的b b萨夫琴柯等提倡这一假说，他们认为：突出煤中积蓄有硝基化合物，只要有不大的活化能量(如活动着的岩石应力不均匀、瓦斯压力等)就能产生热反应。当其热量超过分子的话化能时，反应将自发地加速 发生突出。 化学本质说没有得到多大的支持和拥护，其原因是迄今为止在矿井中尚未发现瓦斯的水化物的实物。综合作用假

14、说 综合作用假说认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果，但对各种因素在突出中所起的作用却说法不一。例如，法国学者入伯兰等认为瓦斯因素是主要的；而前苏联学者b比霍多持、日本学者肌部俊郎等许多学者则认为地应力是主要的，即地应力是发动突出、发展突出的主要因素，瓦斯是帮助突出发展的因素。 目前，具有代表性的综合作用假说主要有： (1)振动说 前苏联的儿mo克利奥鲁奇科认为，煤与瓦斯突出的形成不是一个单独的过程，而是由围岩对煤层的振动作用有关的三个连续阶段组成的：第一阶段煤受到来自围岩方

15、面的压力作用而破坏，煤的体积缩小，游离瓦斯压力增大，并有一部分转化为吸附瓦斯；第二阶段、卸压，煤层体积膨胀，瓦斯压力降低，瓦斯解吸；第三阶段，包含粉碎的煤和大量的游离瓦斯的煤层又再次受压，瓦斯压力再次增大。当巷道工作面接近上述破坏带时。处于高压的粉煤和瓦斯混合物就有可能冲破煤壁而发生突出。因此该假说认为：瓦斯是造成突出的主体。而煤粉碎、瓦斯解吸和瓦斯粉煤混合物的喷出所需的能量是由煤层的围岩通过振动来传递的。 (2)分层分离说 前苏联的1lm被图霍夫等人认为突出是由地应力和瓦斯共同作用的结果突出过程分三个阶段： 准备阶段。工作面附近的煤层始终处于地应力的作用下，造成了发生突出的条件、增加了瓦斯向

16、巷道方向渗透的阻力，促使煤层保持高的瓦斯压力，煤体强度降低，煤校易于从煤体中分离。 颗粒分离波的传播阶段。突出时，颗粒的分离过程是一层一层进行的。当突出危险带表面急剧暴露时由于瓦斯压力梯度作用使分层承受拉力，当拉力大于分层强度时、即发生分层从煤体上的分离。分层分离是一切突出的重要组成部分，影响着突出的主要待征，但并没有全面反映突出过程的多种形式。例如，分层分离波统过部分的压碎带，通常决定于地压作用，伴随声响激发此时暴露面上约分层分离。突出常常是重复的破坏组合一部分是瓦斯参与下的分层分离而破坏，另一部分是地应力破坏。在急倾斜煤层的某些部分，则在自身的重力作用下分离。 瓦斯和颗粒混合物的运动阶段。

17、从煤体分离的煤颗粒和瓦斯急速冲向巷道随着混合物运动，瓦斯进一步膨胀，速度继续加快。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过破坏条件时，过程才停止。 (3)破坏区说 日本的矾部俊郎等人认为、典型的冲击地压是由于集中应力所造成的破坏现象，而典型的瓦斯突出是瓦斯作用的结果。介于二者之间的现象称为冲击地压式突出，或叫做突出式的冲击地压。它是瓦斯压力和地应力共同作用的结果。他们认为：不论是突出还是冲击地压，首先必须破坏煤体。而煤体的破坏过程是一致的在不均质的煤内各点的强度不同，在高压力的作用下，由强度最低的点先发生破坏，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，就会被破坏成

18、破坏区。在这种破坏区中，煤的强度显著下降，变成弱应力区。 此区内的吸附瓦斯由于煤体破坏时释放的弹性能供给热量而解吸、煤粒子间的瓦斯使煤的内摩擦力下降，变成易于流动的状态。当这种粉碎的煤流喷射出时，便形成了突出。 (4)游离瓦斯压力说 法国的j耿代尔等认为，突出是煤质、地应力、瓦斯压力综合作用的结果、但瓦斯因素是主要的，煤体内游离瓦斯压力是发动突出的主要力量，解吸的瓦斯仅参与突出煤的搬运过程。如果工作面在突出危险区是逐渐推进的，那么工作面前方煤体处于匀速动态的状态；如果工作面前方的过载应力区的围岩突然变化将出现加速的动态而突出。 有利的突出条件是：煤的结构紊乱，瓦斯压力高，煤和固岩的应力大。 上

19、述的综合假说比前面的单向因素的假说大大进了一步，它们能解释的突出现象也比其它各种单项因素的假说多。但是，还有其它一些突出现象不能解释、如： 突出的区域性分布； 石门的自行揭开； 过煤门时的大强度突出； 震动放炮揭开煤层时的延期突出； 突出时瓦斯喷出量超过煤层的瓦斯含量几十倍甚至几百倍。 60年代，前苏联的d比舀多特在前人研究的基础上，通过大量的实验室实验。从能量的角度出发用数学分析的方法计算了煤层的变形潜能、围岩的动能、瓦斯的内能以及造成突出所需要的动能。提出了能量“假说”。他对突出的解释为煤层应力状态突然改变相煤体内的各种潜能突然释放所引起煤层的高速破碎。他对突出全过程的解释是当煤体由一种应

20、力状态迅速转向另一种应力状态时，煤的变形跟不上应力的变化在岩石对煤层的直接破碎的同时，增添了弹性恢复所引起的破碎和移动功、使破碎煤的孔隙串增加，瓦斯压力作用的面积增大。当煤相当破碎且煤的瓦斯含量足够大时，瓦斯涌出的速度急剧增大，形成瓦斯流把已粉碎的煤带入巷道。他认为：煤体的破碎是由弹性潜能释放引起的，瓦斯在煤体破碎后才得以释放、释放的瓦斯能只参与了突出的发展过程。 与霍多持同一时期的还有前苏联的mbl包布夫，他在进行了大量的现场观测的基础上提出了“应力分布不均匀”说，他认为，在突出危险煤层的围岩中，由于地质构造应力约作用，造成了煤体深部应力不均匀，由此使围岩产生不均匀的移动。在突出发生前，围岩

21、的移动发生“停滞”，使工作面附近的媒体处于一种不稳定的状态，其特点是起保护层作用的压出带尺寸大大减少压缩带缺失，离工作面不远处的煤体就具有较高的稳定的瓦斯压力。当工作面受机械作用破坏了不稳定平衡时，岩石产生移动和伸直，引起突出。包布洛夫认为：突出的首要原因是围岩应力的释放。 霍多持与包布洛夫两人在60年代的工作把瓦斯突出帆理的研究推向了一个新的阶段他们从实验室试验到现场观测都进行了大量细致的工作，得出了一些有价值的具有普遍意义的观点和论断，直到目前这些观点相论断仍然对瓦斯突出的防治具有指导作用。但是需要指出的是，霍多特与包布格夫对瓦斯突出机理的研究也还是处于经验的摸索阶段，这从他们的研究方法和

22、实验过程中可以看出来。他们确定了地应力在发动突出时的作用，但对瓦斯在突出中的作用，突出过程中的阶段划分等细节问题说明的还比较粗略。对过煤门时的大强度突出、突出时瓦斯喷出量远超过煤层瓦斯含量及延期突出现象同样也不能解释。 进入80年代，突出机理的研究有了新的发展。包尔申斯基等测得孔隙压力增长可使得煤样拉伸变形增加。郑哲敏就我国特大型突出实例所做的能量分析表明突出煤层中瓦斯内能要比煤体的弹性潜能大一至三个量级。氏平增之通过实验发现瓦斯压力梯度是导致煤体检应变增高从而破坏的直接原因，而后他又首次用有限元方法分析了突然暴露面附近的有效应力场、证明瓦斯压力梯度增大可引起有效拉应力增加。丁晓良进行了煤在瓦

23、斯渗流作用下的破坏与持续扩展的研究，认为突出的发生是煤体的破坏与瓦斯渗流藕合的结果。俞善炳首次建立了煤层暴露面外气固两相各以不同速度作一维运动，相间有质量输运的气相质量守恒与动量守恒方程。何学秋进行了煤与瓦斯突出过程的流变学研究，提出了煤与瓦斯突出的流变假说，用该假说解释了延期性突出问题。蒋承林通过对石门揭穿含瓦斯煤层时煤体破坏现象的实验研究、提出了煤与瓦斯突出的球壳失稳作用假说。 由于煤与瓦斯突出是极其复杂的动力现象，故而对突出机理的认识目前仍然处于定性综合作用假说阶段，即煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果，是聚集在围岩和煤体中大量潜能的高速释放，并认为高压瓦斯在

24、突出的发展过程中起决定性的作用地应力是激发突出的因素，而煤的物理力学性质则是阻碍突出的因素突出的发展过程及各因素的作用 突出的发展过程 突出煤体经历着能量的积聚过程，使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态。突出的发展过程一般可划分为四个阶段，即： (1)准备阶段 该阶段的特点是：在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。即在有利的约束条件(石门岩柱，煤巷的硬煤包裹体)下，煤内地应力梯度急剧增高，能够叠加着各种地应力，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也增大。在这个阶段，会显现多种有声的与无声的突出预兆。准备阶段的时间可在很大范围

25、内变化，也可在几秒钟内完成(如在震动放炮或顶板动能冲击条件下)。 (2)激发阶段 该阶段的特点是地应力状态突然改变，即极限应力状态的部分煤体突然破坏，卸载(卸压)并发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始成大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。大量的突出实例表明，工作面的多种作业都可以引起应力状态的突变而激发突出。例如各种方式的落煤、打眼、刨柱窝、修整工作面煤壁等都可以人为激发突出，而且统计表明，应力状态变化越剧烈，突出的强度越大。因此，震动放炮、一般爆破是容易引发突出的工序 (3)发展阶段 该阶段具有两个互相关联

26、的特点，一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体，二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。前者是在地应力与瓦斯压力共同作用下完的，后者主要是瓦斯内能作功的过程。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸的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着决定作用。在该阶段中煤的剥离与破碎不仅具有脉冲的特征而且有时是客轮回的过程。这可以从突出物的多轮回堆积特征中得到证实，也可以从突出过程实测记录中找到依据。图431是顿巴斯“红十月”矿m：煤层采煤工作面一次突出的震动波图与突出孔的形成过程。突出发生在倒台阶工作面的一个隅角、这次突出由四个轮回组成。如果认为备轮的破碎煤

27、量与该轮的震动波持续时间成正比、则四个轮回的持续时间依次为28s、64s、50s28s，则各轮的破碎煤量相应为7t、15t、11t和7t，各轮回之间的间歇时间为o一5s。造成脉冲与轮回性的原因主要是地应力、瓦斯压力与煤的强度的不均匀分布等所致。连续剥离并破碎煤体以及突出7l周围的卸压瓦斯流是产生瓦斯风暴的前提而瓦斯风暴连续不断地把破碎的煤及时运走，是使剥离与破碎煤体连续向内部发展的必要条件，因为这样才能使突出孔壁近处煤体保挎着一个较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度。 4)终止阶段 突出的终止有以下两种情况：一是在剥离和破碎媒体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低不足以破坏煤体；二是突出孔

28、道被堵塞其孔壁由突出物支撑建立起新的供平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高、地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离和破碎煤体。但是，这时突出虽然停止了，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当长时间。突出发展过程中各因素的作用突出发展过程中各因素的作用 地应力、瓦斯压力和煤强度在突出过程中各个阶段所起的作用可以是不同的在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力(包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等)。因为地应力的大小，通常比瓦斯压力高几倍；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭

29、是靠瓦斯内能。根据对若干典型突出实例的统计数据进行计算。在突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高36借以上。压出和倾出时煤体的最初破碎的主导力也是地应力。这种煤处于约束状态时可以储存较高的能量，并使透气性锐减形成危险的瓦斯压力梯度；而当处于表面状态时，它极易破坏粉碎，放散瓦斯的初速度高、释放能量的功率大因此当应力状态突然改变或者从约束状态突然变为表面状态时容易激发突出。 地应力在突出过程中的主要作用有三：一是激发突出；二是在发展阶段中与瓦斯压力梯度联合作用对煤体进行剥离、破碎；三是影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙、控制着瓦斯的流动、卸压瓦斯流和瓦斯解吸过程，当煤体突然破坏时，伴随

30、着卸压过程、新旧裂隙系统连通起来并处于开放状态，顿时显现卸压流动效应，形成可以携带破碎煤的有压头的膨胀瓦斯风暴。 瓦斯在突出过程中的主要作用有三：一是在某些场合，当能形成高瓦斯压力梯度(例如2mpacm)时，瓦斯可独立激发突出，在自然条件下，由于有地应力配合可以不需要这样高的瓦斯压力梯度就可以激发突出；二是发展与实现突出的主要因素。在突出的发展阶段中、瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向探部传播；三是膨胀着的具有压头的瓦斯风暴不断地把破碎的煤运走、加以粉碎，并使新暴露的突出孔壁附近保持着较高的地应力梯度与瓦斯压力梯度为连续别离煤体准备好必要条件。就这个意义上说突出的发展或终止将取决于

31、破碎煤炭被运出突出孔的程度，及时而流畅的运走突出物会促进突出的发展、反之突出孔被堵塞时，突出孔壁的瓦斯压力梯度骤降，可以阻止突出的发展以致使突出停止下来。 煤巷卸压带对煤与瓦斯突出的煤巷卸压带对煤与瓦斯突出的作用机理作用机理 实践表明：煤与瓦斯突出和工作面前方卸压区的大小有关，一般情况下，当卸压区缩短、且煤面附近存在高压瓦斯时，就会引起突出。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤强度三者相互作用的结果。而实际上，在矿井中并不是只要满足地应力、瓦斯和煤强度三者的关系就会发生出倘若高的地应力、瓦斯压力和低的煤强度所处位置远离采掘工作面，则理所当然就不会引起突出。反之，在采掘工作面附近，就会引起突出也就是说

32、都工作面前方的卸压区有关。煤体作为连续性介质的条件煤体作为连续性介质的条件 物质是有结构的，结构体间联结本质决定着物质的物理力学性质。通常把结构体间直接由分子引力或离子引力联结起来的物质视为连续质，这种物质变形前是连续的，变形过程中仍然保持为连续。但是，对煤体而言，上述假设很难无条件成立，其原因为： 大多数煤(岩)体都存在裂隙。 组成煤(岩)体的基本结构单元间的联结强度较低，在不太大的应力作用下即可遭到破坏，即使变形前是连续的，变形过程中往往就变为不连续的。 物体连续性的重要标志之一是，其泊松比小于0.5，而煤(岩)体的泊松比有的大于0.5，这明这类煤(岩)体是不连续的。巷道煤层区域中应力分布

33、巷道煤层区域中应力分布状态及其划分状态及其划分 煤矿井下来矿作业破坏了原始地层的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采掘空间形成的较短时间内，首先在采掘空间界面附近形成较高的集中应力(又称支承压力)，当集中应力值达到媒体的强度极限后该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部传播，经过一定时问后，形成卸压区(应力松弛区)、应力集中区和原始应力区、如图432所示，在这三个区中，媒体所受应力和变形性质各有差异。图4-3-2 (1)卸压区：由于集中应力(或支承压力)的用，使煤体边缘首先被压酥，形成裂隙，造成煤体强度显著降低，只能承受低于原岩应力的载荷，故称之为卸压区(或应力降低区

34、)如图432所示。由于煤体被压酥使集中应力的作用点向煤体深部转移。据1956年原苏联矿业研究所的资料，卸压区的宽度为3m左右。我国研究人员研究表明：卸压区的宽度可变化在25之间，主要与集中应力的大小、煤层采高和煤层软硬有关。一般认为，集中应力越大、煤层厚和煤质软，则卸压区的宽度也越大。 (2)集中应力区：集中应力区又可分为塑性变形区和弹性变形区。如图432中x0x1为塑性变形区，在这一区域，由于煤层与顶底板之间摩棕力逐渐增加，使煤体所受的水平挤压力增大此时，煤体受力状态为双向乃至三向受力状态，其强度增大。所受压力逐渐增高直至集中应力峰值。理论和实践表明；塑性区宽度大小取决于煤层开采深度、煤层厚

35、度、煤层性质及其顶底板岩性等*从峰值应力再深向煤体，集中应力随着远离煤壁而逐渐衰减，该阶段煤体由于所受应力未达到屈服值，媒体基本上处于弹性变形段，故而称之为弹性变形区。 (3)原始应力区；该阶段煤体由于远离采掘空间，不受采动压力的影响，故而，煤体所受应力仍处于原岩应力状态。 综上所述，由于塑性区和卸压区中的煤体经受了峰值应力的作用，超过了煤体的最大承载能力，在这一区域内的煤体处于极限应力状态。而处于极限应力状态的煤体通常只能承担一部分策中应力，在大多数情况下紧靠采掘空间的卸压区中的煤体甚至连集中应力区以外，一般的原岩应力也担负不了，而只能担负低于原岩应力的部分。在含瓦斯煤休中极限状态区媒体中的

36、应力状态、瓦斯量大小，尤其是卸压区的长短及其承载能力，对煤与瓦斯突出有很大影响。实践表明：倘若在采掘工作面前方始终存在一定宽度的卸压区，则不会发生突出现象；否则，就容易发生煤与瓦斯突出现象。 极限平衡区中煤层界面的应力分布极限平衡区中煤层界面的应力分布状态及其分析状态及其分析 煤层巷道开挖以后，巷道周围附近围岩应力、瓦斯压力将重新分布，煤体边缘部分将首先遭到破坏，产生卸压，并逐渐向深部扩展，形成卸压区、应力集中区和原始应力区。在正常情况下可以认为卸压区和集中应力区的塑性变形区中的煤体应力处于极限平衡状态。由于煤体的泊松比大于其顶底板岩石（软煤分层的泊松比也大于硬煤分层)，加之煤层与顶底板的交界

37、面(简称煤层界面)处，由于岩性变化而造成强度削弱，因而，此处煤体的粘聚力和内摩擦角比煤体内部的粘聚力和内摩擦角低(煤层内存在软弱分层除外)。所以在不合瓦斯的煤层中，巷道开挖以后，煤层界面或软弱夹层处将首先出现塑性交形和破坏，应力极限平衡区中的煤体员容易从顶底板岩石间或软届夹层处挤出并在煤层界面上伴随有剪应力xy产生，煤体中应力分布状态如图432所示。为了便于讨论，持作如下假设： (1)在应力极限平衡区内，煤体为均质，且各向同性，满足连续介质条件。 (2)煤层界面的正应力和剪应力随着距巷道周边距离的增加而增加，直到峰值应力处它的值等于应力集中区的最高应力. 现场实践表明：富含瓦斯的煤体往往表现为

38、较为酥松，就是由于煤体吸附瓦斯后其内聚力、摩擦因数、抗剪强度大大降低而造成的，而瓦斯排放后，能使煤体强度提高、也正是由于其内聚力、摩擦因数相抗剪强度在瓦斯排放后得到提高而造成的。此外，从莫尔强度理论也能较好地解释这一现象，煤体吸附瓦斯后其莫尔因的变化情况如图433所示，由于吸附瓦斯后，在孔隙瓦斯压力的作用下，使煤体强度降低，莫尔圆向右移动变为莫尔圆2，莫尔圆右移，则意味着接近破坏包络线，煤体强度降低，瓦斯压力越高，则莫尔固有移量越多，煤体强度降低量越大越容易受到破坏。 瓦斯在突出过程中的作用之二是:瓦斯压力作为一种应力施加于媒体的推动作用，这种作用主要有两个方面：其一是孔隙瓦斯压力对孔内壁的推

39、力，促使孔隙周围形成拉应力区，这种作用在靠近工作面时尤其明显；其二是裂隙中的游离瓦斯对裂隙面的推力，裂隙面越大，瓦斯压力作用面也越大。 瓦斯在突出过程中的作用之三是:瓦斯对煤体的进一步破碎作用和搬运作用，这种作用类似于“爆米花”现象，即，当富含瓦斯的煤体(瓦斯压力较高时),在外界压力突然降低时，必然使煤体内的瓦斯快速向外释放，从而造成煤体的破碎并且，由于压力梯度的作用，产生一定的作用力搬运煤体。 因此、可以认为，根据瓦斯因素进行预测煤与瓦斯突出是否发生时，应偏重于瓦斯压力至于煤钻屑的瓦斯解吸指标、瓦斯放散初速度等指标，似乎并没有反映煤体强度降低和破坏的物理质，因此在预测突出是否发生时可暂不考虑

40、，但是在预测突出强度时，则仍有必要加以考虑。卸压区煤体的核定性分析卸压区煤体的核定性分析及其安全宽度的确定及其安全宽度的确定 1. 卸压区煤体的破坏判断1)卸压区煤体的破坏判断 实验表明：在一定的围压作用下，煤体的破裂多数为剪破裂，甚至对于某些煤块，在单向压缩情况下，其破裂形式也表现为剪破裂。因此，我们假定在卸压区中煤体的破裂为剪破裂，物理判断可用库仑一纳维条件表示， 煤与瓦斯突出不仅取决于地皮力、瓦斯压力和煤体强度，同时还和卸压区的长短有关。当卸压区长度x0一定时，地应力y、瓦斯压力p越大，则突出的危险性就越大；反之当地应力y 、瓦斯压力p一定时、卸压区长度x0越小，则越容易满足上式，突出危

41、险性就越大。这种情况说明：在同样的地应力、瓦斯压力和煤强度状态下为什么有些地方会发生突出，而在另一些地方则不会发生突出，其原因就在于和该处煤体卸压区的长短有关。而现行的许多防突措施加深孔松动爆破、钻孔瓦斯排放等，能实现防突的主要原因就在于通过采取措施后，加大了卸压区的范围，使不能满足，从而达到防止煤与瓦斯突出的目的。 因此，可以认为，工作面前方的卸压区尤如一堵保护屏障，该屏障越薄，即瓦斯压力梯度越大，则屏障被破坏而引起突出的可能性就越大。根据原苏联马凯耶夫煤矿安全研究所在顿巴斯矿区有关矿井的煤层乎巷工作面实际观测资料表明： 工作面前方煤体可分为如下几个带， 即： 挤出带(卸压区)；此处观察到瓦

42、斯压力下降， 带长3m一10 m。 压缩带(应力集中区)；此处瓦斯压力升高、带长4m一10 m。 末扰动煤体带(原始应力区)：此处瓦斯压力保持原始应力值。 在不引起突出的震动放炮后、大多数情况下都可见到这三个带，在发生突出之前震动放炮时、大多数情况下，瓦斯压力保持不变，挤出带和压缩带不明显。而在引起突出的震动放炮后，煤体中重新出现这三个带，并且带的尺寸略有增加。在突出发生之前震动放炮时之所以挤出带和压缩带不明显我们认为实际上是挤出带大大缩短，使集中应力区造成的压缩带越接近工作面，保护屏障越薄，因此，在受到外力作用(震动放炮)时，就容易被破坏而形成突出。 在一些突出实例中突出有准备时间，即在煤体

43、变形和瓦斯压力变化后隔一段时间、才发生煤的抛出，而在另一些实例中，间隔时间则极短，基本上可以看作没有准备时间。这种情况我们认为与煤体卸压区的大小有关，有些突出由于卸压区相对较长冲破这层阻挡层需要一定的时间，故而产生延期现象，而有些突出则由于卸压区相对较短，或者基本上没有。故而突出的间隔时间极短，而通常所说的应力异常现象，实际上也和卸压区的范围大小密切相关。实践表明：对于比较强烈的突出而言，其地应力、瓦斯压力也往往比较高，煤体所受应力较大，而卸压区的大小和煤体所受应力有一定的关系，因而工作面前方卸压区的范围也可能较大，冲破这层阻挡层所需要的时间就可能相对较长。总而言之，突出的准备阶段，我们认为实

44、际上是煤体内部应力和瓦斯压力冲破卸压区的阶段，当煤体内应力和瓦斯压力一定时，卸压区越大，则突出的准备时间就越长，即突出的延期时间就可能越长；反之、则可能越短；当卸压区的宽度达到一定值时，即大于等于卸压区的安全宽度时则突出就不会发生。 综上所述，煤与瓦斯突出和工作面前方卸压区的大小有直接的关系，卸压区的大小决定了煤体中储存的弹性潜能和瓦斯内能是否能够得到释放，突出是否能够形成。一般情况下、卸压区越薄，则集中应力区最大值越接近工作面，瓦斯压力梯度越大，卸压区被冲破而形成突出的可能性就越大；煤与瓦斯突出预测所要做的工作实际上就是采用一定的手段检测工作面前方一定范围内是否存在高压瓦斯源和应力集中，卸压

45、区的范围是否足以阻止突出的发生档卸压区的范围足够大时，即使工作面前方存在高压瓦斯和急剧的应力集中，突出也不可能形成；反之，卸压区范围越小，则保护屏障就越薄，突出就越容易形成、而现行的许多贫突措施如深孔松动爆破、开卸压榴等，就是以扩大卸压区的范围来实现防止突出的目的。煤与瓦斯突出危险性预测煤与瓦斯突出危险性预测 矿井中的煤与瓦斯突出是带有区域性分布的，即突出往往仅仅发生在个别区域这个区或的面积一般仅占整个井田面积的10左右。为了保证矿井安全生产、提高矿井生产效益。才突出危险程度不同的区域应采取不同的措施。为了划分出突出危险程度不同的区域就需要进行突出危险性预测。因此，突出危险性预测的主要作用在于

46、： (1)为采取合理的防灾措施提供科学依据，减少防突措施的工程量和时间提高采掘速度改善矿井安全技术经济指标。 (2)为在突出危险区域内采取有效的防突措施提供保证与条件，主动及时采取措施。以保证安全生产和计划约完成。 煤与瓦斯突出是极其复杂的动力现象，要做到正确有效地预测煤与瓦斯突出 必须了解以下几点： 巷道周围煤层中瓦斯的赋存状态，煤体所受的应力状态；突出形成过程围岩体力学的相互作用及突出本身的力学作用和表现形式。 目前煤与瓦斯突出危险性预测主要可分为两类即：区域性预测和工作面预测。前者的任务是确定矿井、煤层和煤层区域的突出危险性；后者纳任务则是在前者预测的基础上时预测局部地点、即采掘工作面的

47、突出危险性。区域性突出危险性预测区域性突出危险性预测 区域性突出危险性预测是在地质勘探、新井建设、新水平和采区开拓时进行。在井田地质报告中，地质勘探单位必须了解井田的瓦斯地质条件、提供确定煤层突出危险性的基础资料。基础资料应包括煤层厚度及其稳定性、煤的结构破坏类型及工业分析。煤层围岩的性质及厚度、地质构造、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、煤的瓦斯放散韧速度指标、煤的坚固性系数、水文地质情况和火成岩侵入形态及分布等。生产矿井的地测部门与通风部门应共同编制矿井瓦斯地质图屈中应标明地质构造、采掘进度、煤层赋存条件、突出点的位置和强度以及上述瓦斯基础参数等资料。这些是进行突出区域预测的基础。区域突出危险性

48、预测有以下几种方法。单项指标法 采用该法时，各种指标的突出危险临界值，应根据矿区实测资料确定，无实测数据时，可参考表441所列数据，表441中煤的破坏类型可参考表442所列特征进行确定。表443为我国某些矿井煤层在始突深度煤层的瓦斯压力和瓦斯含量值。由表443可以看出各煤层始突深度的瓦斯压力皆大于0.74mpa，煤层瓦斯含量皆大于10m3/t可燃物。因此，上述两指标值可作为区域预测突出危险性的参考。小于上述指标值时，煤层无突出危险；等于或大于上述指标值时，有发生突出的可能。 瓦斯地质统计法 该法的实质是根据已开采区域突出点分布与地质构造(包括褶曲、断层、煤层赋存条件变化、火成岩侵入等)的关系，

49、然后结合未来区的地质构造条件来大致预测突出可能发生的范围。不同矿区控制突出的地质构造因素是不同的，某些矿区的突出主要受断层控制另一些矿区则主要受褶曲或煤层厚度变化控制。因此，各矿区可根据已采区域主要控制突出的地质构造因素，来预测未采区域的突出危险性。 在矿区突出主要受断层控制时可根据已采区突出点距断层的最远匪禽线来划定该断层延伸部分未采区的突出危险范围。工作面突出危险性预测工作面突出危险性预测 工作面突出危险性预测，按巷道类别的不同又可分为石门、煤巷和采煤工作面突出危险性预测。由于是在采掘过程中进行故预测方法应简单易行，预测指标应能在井下快速测定。根据这个原则、目前采用的顶测方法主要有：钻屑指标法、钻孔瓦斯涌出韧速度法和an宣综合指标法。钻屑指标法钻屑指标法 采用这一方法预测煤巷工作面突出危险性时、应在工作面打2个(倾斜和急倾斜煤层)或3个缓倾斜煤层)直径为42mm、深为6m以上的钻