煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象.docx

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，它是威胁煤矿安全生产的 严重自然灾害之一，如果由于煤与瓦斯突出引起瓦斯爆炸和火灾事故，后果更为 严重世界各主要产煤国家都发生过煤矿突出事故1834 年3 月22 日,法国发生 了世界上第一次有记载的突出，1950 年辽源矿务局发生了我国第一次有记载的 突出随着我国煤炭工业的迅速发展，矿井数目和开采深度日益加大，突出危险 性也日益增大迄今全国约有 250 对国有重点煤矿发生了煤与瓦斯突出，另外， 乡镇煤矿中也有数量众多的突出矿井，我国是世界上突出最严重的国家，突出矿 井数占世界突出矿井总数的 45％，突出次数最多，累计突出 1.6万次，占世界突 出总次数的35%，突出死亡事故最为严重（1960 年 5 月 14 日四川同华煤矿发生 煤与瓦斯突出，突出煤lOOOt，死亡271人，伤36人）它给广大职工生命财产 造成巨大的损失，在社会上产生了巨大的负面影响因此，如何防止煤与瓦斯突 出，确保矿井安全生产事关重大近百年来，世界各国在防治突出方面虽进行了大量的工作，但到目前为止， 对各种地质、开采条件下突出发生的规律还没有完全掌握，也未能完全杜绝突出 发生。

对煤矿生产来看，防治突出的任务有两个方面：一是防止突出发生，或减 少突出的频率和强度；二是避免突出造成人身伤亡事故一、 煤与瓦斯突出的概念煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯（以甲烷为主的烃类气体，下同） 在一个很短 的时间内突然地连续地自煤（岩）壁抛向巷道空间所引起的动力现象在煤与瓦 斯突出过程中，抛出的煤体有的只有几吨、几十吨，有的则达几百吨，特大型的 突出甚至高达几千吨以上，同时涌出大量的瓦斯充满整个巷道空间根据目前的 研究结果，引起煤与瓦斯突出的力有地应力和瓦斯的压力，作用介质为软煤和瓦 斯二、 突出的危害1、 产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏矿井通风系统2、 井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸3、 喷出的煤岩，造成煤流埋人4、 猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生三、 煤与瓦斯突出的形式及基本特征1、 突出地应力和瓦斯压力的联合作用，地应力作用为主，重力不起决定 作用1） 突出的向外抛出距离较远，具有分选现象；（2） 抛出的煤堆积角度小于自然安息角；（3） 抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉；（4） 有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车、破坏和抛出安装在巷道内的 设施；（5） 有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出永远超过突出煤的瓦斯含量，有时会使风 流逆转；（6） 突出的孔洞呈口小腔大的梨形、舌型、倒瓶形以及其它特殊的形状。

2、 压出主要因素是受采动影响所产生的地应力，瓦斯压力和煤的自重是 次要因素1）压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出，但位移和 抛出的距离都较小；（2）压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中，常留有细煤粉，整体位移的煤 体上有大量的裂隙；（3）压出的煤呈块状，无分选现象；（4）巷道瓦斯涌出量增大；（5）压出可能无孔洞或口大腔小的楔形孔洞3、倾出主要因素是地应力1）倾出的煤就地按自然安息角堆积，并无分选现象；（2）倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂方向发展；（3）无明显的动力效应；（4）倾出常发生在媒质松软的急倾斜煤层中；（5）巷道瓦斯涌出量明显增加瓦斯撕裂裂纹过程；（4） 煤壳失稳抛出过程；（5） 煤体搬运过程及（6）静止解 吸过程★突出危险煤层的基本特征 突出煤层和非突出煤层在媒质、结构、赋存条件以及特征等方面存在着明显 的差异，这些差异是煤层突出危险性评价的依据一般来说，突出危险煤层具有 以下特征：1、具有较高的变质程度2、 具有较高的瓦斯压力和瓦斯含量0.74MPa, 10m3/t）3、 透气性较低，顶底板一般为封闭型4、 结构破坏类型较高、强度低III、IV、V类，f<0.5）5、 瓦斯放散初速度较大。

10m2MPa・d6、 比表面积较大7、 突出危险煤层具有明显区别于非突出煤层的孔隙结构特征大孔多，小孔 少★在突出煤层中有下列情况之一的，视为突出危险工作面：1、 在突出煤层的构造破坏带，包括断层、褶曲、火成岩侵入等；2、 煤层赋存条件急剧变化的区域；3、 采掘应力叠加的区域；4、 在工作面预测过程中出现喷孔、顶钻等动力现象；5、 工作面出现明显的突出预兆四、煤与瓦斯突出的一般规律（1） 随着开深程度的增加，突出的危险性增大其主要表现为突出次数增多 突出强度增大，突出煤层增加，突出危险区域扩大2） 突出次数和强度随煤层的厚度，特别是软分层的厚度的增加而增加，突 出最严重的煤层往往是最厚的主采煤层 3）突出的气体主要是甲烷，少数情况下突出二氧化碳一般情况下，瓦斯 含量和瓦斯压力越大，突出危险越严重平均每吨煤突出的瓦斯量比煤层的瓦斯 含量高，从数十到数百立方米，突出煤层的相对瓦斯涌出量都在10〜15m3/t以 上同一煤层瓦斯压力越高，突出危险性越大；不同煤层的瓦斯压力与突出危险 性之间无直接关系，因为决定突出与否除瓦斯因素外，还有地应力、煤结构等因 素在矿区的局部范围内，条件基本相同时，可以从煤层埋藏的深度与瓦斯压力 之间的关系，以及不同的煤强度与突出开始深度之间的关系，导出具体条件下突 出的最小瓦斯压力与煤强度之间的经验公式。

这种经验公式只有在条件相同时才 能应用4）煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，突出危险越大一般情况下，煤 层增厚时容易突出，合层时容易突出5）由上向下的突出占大多数，由下向上的突出是极少数突出的危险性随 着煤层倾角的增大而增加6）尽管在煤层赋存稳定的地方也有突出，但是突出与地质构造有密切关系 例如，向斜的轴部地区、向斜构造中局部隆起地区、向斜轴部与断层或与褶曲交 汇地区、火成岩侵入变质煤与非变质煤交混地区、煤层扭转地区、煤层倾角骤陡、 煤层走向拐弯、煤层厚度异常特别是软分层变厚、断层地带等都是突出点密集地 区，也是大型突出最易发生的地区突出多发生在断层的上盘，尽管断层的下盘 也有少数突出7）在采掘形成的应力集中地区，如邻近层的煤柱上下、相向采掘接近区、 巷道开口或贯通前、在采煤工作面的集中应力;内掘进上山等，突出危险性剧增， 不仅突出次数多，而且突出强度大8）突出一般以煤巷掘进时较多，回采工作面次之从巷道类型来看，石门 揭穿煤层的全过程突出危险性最大，突出强度极高，一般在loot/次以上，喷出 瓦斯超过万m3，瓦斯逆流数百米，易造成重大事故，必须认真防范9）突出主要发生在工作面放炮时，不放炮的工作面则主要表现在连续推进 时。

10） 煤层顶、底板的透气性越差，越有利于煤层瓦斯的储存，其突出危险性 也越大11） 突出前有预兆：煤体和支架压力增大，煤壁移动加剧，煤向外鼓出，掉 碴，煤脱落，煤块射出，有劈裂声、煤炮声、似跑车一样的闷雷声，煤尘变大， 瓦斯忽大忽小，温度降低或升高，顶钻或夹钻，煤硬度变化，煤质干燥、光泽变 暗、层理紊乱等掌握预兆，及时采取措施，对保证人员安全是非常重要的☆五、“球壳失稳”假说与瓦斯现场突出规律突出规律是现场多年来对突出现象的统计和总结的结果，它们的存在不是偶然的，而是 有其背景和原因的，深入了解这些统计规律背后产生的原因有助于对突出机理的进 一步认识1） 突出的次数和强度随着开采深度加大而增加开采深度越大，无疑地应力越大地应力的增大在两个方面有助于突出的发 生和突出强度的增加：具有突出危险的软煤在地应力的作用下，具有渗流作用的 裂纹和大孔大多闭合，煤体的渗透系数大大降低，煤体内的瓦斯不易流动同时， 由于瓦斯向地面泄漏的通道加长，也有利于煤体内瓦斯的保存开采深度越大， 这种保留瓦斯的作用就越明显 "根据“球壳失稳”假说的原理，具有突出危险 的软煤暴露后，将首先在地应力的作用下破坏，开采深度越大，地应力也越大， 软煤就越破碎，释放出来的初始释放瓦斯膨胀能就越大，突出就越可能发生，发 生突出的强度也越大。

2） 突出的次数和强度与煤层中软分层厚度的关系煤层中的软分层是煤层形成的历史上遭受地质构造应力搓揉破坏而形成的 尽管它与周围的硬煤属于同一时期形成的煤体，但其力学性质上与硬煤有很大差 异，它的原始力学强度较小，在同等地应力作用下煤体内产生较多的裂隙，有利 于煤体内初始释放瓦斯膨胀能的释放软分层厚度越大，释放出来的初始释放瓦 斯膨胀能总量就越大，越有利于突出的发生在软分层较厚的情况下，形成的球 盖状煤壳具有较大的曲率半径和对应的中心角，根据突出的第三个力学条件，这 更有利于球盖状煤壳的失稳抛出，所以，在石门揭煤条件下，煤层中软分层厚度 是一个重要的决定煤层突出危险性的因素在煤巷中巷道沿软分层掘进的条件 下，如果软分层在煤层内是均匀分布，那么突出的次数和强度与软分层厚度关系 不大，因为这时软分层已经沿厚度方向全部暴露，软分层越厚，工作面前方煤体 内的卸压带也越长，只要暴露面附近煤体卸压带内的瓦斯能够充分释放，突出便 不会发生但是地质构造应力作用下形成的软分层并非均匀分布的，而是随着巷 道的推进，软分层厚度在不断变化，尤其是当掘进工作面从硬煤进入软煤时，这 时的情况相当于石门揭煤的情况，煤层中软分层越厚，突出越容易发生。

因此， 实际煤层中存在着软分层厚度越大，突出越容易发生的规律3）煤层中原始瓦斯压力与突出危险性的关系严格来说，煤层中的瓦斯压力是指煤体孔隙和裂隙内游离瓦斯的压力，在工 作面前方的煤体内，这个压力值是变化的原始瓦斯压力则指煤层被扰动之前孔 隙和裂隙中游离瓦斯的压力但它们之间又是相互联系的，煤层中的瓦斯压力总 是由原始瓦斯压力开始变化，并且总是由大向小的方向变化在石门揭煤条件下， 煤体破裂前煤层中的瓦斯不容易泄漏，煤层中的瓦斯压力就是原始瓦斯压力根 据“球壳失稳”假说，瓦斯压力是发生突出的真正动力这时，从力学条件来看， 原始瓦斯压力越大，煤体在地应力作用下破裂后形成的“I”型裂纹及球盖状裂 缝中能够积聚的瓦斯压力就越大，“I”型裂纹就越容易撕裂，球盖状煤片就越 容易失稳抛出从能量的角度来看，原始瓦斯压力越大，煤体内单位面积孔隙和 裂隙上吸附的瓦斯量就越多，煤体破坏后，释放出来的初始释放瓦斯膨胀能就越 大，突出就越容易发生因此，煤层中的原始瓦斯压力越大，越容易发生突出4） 突出时的吨煤瓦斯涌出量与煤层的原始瓦斯含量的关系 突出时涌出的瓦斯涌出量一般是在突出的过程中及突出后进行粗略统计得到的， 如可以在矿井的回风巷中测量风流的风量及瓦斯浓度来进行。

将统计得到的总瓦 斯涌出量除以突出时抛出的煤体质量就能得到突出过程中的吨煤瓦斯涌出量而 煤层的原始瓦斯含量是通过实测或试验室测定得到的在突出过程中，涌出的瓦 斯并不仅仅来自于突出的煤体5） 突出的危险性随着煤层的倾角增大而增加在推导“球壳失稳”机理的过程中，考虑到煤体自身重力的影响远小于地应 力和瓦斯压力，为简化起见，故将煤体重力这一因素忽略不计实际煤层中重力 的影响是客观存在的，当突出阵面沿软分层推进时，如果煤层的倾角较大，无论 是从力的角度还是从能量的角度来分析，都可以看出：重力的影响将使突出阵面 更易于向上发展，并且煤层倾角越大，这种作用越大尤其是在煤体比较破碎、 松散和干燥时更是这样这时表面松散的煤体在重力的作用下能够突然冒落，使 得内部有突出危险的煤体突然暴露，从而引起突出在这一过程中，开始时煤体 的突然冒落属于倾出现象，此后突出煤体暴露，发生的是突出现象因此这一过 程是两种动力现象的叠加这种动力现象发生后，现场可以发现突出的迹象，如 煤体的安息角小于自然安息角，抛出煤体有气流搬运的痕迹等。