煤與瓦斯突出機理

 煤與瓦斯突出機理研究概況

            煤與瓦斯突出給煤礦‘安全生產(chǎn)，特別是井下人員的生命財產(chǎn)安全造成了極其嚴重的威脅。為了防止這類災害事故的發(fā)生，保障煤礦井下安全生產(chǎn)．世界上各主要產(chǎn)煤國均投入了大量的人力、物力研究煤與瓦斯突出機理．以便為突出危險性預測和防突措施的制定與實施提供科學依據(jù)。但是，迄今為止，人們對于突出過程中煤巖體破壞與發(fā)展機制的認識還停留在定性與假說性階段，對于突出過程中哪些因素起主要作用以及與其它因素間的作用機理還把握不準，故而只能對某些突出現(xiàn)象給予解釋，還不能形成統(tǒng)一完整的理論體系。

           目前這些關(guān)于煤與瓦斯突出機理的假說

歸納起來主要有如下幾類：

單因素作用假說

           單因素作用假說主要有：瓦斯主導作用假說，地壓主導作用假說以及化學本質(zhì)作用假說，其主要特點是強調(diào)單因素起主導作用。 1)瓦斯主導作用假說：以瓦斯為主導作用的假說。主要有“瓦斯包’’說  前蘇聯(lián)的比1I．沙留金和英國的R．威廉姆等提倡的“瓦斯包’’學說認為，煤層內(nèi)存在著可以積聚高壓瓦斯的空洞，其壓力超過煤層強度減低區(qū)的煤體強度極限，當工作面接近這種瓦斯包時，煤壁就會發(fā)生破壞，產(chǎn)生突出。

         (2)粉煤帶說  前蘇聯(lián)的幾比貝可夫、德國的M．魯夫、英國的H．布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤帶說認為，由于地質(zhì)構(gòu)造或礦山壓力的作用，原生煤層被破碎成粉狀．這些粉煤極易放出瓦斯。當巷道接近這一地帶時，粉煤在較小的瓦斯壓力作用下，就能與瓦斯一起噴出。

        (3)煤孔隙結(jié)構(gòu)不均勻說  前蘇聯(lián)的P．M．克里切夫斯基等人提出了這一假說，這一假說認為．煤層中有透氣性變化劇烈的區(qū)域，在這些區(qū)域的邊緣，瓦斯流動速度變化很大。如透氣性小的恰好是堅硬的煤．而透氣性大的又是不堅硬的煤，那么當巷道接近這兩種煤的邊界時，瓦斯?jié)撃芫陀锌赡苁姑和怀觥?/p>

           (4)突出波說  前蘇聯(lián)的c．兒赫里斯基阿諾維奇提倡的這一假說認為，瓦斯?jié)撃芤让旱膹椥宰冃文艽笫蹲笥?，在煤的強度低的地區(qū)，煤的瓦斯壓力大于煤的極限破壞強度。當巷道接近這一地區(qū)時，在瓦斯壓力的作用下，可產(chǎn)生連續(xù)的破碎煤體的突出波，引起突出。

           (5)裂縫堵塞說  前蘇聯(lián)的H．L1．阿莫索夫提倡這一假說，他認為由于均勻排放瓦斯的裂縫被封閉和堵塞，在煤層中形成增高的瓦斯壓力帶，從而引起突出。

突出發(fā)展過程中各因素的作用

            地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤強度在突出過程中各個階段所起的作用可以是不同的在通常情況下，突出的激發(fā)階段，破碎煤體的主導力是地應(yīng)力(包括重力應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、采動引起的集中應(yīng)力以及煤吸附瓦斯引起的附加應(yīng)力等)。因為地應(yīng)力的大小，通常比瓦斯壓力高幾倍；而在突出的發(fā)展階段，剝離煤體靠地應(yīng)力與瓦斯壓力的聯(lián)合作用，運送與粉碎煤炭是靠瓦斯內(nèi)能。根據(jù)對若干典型突出實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算。在突出過程中瓦斯提供的能量比地應(yīng)力彈性能高3—6借以上。壓出和傾出時煤體的最初破碎的主導力也是地應(yīng)力。

 煤巷卸壓帶對煤與瓦斯突出的作用機理

   

煤體作為連續(xù)性介質(zhì)的條件

            物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的，結(jié)構(gòu)體間聯(lián)結(jié)本質(zhì)決定著物質(zhì)的物理力學性質(zhì)。通常把結(jié)構(gòu)體間直接由分子引力或離子引力聯(lián)結(jié)起來的物質(zhì)視為連續(xù)質(zhì)，這種物質(zhì)變形前是連續(xù)的，變形過程中仍然保持為連續(xù)。但是，對煤體而言，上述假設(shè)很難無條件成立，其原因為：

             ①大多數(shù)煤(巖)體都存在裂隙。

             ②組成煤(巖)體的基本結(jié)構(gòu)單元間的聯(lián)結(jié)強度較低，在不太大的應(yīng)力作用下即可遭到破壞，即使變形前是連續(xù)的，變形過程中往往就變?yōu)椴贿B續(xù)的。

            ③物體連續(xù)性的重要標志之一是，其泊松比小于0.5，而煤(巖)體的泊松比有的大于0.5，這明這類煤(巖)體是不連續(xù)的。

巷道煤層區(qū)域中應(yīng)力分布狀態(tài)及其劃分

            煤礦井下來礦作業(yè)破壞了原始地層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應(yīng)力(又稱支承壓力)，當集中應(yīng)力值達到媒體的強度極限后．該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應(yīng)力向煤體深部傳播，經(jīng)過一定時問后，形成卸壓區(qū)(應(yīng)力松弛區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)、如圖4—3—2所示，在這三個區(qū)中，媒體所受應(yīng)力和變形性質(zhì)各有差異。

 極限平衡區(qū)中煤層界面的應(yīng)力分布狀態(tài)及其分析

   

卸壓區(qū)煤體的核定性分析及其安全寬度的確定

    1.  卸壓區(qū)煤體的破壞判斷

1)卸壓區(qū)煤體的破壞判斷

          實驗表明：在一定的圍壓作用下，煤體的破裂多數(shù)為剪破裂，甚至對于某些煤塊，在單向壓縮情況下，其破裂形式也表現(xiàn)為剪破裂。因此，我們假定在卸壓區(qū)中．煤體的破裂為剪破裂，物理判斷可用庫侖一納維條件表示，

煤與瓦斯突出危險性預測

           礦井中的煤與瓦斯突出是帶有區(qū)域性分布的，即突出往往僅僅發(fā)生在個別區(qū)域．這個區(qū)或的面積一般僅占整個井田面積的10％左右。為了保證礦井安全生產(chǎn)、提高礦井生產(chǎn)效益。才突出危險程度不同的區(qū)域應(yīng)采取不同的措施。為了劃分出突出危險程度不同的區(qū)域．就需要進行突出危險性預測。因此，突出危險性預測的主要作用在于：

區(qū)域性突出危險性預測

           區(qū)域性突出危險性預測是在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)、新水平和采區(qū)開拓時進行。在井田地質(zhì)報告中，地質(zhì)勘探單位必須了解井田的瓦斯地質(zhì)條件、提供確定煤層突出危險性的基礎(chǔ)資料。基礎(chǔ)資料應(yīng)包括煤層厚度及其穩(wěn)定性、煤的結(jié)構(gòu)破壞類型及工業(yè)分析。煤層圍巖的性質(zhì)及厚度、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力、煤的瓦斯放散韌速度指標、煤的堅固性系數(shù)、水文地質(zhì)情況和火成巖侵入形態(tài)及分布等。生產(chǎn)礦井的地測部門與通風部門應(yīng)共同編制礦井瓦斯地質(zhì)圖屈中應(yīng)標明地質(zhì)構(gòu)造、采掘進度、煤層賦存條件、突出點的位置和強度．以及上述瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)等資料。這些是進行突出區(qū)域預測的基礎(chǔ)。區(qū)域突出危險性預測有以下幾種方法。

單項指標法

            采用該法時，各種指標的突出危險臨界值，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)實測資料確定，無實測數(shù)據(jù)時，可參考表4—4—1所列數(shù)據(jù)，表4—4—1中煤的破壞類型可參考表4—4—2所列特征進行確定。表4—4—3為我國某些礦井煤層在始突深度煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量值。由表4—4—3可以看出．各煤層始突深度的瓦斯壓力皆大于0.74MPa，煤層瓦斯含量皆大于10m3/t可燃物。因此，上述兩指標值可作為區(qū)域預測突出危險性的參考。小于上述指標值時，煤層無突出危險；等于或大于上述指標值時，有發(fā)生突出的可能。

工作面突出危險性預測

           工作面突出危險性預測，按巷道類別的不同．又可分為石門、煤巷和采煤工作面突出危險性預測。由于是在采掘過程中進行．故預測方法應(yīng)簡單易行，預測指標應(yīng)能在井下快速測定。根據(jù)這個原則、目前采用的頂測方法主要有：鉆屑指標法、鉆孔瓦斯涌出韌速度法和A

宣綜合指標法。

鉆屑指標法

           采用這一方法預測煤巷工作面突出危險性時、應(yīng)在工作面打2個(傾斜和急傾斜煤層)或3個〔緩傾斜煤層)直徑為42mm、深為6m以上的鉆孔。鉆孔每打l m測定鉆屑量1次，孽隔2m取1次煤鉆屑，測定瓦斯解吸指標△h2，C、c或K1值，然后根據(jù)測出的指標值來預測E出危險性。

鉆孔瓦斯涌出初速度法

          利用該法進行煤巷掘進工作面突出危險性預測時．應(yīng)在距巷道兩幫o．5m處．各打一個平行于巷道掘進方向，直徑廖42mm，深為L 5m的鉆孔。用膠澳封孔器進行封孔、封孔后測量室的長度應(yīng)為o．5m。鉆孔瓦斯涌出初速度用流量計進行測定，測定工作應(yīng)在汀完鉆孔后2mm內(nèi)完成。判斷有突出危險的鉆孔瓦斯涌出初速度的臨界值gm，應(yīng)根據(jù)礦井實測資料分析確定。如果無實測資料時．可參考表4—4—7中的臨界值。