煤与瓦斯突出机理研究新进展

王勇　王泽宁　卢祁

摘 要：煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂的动力现象，是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，随着世界各国科研工作者们对煤与瓦斯突出的深入研究，已经取得了重大进展，近年来矿井开采深度逐渐增加，现有的煤与瓦斯突出机理需要完善来指导煤矿的安全生产，具有重要的现实意义。

关键词：煤与瓦斯突出；开采深度；煤与瓦斯突出机理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.054

1 引言

煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂的动力现象，是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，为了保障煤矿井下采掘工作的正常进行，煤矿工作人员就需要懂得更多的防突知识，采取防突措施，更大程度上减少瓦斯突出给煤矿带来的财产损失和人员伤亡。煤与瓦斯突出机理十分复杂，国内外研究学者一直都在研究突出的机理问题，但是由于突出机理的研究只是根据突出后的资料进行收集整理，并不能在井下直接观测突出的过程，这也大大的限制了工作者们对突出机理的研究，目前对煤与瓦斯突出的机理的认识仍处于假说阶段，没有形成一个统一的认识。

2 瓦斯为主导假说

这类假说认为在突出发生过程中起主要作用的是瓦斯，地应力不是决定突出发生的主要因素。

2.1 “瓦斯包”假说

该假说认为突出造成的原因是高压的游离瓦斯，这些高压的游离瓦斯储存在“瓦斯包”中，“瓦斯包”周围的煤体的透气性差，这就为高压的游离瓦斯的储存创造了条件，在井下采掘的过程中，当“瓦斯包”周围的煤体遭到破坏或者周围的煤体厚度发生改变时，“瓦斯包”周围的煤壁强度不足以维持“瓦斯包”时，“瓦斯包”中的高压游离瓦斯得到释放，就会短时间内迅速携带煤粉喷出。

2.2 “瓦斯膨胀”假说

“瓦斯膨胀假说”认为突出发生在结构不均的高压瓦斯煤层，煤层外部为硬煤，透气性差，内部为软妹透气性好，在采掘的过程中，当外部透气性差的硬煤遭到破坏时，内部的软媒强度较低，高压瓦斯就会通过透气性差的软媒喷出，喷出的同时携带出大量煤粉。

2.3 二相流体假说

这种假说认为二相流体压缩积蓄的能量，为煤与瓦斯突出提供主要能源，强调与煤岩体的弹性能和瓦斯膨胀能无关。其中突出的发生有着必要的条件，一是要有突出积能区，二是积能区积累的能量要大，大小上要保证能冲破阻碍区所需的能量。

3 地应力为主导的假说

3.1 构造应力假说

该假说认为地层在地质历史时期中经历过构造运动，在地质构造带附近应力非常集中，煤层周围变形的岩石积聚了弹性势能，在采掘的过程中，弹性岩石的弹性势能释放，压缩的岩石向外伸长，破坏煤的结构，造成突出。

3.2 煤层塑性变形假说

这种假说认为，煤层在地应力作用下会发生塑性变形，突出发生的原因是煤层受到塑性变形结构受到破坏。瓦斯携带破碎的煤粉冲出巷道，从而发生突出。

3.3 应力变形假说

这种假说认为突出的煤跟正常的煤存在着结构上的区别，这种特殊的结构称为“枝网状裂隙”结构，正常的煤不具有“枝网状结构”，但是通过应力变形等试验可以使正常的煤具有“枝网状结构”，这样的“枝网状结构”是煤层里面残留的应力。在采掘过程中，煤层结构发生改变，从而会产生新的应力变形。造成应力变形的原因有很多，所以应力变形假说是多种因素共同作用的结果。

3.4 放炮影响突出假说

该假说通过对大量突出煤层资料整理发现，长壁工作面比巷道工作面突出的次数要少的多，这就与瓦斯突出主要原因是地应力相矛盾，从而根据资料的整理，否定了地应力是造成突出的主要原因，认为放炮的应力作用是造成突出的主要因素。

4 化学本质假说

4.1 瓦斯屏障假说

瓦斯屏障假说认为在煤层受到压力条件时，煤层的结构将会发生改变，空隙率会变小，从而降低了煤层的透气性，在压力增大的过程中，煤层的透气性迅速降低。甚至随着压力的增大，煤层透气性可减小至零。这样瓦斯就不能从煤体流向巷道，类似于一个屏障在两者之间起到了隔绝作用，称之为“瓦斯屏障”。当“瓦斯屏障”消失时，煤层内部的高压瓦斯就会猛烈的像外涌出，造成瓦斯突出。

4.2 瓦斯水化物假说

这种假说认为在一定的气压，温度条件下，煤层内可生成瓦斯水化物，且生成瓦斯水化物的温度，气压跟煤层瓦斯重重炭氢气体联系密切，重炭氢气体含量高时，生成瓦斯水化物所需的温度压力都会降低很多。由于瓦斯水化物状态不稳定，很容易受到外部的因素而发生变化，当瓦斯水化物的平衡发生改变时，瓦斯水化物将会迅速的转变为气态的瓦斯，在短时间内煤层瓦斯压力将会迅速增大，当煤层强度不足以抵抗高压瓦斯时，煤层将会发生突出。

5 综合作用假说

这类假说认为造成煤与瓦斯突出的因素不是单一的，而是由地应力，瓦斯等各种因素共同作用的结果。这也是目前国内外学者普遍支持的假说.。尽管各种假说都承认突出是各种因素共同作用的结果，但是针对每个因素在突出中起到的具体作用和影响因素，看法并不相同。

5.1 能量假说

能量假说认为煤层内为突出提供能源的是重力压力和瓦斯压力。除了这两个能源以外，再无其他能源，在采掘过程中，改变了工作面附近煤体的受力状态。在这个过程中增大了煤体的潜能，弹性势能储存在煤体中，这时工作面的煤体会维持短暂的平衡状态，这种不稳定的平衡状态，很容易被改变，当采煤过程打破这种平衡时，应力状态的改变，会使强度较低的煤快速破碎，煤体的破碎又为瓦斯提供了更大的作用面积，促进了突出，所以认为煤层内的地压是决定突出发生的因素，煤层内地瓦斯只是抛出煤体，粉碎煤体，而煤体的特殊结构，让煤体能够更容易发生突出。

5.2 流变机理假说endprint

流变机理假说从瓦斯煤体的流变性来研究煤与瓦斯突出，提出突出是瓦斯煤体流变性的具体表现，流变机理假说核心思想是突出的发生要经历3个阶段，煤体变形衰减阶段：在这一阶段煤层只是变形衰减，整体上还是处于稳定的平衡状态，这时候突出不会发生；煤体屈服阶段：这个阶段煤体的屈服值小于外部荷载，煤体的稳定状态被打破，强度较低的煤体就会遭到破坏，煤体发生破裂，空隙性变大。煤体内的瓦斯暴露面积增大，为突出的发展奠定了基础；突出阶段：经过上一阶段的积累，煤体的结构的完整性降低很多，进入这一阶段后，煤体的透气性继续增大，高压瓦斯会携带煤粉喷出，造成突出。

5.3 球壳失稳机理假说

该假说把地应力、瓦斯压力、媒体强度、软煤分层厚度综合起来，作为瓦斯突出的判定依据，瓦斯突出机理从定性研究，转变为定量研究，提出理想石门揭煤时，可以根据煤样的初始膨胀能和软煤厚度，就能判断煤体能否发生突出。

5.4 渗透失稳机理假说

这种假说把地应力、瓦斯压力、煤的渗透性作为瓦斯突出的综合影响因素，提出了瓦斯压力梯度作为各种影响因素的综合指标。突出的过程可分为2个阶段，煤体渗透失稳阶段：煤体中的瓦斯会对煤体产生渗透压力，当渗透压力很小时，煤体的强度足够抵抗渗透压力时，则不会发生突出，当瓦斯对煤层的渗透压力，达到一定值时，就会对煤体产生破坏，而瓦斯气压梯度大小决定煤层内渗透压力的大小，这一定值称为临界气压梯度，不同的煤体临界气压梯度不同；煤与瓦斯运移阶段：当煤体结构已经破坏时，破碎的煤块，煤粉将会和煤层内的瓦斯一起运移，瓦斯的膨胀压力提供运移所需的动力。

6 结论

煤与瓦斯突出机理经过了各国科研工作者们的深入研究，已经取得了重大进展，但是由于突出发生的复杂性，目前关于煤与瓦斯突出的各种机理仍处于假说阶段，各种关于煤与瓦斯突出的机理，都是围绕着瓦斯、地应力、煤的性质等来进行研究，各种机理虽然能对瓦斯突出做出一定解释，但是不能完全解释这个问题，这就需要后人工作者们继续深入研究下去。

参考文献：

[1]于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].煤炭工业出版社，北京：1985

[2]蒋承林，俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1998.

作者简介：王勇（1991-），男，安徽蚌埠人，硕士，主要从事：矿井地质研究。endprint