煤与瓦斯突出的时间效应与管理体系研究

煤与瓦斯突出的时间效应与管理体系研究
王刚;程卫民;孙路路;张清涛
【摘要】随着煤矿开采深度和机械化程度的加大,煤与瓦斯突出的威胁日益突出,为了更加清楚的研究煤与瓦斯突出的机理和过程,对煤与瓦斯突出过程中的主要影响因素进行了分析,认为瓦斯内能是突出的主要能量来源,而瓦斯内能是由瓦斯含量决定的.通过对煤与瓦斯突出过程的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段的分析,建立了煤与瓦斯突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急响应时间矢,并进行了煤与瓦斯突出的时间效应的分析,建立了基于时间效应分析的煤与瓦斯突出管理体系,以提高矿井的抗灾减灾能力.%With the increase of mining depth and the increasing mechanization degree of coal mine,the threat of coal and gas outburst is increasingly outstanding. In order to study the mechanism and process of coal and gas outburst more clearly, the main influencing factors of coal and gas outburst were analyzed. The internal energy of gas was considered to be the main energy source of outburst and the internal energy of gas was determined by gas content. Through the analysis of the four stages of coal and gas outburst: inoculation, development, occurrence and redevelopment, decline, the time vector of coal and gas outburst development, the time vector of forecast and precaution, and the time vector of emergency response were established. The time effect of coal and gas outburst was analyzed and the management system of coal and gas outburst was established based on the analysis of time effect.
【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2012(032)005
【总页数】6页(P576-580,597)
【关键词】煤与瓦斯突出;突出过程;时间效应;管理体系
【作者】王刚;程卫民;孙路路;张清涛
【作者单位】山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东青岛266590;山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东青岛266590;山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东青岛266590;山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东青岛266590
【正文语种】中文
【中图分类】TD713
煤与瓦斯突出是煤矿井下生产过程中发生的一种危害性极大的复杂动力现象，且随着开采深度和机械化程度的加大，这一问题日益突出［1-2］。

国内外学者通过采用突出实例的统计分析、实验室研究和现场观测的方法，对煤与瓦斯突出机理进行了广泛深入的研究，提出了各种关于突出机理的假说。

其中单因素假说包括瓦斯主导作用说、地应力主导作用说、煤质主导作用说，综合考虑地应力、煤层瓦斯及煤的物理力学性质等综合作用的综合作用说目前获得了国内外大多数学者的认可［3-5］。

将煤与瓦斯的突出过程、预测预警和应急救援都可以看作是时间的矢量，进行煤与瓦斯突出时间效应的研究可以将三者有机的联系起来，通过建立相应的管理体系来提高矿井的抗灾减灾能力。

煤与瓦斯突出过程受多个因素的影响，其中地压情况、煤层瓦斯含量情况，以及煤的物理和力学性能等为主要因素。

在突出过程中，地应力和瓦斯压力是突出发动、发展的动力，煤的物理力学性质是阻碍突出发生的因素，而地质构造决定突出的位置，瓦斯含量决定在突出当中所具有的能量以及突出煤被抛出的距离。

这些主要影响因素之间的关系可以用下列公式表达
式中 G为煤层瓦斯含量情况;M为煤层的力学性能;T为煤层的地质构造;σ为煤层的应力状态。

瓦斯突出是一种能量的转换［6-7］，这种能量主要来自煤体弹性潜能、顶底板弹性潜能和煤体中的瓦斯内能，这些能量在突出过程中转换为煤体的破碎功、碎煤在巷道中的移动功，以及突出煤瓦斯流撞击巷道壁、支架和其它障碍物的摩擦热、震动、声响等能量。

因此，瓦斯内能和煤体弹性潜能是突出的主要能量来源，瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应，它是反映突出危险性的瓦斯因素，其值大小决定了瓦斯内能的大小［8］。

如果不考虑煤层的地质构造(T)，那么煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力(G)、地应力(σ)越大，煤体的强度、渗透率和孔隙率(M)越小，越容易发
生突出［9］，如图1所示。

在没有人工干预，即在自然条件下，煤与瓦斯突出过程可以分为突出的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段。

孕育阶段是突出发生条件的准备阶段;发展阶段是受采动影响后煤体所积聚的弹性势能和瓦斯内能的释放，发展阶段是突出发生的必要前提;而突出发生的开始是从发展阶段静止的煤体到煤与瓦斯突出发
生这一突变点，随着突出的发展，突出孔洞壁煤体破碎变慢、煤体破碎程度降低、瓦斯解吸速度放慢，瓦斯突出进入衰减阶段，直至瓦斯解吸速度与瓦斯流动速度基
本平衡，突出终止［10］。

煤与瓦斯突出过程如图2所示。

在工作面开采后，采空区空间载荷通过顶底板向煤壁方向转移，且由于采掘进尺使煤壁的支撑力释放，导致煤壁逐渐发生强度破坏，形成了支承压力极限平衡区(即
塑性区)，为突出的初始发动准备了条件。

该极限平衡区内的瓦斯经过此准备阶段
的放散，其压力梯度已大大降低。

在地质构造、外力干扰或者煤岩流变等的影响下，该极限平衡区的平衡受到破坏，煤体失稳。

煤岩失稳的发生机制主要有两种：准静载作用下的流变破坏和动载作用下的瞬态破坏。

突出发动指的是工作面前方一定厚度的煤壁或岩壁发生突变失稳，并在地应力、瓦斯压力或其它外力的作用下迅速抛出，从而使煤体深部具有高瓦斯压力的煤体暴露出来，为突出的后续发展创造条件。

在最初的突出发动以后，突出孔洞壁的煤体快速卸压，孔洞周围煤体的瓦斯在短时间内高速释放，形成很大的瓦斯压力梯度，这样孔洞壁的煤体在很短的时间内就由弹塑性状态变得彻底粉碎。

突出发动形成了最初的突出孔洞，在孔洞周围高压瓦斯煤体突然暴露，其受力状态发生改变，瓦斯迅速解吸并在孔洞附近形成了很大的瓦斯压力梯度。

这样导致在孔洞煤壁暴露面处煤体发生破坏，煤体裂隙扩展，破坏煤体瓦斯进一步解吸，持续对煤体形成了作用力而将煤体抛出。

煤体破坏抛出使孔洞变大，在孔洞周围形成了新的暴露面，在此暴露面处，煤体发生新一轮的破坏抛出。

在突出孔洞内，经过突出发动及再发展阶段，部分抛出的煤体不断堆积，对孔壁起到支撑作用。

由于径向支撑力的存在，拉应力减小甚至变为零。

这时孔洞中的煤体只受剪切破坏，形成的剪切面大致为凹球面。

该凹球面会在剪切面内的瓦斯达到一定的临界值后被推出，其破坏特征具有明显的分层性。

随着突出的不断深入，孔洞内堆积的煤体的支撑力和瓦斯压力不断增加，造成孔壁煤体的瓦斯压力梯度随之降低。

此时，孔洞内的煤体不能够发生进一步的破坏。

在地应力的作用下，孔壁瓦斯
继续向孔洞渗流，孔壁煤体发生缓慢的蠕变变形。

煤体和瓦斯的变形及渗流进行的非常缓慢，煤体破碎程度也逐渐降低并且瓦斯解吸速度放慢，此时已经进入瓦斯突出衰减阶段，待瓦斯解吸速度与瓦斯流动速度基本平衡时，突出终止。

如前所述，煤与瓦斯突出的4个阶段，可以看作时间的矢量。

为了有效的对煤与
瓦斯突出事故进行预防和治理，需要进行人为干预，人为干预分为预测预警和应急两方面，也都可以看作时间的矢量。

因此，可以通过突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急时间矢的研究来进行煤与瓦斯突出的预防和管理，降低煤与瓦斯突出的危险性，提高矿井的应急能力。

突出开始首先经历了突出的孕育过程，这一阶段是突出发生条件的酝酿阶段。

可以包括工作面的采掘作业、应力的加载和卸载、煤岩受力平衡状态的改变、煤岩体物理力学参数的变化、煤岩体内瓦斯压力和含量的变化及瓦斯吸附解吸状态的变化等，当这一系列参数和状态的变化随时间的变化积累到一定程度、并足以使煤岩体发生破坏失稳和抛出时，孕育阶段结束，进入突出发动阶段。

按照时间发展来讲，突出的发动是一个点过程，并在ΔT1时间内达到并突破突出的临界平衡条件，该过程
发动的标志是一定体积的煤岩体破坏失稳并被抛出。

突出的发展阶段是说从突出的最初发动到突出终止所经历的过程，这是一个煤岩体持续破坏失稳和抛出的过程。

随着突出发展的不断进行，突出发展过程出现衰减并最终达到新的力的平衡，使煤岩体持续破坏失稳和抛出的条件不能满足，最终进入突出终止的时间点。

该过程是一种随时间自然发展演变的结果，无人为因素干预，这一演化发展即为突出发展的时间矢。

尽管煤与瓦斯突出有着随时间自然发展演变的空间过程，但是该过程是有一定规律可循的，随着目前研究的不断进步和发展，人们对该规律的认识不断加深，通过实验室实验和各项技术的应用，煤与瓦斯突出可以在一定程度上进行预测和预警。

煤与瓦斯突出的预测预警包含有2方面的内容：第一方面为突出危险性预测，既
包括针对采区、开采水平等的区域预测，又包括针对矿井进行的整体预测或鉴定;第二方面为根据相关预测结果、实际生产情况进行的预警和警报。

加之煤与瓦斯突出机理的复杂性，煤与瓦斯突出的预测预警成为较为复杂的系统工程。

预测中如果无突出危险性，在一般瓦斯治理措施条件下，可以进行回采和掘进。

一旦预测中有突出危险性，那么就要按照预测预警时间矢在ΔT2时间内对预测到的可能突出地点、规模、性质和影响因素以及可能会引发的后果等因素进行综合评估后，在一定范围内采取适当的方式预先发布突出危险的警告并采取相应级别的预警行动，防范突出事件的发生和发展。

在进行预测预报时，要首先根据对煤与瓦斯突出的主要影响因素的分析，结合实际情况，对目标区域进行突出危险性区域预测。

相关技术和管理人员应当对其加强管理并重点关注，通过决策分析采取有针对性的技术措施，能够提高实施效果，将突出后的处理变为事前预防。

通过突出的预测预警，能够提高矿井的抗灾减灾能力，减少重特大事故发生的可能性，提高预警管理能力，具有极其重要的技术、经济和社会效益。

矿井在开采前，根据突出危险性以及突出危险程度的划分，制定不同的开采措施方案，用以保证矿井安全回采，但是由于采掘过程中的不可抗拒突变因素，随着时间推移，采掘活动预测到了煤与瓦斯突出的可能性并达到了预警阈值。

此时需要在ΔT4时间内做出应急响应，为疏散做好准备，接着是要按照应急响应机制建立的应急救援系统，在ΔT4时间内落实应急措施，在最短的时间内，按照应急时间矢的发展和演变，将煤与瓦斯突出事故的损失降低到最小。

通过上述的分析，我们可以利用对煤与瓦斯突出时间矢的发展，制定煤与瓦斯突出管理体系，该体系能够结合突出发展的时间矢过程，利用预警时间矢和响应时间矢过程的发展，从而最终形成一套适用于矿井突出管理的防突管理体系。

突出预测、预防和治理的内在联系如图4所示。

在分析其内在联系时，先从影响
煤与瓦斯突出的瓦斯、地应力及煤的物理力学性能进行分析，辨识矿井中存在的突出危险，进行等级的划分，进而针对不同的危险采取不同的措施降低突出危险，然后通过瓦斯含量等的测定对采取措施后的煤层进行效果检验，根据检验的结果和开采方法制定不同治理技术方案，使矿井减少突出危险，达到安全回采，保护职工安全的目的。

对于煤矿突出的管理体系，结合煤与瓦斯突出的预警和相应时间矢，主要通过对突出进行预测预防和采取措施控制突出煤层两个途径，最终来达到防止突出的目的。

在根据煤与瓦斯突出管理体系进行煤与瓦斯突出管理方案设计以后，要进行煤与瓦斯突出管理方案的分析与评价。

突出管理方案的分析与评价方法如图5所示。

首先对煤矿工作人员进行培训，培养职工的安全意识，其次是建立有效的防突管理体系，要针对一种突出矿井，通过对矿井历史资料、组织管理和信息的控制，分析其中的变化，制定出一套合理的预警方案，一方面根据方案的落实情况及实施效果对方案进行实时改进，然后对改进的方案进行复检，并应用复检方案对突出危险进行评估，通过评估的结果判定潜在突出危险情况，做出突出的预测与预防;另一方面，根据预警方案制定一套合理完善的防突措施，并依据突出的规范和标准对防突措施的实施效果进行检验，如果没有达到标准的要求，就对方案进行改进，直至实施的效果完全符合标准的要求，才能控制突出煤层，消除突出危险，达到安全回采的目的。

1)通过分析确定了煤与瓦斯突出过程中的主要影响因素，认为瓦斯内能和煤体弹性潜能是突出的主要能量来源，而瓦斯内能是由瓦斯含量决定的。

2)通过煤与瓦斯突出过程中突出的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段的研究，建立了煤与瓦斯突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急响应时间矢，进行了煤与瓦斯突出的时间效应的分析。

3)通过突出的时间效应分析建立了煤与瓦斯突出管理体系，确定了对煤与瓦斯突出
管理方案分析与评价的方法。

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