煤与瓦斯突出机理

煤层平巷、煤层上山和下山发生的 突出占总次数的76％，但突出强度较 小；石门揭穿煤层时发生的突出次数 虽少但强度大，我国80％以上的特大 型突出均发生在石门揭穿煤层工作面。 采煤工作面发生的突出占总次数的1 5．8％，但是近几年采煤工作面发生 突出的次数有明显增多的趋势。
煤与瓦斯突出的基本特征是： (1)突出的煤向外抛出距离较远，具有明显的 分选现象； (2)抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角(一 般为40°)； (3)抛出的煤破碎程度高，含有大量的块煤和 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，瓦斯涌出量远远超过 突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转； (6)突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶 形以及其他分岔形等。
(2)瓦斯沿采掘地压生成的裂缝喷出 这类喷出也往往与地质构造有关，因为 在各种地质构造破坏区内，原来处于封闭 状态的构造裂隙容易被利用，即在采掘地 压和瓦斯压力联合作用下会突然张开，成 为瓦斯喷出的通道。这类喷出的特点是喷 出濒临发生时，伴随有地压显现效应，出 现多种显著预兆。例如，巷道与工作面的 压力增大(来压)，支架响声，掉碴，煤岩 开裂，支架折断等；喷出瓦斯持续的时间 较短。喷出瓦斯量与卸压区面积及其瓦斯 储量有关。
相比之下，底板瓦斯突出通常持续时间 很短。但更加猛烈，甚至使底板层破裂并 向上喷射出大量固体物质。底板如果含有 较少的构造带，则顶板岩层能够抑制由外 部力量引起的裂隙的扩大．这将导致高压 瓦斯的聚集。但是．一般情况下，底板岩 层比顶板岩层储存的瓦斯量要少许多。例 如，根据美国学者莫瑞斯1974年的调查结 果，底板突出时，瓦斯量最多达到 1．4×10 4m3，但是顶板突出时瓦斯量 可以超过8×106m3。
1．瓦斯喷出 瓦斯喷出是指大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂 缝中快速喷出的现象。它是瓦斯特殊涌出中的一 种形式。其特点是瓦斯在短时间内从煤、岩层的 某一特定地点突然涌向采矿空间，而且涌出量可 能很大。风流中的瓦斯突然增加。由于喷出瓦斯 在时间上的突然性和空间上的集中性。可能导致 喷出地点人员的窒息，高浓度瓦斯在流动过程中 遇高温热源有可能发生爆炸，有时强大的喷出还 可以产生动力效应并导致破坏作用。瓦斯喷出与 瓦斯突出的区别在于喷出的物质只有气相，而突 出的物质同时包括气相(瓦斯)和固相(煤岩)。
尽管突出可能只持续几秒钟，但是解吸 的瓦斯促使煤尘充满巷道并向前冲击，将 设备和人员抛出一段距离，有时甚至抛出 一百多米。研究发现，发生突出后煤层中 的孔腔是光滑的岩层。几个相互连通的孔 腔可以在某一次突出中共同发生作用。突 出发生之后。在巷道和采掘面清除的煤尘 体积。要远远超过突出孔腔的体积。
(2)顶底板突出 顶底板突出是指突出的动力源来自开采煤层 的顶板或底板内积聚的瓦斯与压力。这主要 发生在长壁开采的采煤工作面中。开采煤层 邻近的上部或下部的瓦斯将从源头向开采工 作面运移。由于采动的裂隙可以作为瓦斯流 动的通道，卸压煤层的渗透率通常大幅度增 加，当上、下邻近层和开采煤层之间存在高 强度、低渗透率的岩石(顶、底板)时，这将 导致顶、底板的一侧出现高压瓦斯积聚。一 旦这个压力带突然破坏，大量瓦斯就会快速 地进人工作面区域。
掘进巷道发生的这类喷出,一般都在距掘 进工作面迎头一定距离(例如20~40 m)的 已掘的巷道处；采煤工作面发生的这类喷出， 一般都在工作面推进距开切眼约1～3倍层 间距(卸压瓦斯源所在邻近层与开采层的层 间距)处。因为这类喷出要具有一定的采掘 面积时才显现卸压。层间距、喷出源的瓦斯 压力、层间岩石力学性质、采掘地压以及地 质构造破坏程度等都影响这个面积值的大小。 卸压产生的裂隙及构造裂隙的张开，形成卸 压瓦斯喷出的通道。
产生瓦斯喷出的原因，是天然的或 因采掘工作形成的孔洞、裂隙内积存 着大量高压游离瓦斯，当采掘工作接 近或沟通这样的地区时，高压瓦斯就 能沿裂隙突然喷出，如同喷泉一样。 因此，根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不 同，可把瓦斯喷出分成地质来源的和 采掘卸压形成的两大类。
(1)瓦斯沿原地质构造洞缝喷出 这类喷出大多数发生在地质破坏带、石 灰岩溶洞裂缝区、背斜或向斜轴部储瓦斯区 以及其他储瓦斯构造与原始洞缝相通的区域。 这类喷出的特点是：在一般情况下喷出的瓦 斯流量较大，持续时间较长，无明显的地压 显现预兆，掘进巷道的瓦斯喷出一般位于工 作面迎头周围。喷瓦斯裂缝多属于开放性裂 缝。它们与储气层(溶洞、砂岩、煤层等)或 断层破坏带相通。
2．层内突出与顶底板突出 根据瓦斯动力在空间位置的来源， 有时将煤与瓦斯突出分为层内突出和 顶底板突出两种类型。这两种突出的 机理不同，故在性质上存在很大的差 异。下面将依次讨论这两种类型
(1)层内突出 层内突出是指从当前开采煤层中气 体和固体一起喷发出来的现象。导致 层内突出的地质条件多种多样，其中 一个普遍特征是岩层内包含多孔性矿 物和高压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体。煤矿的层内突出气体 主要是瓦斯、二氧化碳或这两种物质 的混合物，突出的固体主要是煤或煤 和岩石。
瓦斯喷出与突出及其防治 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出都是矿井 瓦斯的特殊涌出现象。瓦斯喷出和煤 与瓦斯突出能使工作面或井巷充满瓦 斯，造成窒息与爆炸条件；能破坏通 风系统，造成风流紊乱或短时逆转； 突出的煤流和瓦斯流能堵塞巷道，破 坏支架，破坏设备与设施。因此这类 瓦斯的突然涌出对煤矿安全生产危害 很大，必须认真防治。
在突出口附近，煤层由于受到额外 构造应力的作用，通常产生严重的扭 曲变形。在煤炭被粉碎以后，如果顶 板岩层维持较低的渗透率，则产生的 瓦斯仍将停留在原处。但是，由于煤 颗粒很细，煤层一旦卸压，瓦斯可以 很快地解吸出来。
当平巷和采掘面接近包含高压煤粉和瓦斯 的突出危险区域时，作用在处于自由采面和 隐含突出洞穴之间狭窄煤层上的应力将增加。 当到达某个临界状态，煤层开始出现裂缝， 这时煤层中将发出轰鸣或者类似于发动机的 声音。当瓦斯施加在喷发口的压力超过煤层 的屈服应力时，迎面的煤层将向外突出。瓦 斯的膨胀波可能冲击整个煤矿通风系统，压 力降低的膨胀波还能返回到粉碎的煤层。大 量瓦斯的快速解吸加强了瓦斯的膨胀作用， 把大量的煤尘推到巷道中。
煤层中的气体为二氧化碳时，突出 危险性比瓦斯大。因为在相同条件下。 煤对二氧化碳的吸附能力比瓦斯大8倍 左右。吸附的二氧化碳解吸时，也就 能释放出更大的能量，所以煤和二氧 化碳的突出次数多，强度大。我国只 有占林营城煤矿和甘肃窑街煤矿等极 少数矿井发生过岩石和二氧化碳的突 出。
图10—57反映了底板瓦斯突出的发展过程。 图10一57(a)中，下邻近层卸压使底板的 瓦斯向上运移，位于开采层与底板之间的 低透气性岩层受采动压力的影响出现裂隙， 并存在一定的瓦斯流动。而图10—57(b) 则表示了低渗透率的岩层没有破裂的情况。 对于后者，这个区域积聚的瓦斯产生更高 的压力梯度，成为潜在的突出地点。瓦斯 在底板岩层积聚的速率，取决于下邻近层 瓦斯的产生率和通过底板岩层的渗透率之 比，这个比值越大，瓦斯突出的危险性就 越高。
底板岩层裂隙中瓦斯的流动阻力随其强度和厚 度的增大而增长。此外，即使像细砂岩这样的多 孔岩层，如果被水浸润后，其相对渗透率也可能 锐减。 顶板突出则有很大不同。采煤工作面上部的煤 层，顶板发生垮落和下沉，产生较大的垂直运动， 这为瓦斯积聚提供了更大的空间。岩层的分离也 促进了平行于岩层的流动。因此，上覆岩层附近 可以储存大量的瓦斯。不过，低渗透率岩层容易 产生裂缝，同时，高压瓦斯在煤层积聚的可能性 也比较小。由于这些原因，顶板瓦斯突出通常表 现为持续几个小时到几个月的巨大瓦斯流，不过。 这时一般不会产生直接顶岩层的剧烈扰动。
突出发生的一般规律 突出是一种非常复杂的动力现象， 关于它在各种情况下形成的原因、过 程与实质，迄今还没有一个完整的学 说能够阐明。但是通过大量突出资料 的统计分析、长时期的生产实践和科 学实验的总结．已经获得了一些突出 的规律性，现简述如下。
(1)突出与地质构造的关系 绝大多数突出发生在地质构造带内，如 断层、褶曲、向斜、背斜、扭转和火成岩 侵入区附近等。据南桐矿区统计，95％以 上的突出(石门突出除外)发生在向斜轴部、 扭转地带、断层和褶曲附近。北票矿区统 计，90％以上突出发生在地质构造破坏区 和火成岩侵入区。这种情况可能是由于煤 系地层具有较大的弹性，随着地壳的不断 运动，地应力在煤系地层中逐渐聚积造成 的。
煤与瓦斯突出机理
教师：尹森山
突出的影响因素 1．地质因素 主要包括采深、地质构造及煤岩结构和力学特 性等。 开采深度的加大使地应力值增加。总的趋势是 随采深增加，突出危险性增加。这主要是由于随 采深增加，原岩应力增大的缘故。 地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然 变化等也影响突出的发生。宽缓向斜轴部易于形 成突出；断裂犹如一个开采边界，突出危险增加； 煤层倾角和厚度局部突然变化地带，实际是局部 地质构造应力积聚地带，因而极易发生突出。 煤体结构及性能也是影响突出的主要因素。
人们对层内瓦斯突出的机理存在争议， 当前的假说认为，突出洞穴中物质的结构已 经被地质时期的构造应力所破坏。煤矿层内 突出时，排放的煤量高达5 000 t以上，而 且其中大部分的直径小于10μm，并且伴随 有几十万立方米的瓦斯喷出。有人认为煤的 粉碎是受到巨大的切应力形成的。实验室研 究表明，对于普通的无烟煤试样，可以通过 这种方式变成易碎的突出性无烟煤。如果煤 层处在易受构造运动冲击的断层地区，则较 容易发生层内突出。突出性煤样的典型特征 是光滑易碎，以至于可以用手捏成粉状。
(2)突出与瓦斯的关系 煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大小是能否 实现突出的重要因素之一。一般情况下， 瓦斯压力和瓦斯含量越大，突出危险性越 大。大多数煤和瓦斯突出发生在瓦斯压力 大于1 MPa的情况下。但瓦斯压力不是绝 对和惟一的指标，还需要有其他因素的综 合作用。例如北票矿无突出危险煤层的瓦 斯压力可达3．4 MPa，反之，在瓦斯压力 小于1 MPa的情况下也发生过突出。
例如中梁山煤矿南矿，+390 m水平北 茅口灰岩大巷掘进爆破与石灰岩溶洞裂缝 (两条各宽10～100mm)相遇，随炮响起一 轰鸣声，像压气管路破裂似的大量喷出瓦斯， “雾”气弥漫、充满整个回风巷，两小时后 测得流量486 m3／min，瓦斯喷出持续两 周，共喷出36万m3瓦斯。此处正位于背斜 构造轴部、距断层破坏带约40 m，茅口灰 岩位于煤层群的底板。