煤与瓦斯突出假说

对煤与瓦斯突出机理的研究

对于煤与瓦斯突出机理研究，国内外近年来已有很大进展，通过观测不少关于煤与瓦斯突出事件,积累了大量的突出纪录,并总结了防治突出的经验和教训,并提出了许多假说,

1认为瓦斯是诱发煤与瓦斯突出的主要原因

这类假说认为煤内存储的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。在这类假说中提出了“瓦斯包”的概念，。它认为在煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝,即瓦斯包,并且认为“瓦斯包”在突出过程中占有主要地位。该假说认为在瓦斯包附近其煤质松软,孔隙与裂隙发育,且被透气性差，因此具有较强的存储瓦斯能力,当巷道揭穿“瓦斯包”时,在瓦斯压力作用下将松软的煤窝破碎并抛出,从而诱发突出。

在抚顺煤研分院王佑安的煤与瓦斯突出模拟实验中，当瓦斯压力为零即不存在瓦斯的情况下，即便地应力再大也不会发生突出。在金洪伟煤与瓦斯突出发展过程的实验中，在只有瓦斯压力的作用下，煤块周围瓦斯压力的突然卸载瞬间会出现喷出雾状煤尘的现象，虽然会媒体表面出现碎粒迸出甚至整体断裂，但不会出现强烈的粉化破坏。

2化学本质说

化学本质说主要包括：“爆炸的煤说”、“重煤（原子量13）说”、“地球化学说”、“硝基化合物说”。该类别假说应用较少。

3认为地应力是诱发诱发煤与瓦斯突出的主要原因

该假说认为煤体局部地应力增大时诱发突出的主要原因，并且认为构造应力占主导地位，其中包括残余构造应力说和现在构造应力说以及应力集中说。残余构造应力说认为在地质构造形成以后，虽然经历的很长的时间，但还会有残余的部分构造应力，其值要远大于自重应力，一旦经过采掘作业，残余构造应力所引起的巨大弹性能会突然释放诱发突出。但在漫长的地质年代中,残余构造应力是否能保存下来还未有定论，所以又有人提出了现代构造应力说,即认为现代构造应力大的区域即为突出危险区域。另有人认为在采掘工作面前方存在着应力集中,当厚层顶板悬顶过长或突然冒落时,可能产生附加的集中应力。在集中应力作用下,煤发生破坏和破碎时,会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。

在成新龙等研究地应力对突出作用时认为地应力场对瓦斯压力场起控制作用，高的地应力决定高的瓦斯压力的存在,从而促进了瓦斯在突出中的作用。在段东等煤与瓦斯突出过程中地应力作用机理研究中，通过建立气固耦合数学模型进行数值模拟，当地应力较小时，开挖后煤体中的水平拉应力，垂直拉应力以及剪切应力随地应力的增大而减小，此时，地应力对瓦斯突出起阻碍作用。当地应力叫大过一定范围，开挖后煤体中的水平拉应力，垂直拉应力以及剪切应力随地应力的增大而增大，地应力产生的水平拉应力一方面增强了煤体抵抗破坏的能力，另一方面水平剪切应力增大促进了煤体的破坏。

4综合作用假说

该假说认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果。综合假说较全面的考虑了突出动力(地应力、瓦斯)和阻力(煤强度)两方面的主要因素,因而得到了国内外学者的普遍认可。在综合作用假说的提前下，很多学者又提出了一系列突出假说和突出机理。

1）前苏联学者B.B.霍多特的能量说，突出能量说认为,突出是煤的变形潜能和瓦斯内能突然释放引起的近工作面煤体的高速破碎现象。

2）巴浦洛夫等人的地应力分布不均说，地应力分布不均说认为,突出煤层的煤岩具有增高和不均匀的应力分布，当工作面前方煤体中的应力不均匀分布时，就会产生围岩的不均匀位移，产生冲击和煤的破碎，发生突出。该学说认为围岩应力状态的变化和能量的释放是造成突出的首要原因。

3）中国矿业大学提出的球壳失稳假说，他认为在石门揭穿瓦斯突出煤层时所发生的动力现象过程中,煤体的破坏以球盖状球壳的形成、扩展及失稳抛出为其典型特征,突出过程中煤体在应力作用下破坏是突出的必要条件而不是充分条件,并指出在理想石门揭煤条件下,煤层能否突出及突出强度的大小只取决于地应力、瓦斯压力、煤体强度及软分层厚度。而地应力、瓦斯压力和煤体强度只影响煤体破裂后的初始释放瓦斯膨胀能，所以只要测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度,就可以判断煤体是否会发生突出及突出的类型。

4）周世宁和何学秋两位教授提出了煤与瓦斯的流变机理，流变假说认为含瓦斯的煤在外力作用下,当达到或超过其屈服载荷时,明显的表现出变形衰减、均匀变形和加速变形三个阶段。

5）西安矿业学院的李萍丰提出了瓦斯突出机理的二相流体假说，该假说认为由于工作面受采场应力的作用，工作面前方煤体可分为突出阻碍区、突出控制区、突出积能区(或突出中心)和突出能量补给区。

对于低瓦斯矿井煤与瓦斯突出的研究，应该综合考虑瓦斯作用，地应力以及煤的物理力学因素。对于低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出我们提出了两种假设，一种是在低瓦斯矿井存在局部高瓦斯区域，在这种情况下，瓦斯可能起到了主导作用，但必须在一定的地应力条件下。针对这一假设，主要对低瓦斯矿井存在局部高瓦斯区域的产生机理进行定性分析。另一种情况是低瓦斯矿井整体瓦斯偏低，却存在地应力异常大的区域，比如地质构造非常复杂或者受采掘影响的应力集中区，即便是在非常低的瓦斯压力下，地应力增大也可能导致煤与瓦斯突出。针对这一假设，应该首先建立数学模型进行数值分析，模拟在一定的瓦斯条件下，逐级增大地应力直至突出发生，得出突出最小地应力；然后进行现场采样加工，实验室进行型煤实验并验证模拟结论。通过对第一类假设的定性分析以及第二类假设的定量以及实验分析，从而深入了解低瓦斯矿井煤与瓦斯突出的产生机理以及突出特征。

对低瓦斯矿井煤与瓦斯突出两种假设的研究：

一瓦斯可能不是突出发生的主要动力；

异常地应力或者其他地质条件可能是主导因素，但该过程中还有瓦斯作用，因此与冲击地压不尽相同。

异常地应力产生主要有两个方面：在采掘过程中，受采掘工艺的影响可能导致的应力集中；另一方面受地质构造的影响，煤层附近可能存在残余构造应力或者现代构造应力，由于其值远大于自重应力，所以在其作用下很可能诱发突出。这种情况在低瓦斯矿井更应该得到充分关注，属于实质性的低瓦斯矿井在较少瓦斯参与的情况下，由于地应力场的主导作用诱发的突出。

1）应力集中影响煤与瓦斯突出

①当采掘工作面处于临近层保护煤柱以及邻近层采掘工作面影响范围以内，即该层工作面进入临近层应力集中区从而产生应力叠加诱发突出。

②当采掘工作面处于相邻层巷道，采空区的应力集中区域内易产生应力集中