7任务七 煤与瓦斯突出机理和规律

任务七煤与瓦斯突出机理和规律
【主要内容】
一、煤与瓦斯突出的分类
二、瓦斯突出的分布特点
三、煤与瓦斯突出的机理
四、煤与瓦斯突出的基本规律
五、实训与操作-观察识记煤与瓦斯突出的预兆
煤矿地下采掘过程中，在很短时间(数分钟)内，从煤(岩)壁内部向采掘工作空间突然喷出大量煤(岩)和瓦斯(CH4、CO2)的现象，称为煤(岩)与瓦斯突出，简称突出。

煤与瓦斯突出是矿井瓦斯特殊涌出的一种形式。

它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象。

它能摧毁井巷设施，破坏通风系统，使井巷充满瓦斯与煤粉，造成人员窒息，煤流埋人，甚至引起火灾和瓦斯爆炸事故。

因此，是煤矿中严重的自然灾害。

1834年3月22日，法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次有记载的突出。

支架工在架棚子时，发现工作面煤壁外移，三个工人立即撤离，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没死亡，一人窒息牺牲，一人幸免于难，突出煤炭充满13m 长的巷道，煤粉散落长度15m，迎头支架倾倒。

1879年4月17日，比利时的阿格拉波2号井，向上掘进580～610m水平之间联络眼时，发生了当时在世界上第一次猛烈的突出。

突出强度420t煤，瓦斯50万m3以上。

最初瓦斯喷出量2000m3／min以上。

瓦斯逆风流从提升井冲至地面，距该井口23m处绞车附近的火炉引燃了瓦斯，火焰在井口上高达50m，井口建筑物烧成一片废墟，2小时后火焰将熄灭时，又连续发生7次瓦斯爆炸(每隔7分钟一次)，井下209人，死亡121人，地面3人被烧死，11人被烧伤。

迄今为止，世界各主要产煤国家都发生过煤和瓦斯突出现象。

世界上最大的一次煤与瓦斯突出发生在1969年7月13日前苏联的加加林矿，在710m水平主石门揭穿厚仅1．03m 煤层时，发生了煤和瓦斯突出，突出煤炭14000t，瓦斯25万m3。

我国有文字记载的第一次煤与瓦斯突出是1950年吉林省辽源矿区富国西二坑，在垂深280m煤巷掘进时发生突出。

在所有煤和瓦斯突出事故中，最大一次突出发生在1975年8月8日在天府矿区三汇坝一矿主平峒放震动炮揭穿6号煤层时，突出煤炭12780t，喷出瓦斯120万m3。

我国突出的气体，除甘肃窑街三矿与吉林营城煤五井是CO2外，其余多为以CH4为主的烃类气体，而且这些绝大多数突出是发生在掘工作面，其中以石门揭穿煤层的突出强度为最大。

突出的固体物主要是煤炭，有时伴有岩石。

从本世纪五十年代起，世界上不少矿井开采深度已超过700m，砂岩与瓦斯(或二氧化碳)突出频繁发生，例如前苏联已发生砂岩和瓦斯突出3293次，最大一次突出砂岩2372t。

我国吉林省营城煤矿五井，在距地表垂深439m处，于1975年6月13日在全岩掘进的平巷工作面，突出砂岩1005t，CO2 11000m3。

一、煤与瓦斯突出的分类
（一）按突出现象的力学特征分类
1.煤突然压出并涌出大量瓦斯(简称压出)。

发动与实现煤压出的主要因素是受采动影响所产生的地应力，瓦斯压力与煤的重力是次要的因素。

压出的基本能源是煤层所积蓄的弹性能。

2. 煤突然倾出并涌出大量瓦斯(简称倾出)。

发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、饱含瓦斯、内聚力小的煤，在较高的地应力作用下，突然破坏，失去平衡，为其位能的
释放创造了条件。

实现突然倾出的主要动力是失稳煤体的自身重力。

3. 煤与瓦斯突出(简称突出)。

发动突出的主要因素是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力作用为主，瓦斯压力作用为辅，重力不起决定作用，实现突出的基本能源是煤内积储的高压瓦斯能。

这三类动力现象的发动力都以地应力为主，所以它们的预兆相似，对震动以及引起应力集中的因素都非常敏感。

在应力集中地带、地质构造带、松软煤带等都易发生这三类动力现象。

（二）按突出的强度进行分类
突出强度是指每次突出抛出的煤(岩)数量(以t为单位)和涌出的瓦斯量(以m3为单位)。

由于瓦斯量的计量较难，暂以煤(岩)数量作为划分强度的主要依据。

据此，可分为：
1.小型突出，强度小于100 t；
2.中型突出：强度100 t (含100 t）至500 t；
3.大型突出：强度300 t (含500 t)至1000 t；
4.特大型突出：强度等于或大于1000 t。

二、瓦斯突出的分布特点
1．从地理分布来看。

我国突出分布的总规律是南方多、北方少，东部多、西部少。

根据全国煤与瓦斯突出分布的不均衡性，可将我国分为6个煤与瓦斯突出区域：华南区、华北区、东北区、西北区、西藏区、台湾区，其中以华南区突出最严重。

根据突出次数和严重程度，大体依次为湖南、四川、贵州、江西、辽宁、黑龙江、河南、山西、吉林、广东、广西、江苏、河北等省。

2．从时代分布来看。

由最老的早石炭世煤层(如湖南金竹山地区)到最新的第三纪煤层(如抚顺)都有突出发生。

但突出最严重的是华南晚二叠世龙潭组煤系，其次是晚侏罗世和早第三纪煤系，然后是石炭二叠纪的太原组。

因为不同时代的煤层瓦斯生成和保存条件有很大的差别，因此煤层厚、围岩完整致密、煤层变质程度较高、地质构造复杂、煤层埋藏深的高瓦斯矿井一般是瓦斯突出矿井。

三、煤与瓦斯突出的机理
（一）煤与瓦斯突出的机理假说
解释突出原因和突出过程的理论称为突出机理。

突出是个很复杂的动力现象，至今已提出许多假说，其机理概括起来有三个方面：发动中心扩展机理、流变机理、球壳失稳破坏机理。

目前，解释突出现象的理论以中国矿业大学蒋承林和俞启香教授提出的球壳失稳破坏机理假说为主。

现分别简述如下：
1．突出发动中心扩展机理假说
煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的发动中心开始，而后向周围扩展，并由发动中心周围的煤～岩石～瓦斯体系提供能量并参与活动，突出的发动中心就处在应力集中点，且由该点向各个方向的发展是不均匀的。

2．煤与瓦斯突出的流变机理假说
煤与瓦斯突出本质上是属于含瓦斯煤体的流变行为。

实践表明，一次大的突出往往是由几次小的突出所组成的，在煤层中波及的范围从几米到几十米，延续的时间从几十秒到几天。

突出在某些情况下表现为整体位移，在另一些情况下又表现为猛烈突出。

通过含瓦斯煤的流变行为，可以比较好地解释这一过程。

3．煤与瓦斯突出的球壳失稳破坏机理假说
在煤与瓦斯突出过程中，地应力首先破坏煤体，使煤体内产生裂隙，然后煤体向裂隙内释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤壳失稳破坏并抛出巷道，迫使应力峰值移向煤体内部，继续破坏后续的煤体，形成—个连续发展的突出过程。

该机理说明，煤体在地应力的作用下被破坏仅是突出发生的必要条件，裂隙能否在瓦斯压力的作用下扩展并且失稳抛出是突出发生的充分条件。

从整个突出过程来看，突出的发生与发展是以球盖状煤壳的形成、发展及失稳抛出为其特点的，所以叫球壳失稳破坏机理。

（二）煤与瓦斯突出机理的理论要点
综合而言，由煤与瓦斯突出机理假说引发的理论要点是：
（1）煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力与煤体结构或力学性质(即强度、硬度、脆性)三者综合作用的结果。

（2）地应力破碎煤体是造成突出的首要原因；瓦斯压力则起着抛出煤体和搬运煤体的作用；煤体结构或力学性质决定了突出的难易程度。

在突出过程中，地应力、瓦斯压力的发动与发展是突出发生的动力；而煤体结构或力学性质是突出发生的阻碍因素。

我们把地应力、瓦斯压力、煤体结构三个因素称为突出发生的条件。

它们存在于一个共同体中，有其内在联系，但不同因素对突出的作用不同，不同的突出起主要作用的因素也不一样，如图1-7-1所示。

（三）煤与瓦斯突出的过程
根据煤与瓦斯突出的机理，煤与瓦斯突出的过程，一般可划分为四个阶段，即准备、发动、发展和停止阶段。

突出的发动和终止应该只是突出过程中的两个突变点，而突出的准备和发展则是两个持续的过程。

第一，准备阶段。

在此阶段，突出煤体经历着能量积聚(例如地应力集中，孔隙压缩等)或阻力降低过程(例如落煤工序使煤体由三向受压状态转为两向受力状态等)，并且显现有声的与无声的各种突出预兆。

第二，发动阶段。

在该阶段，极限应力状态的部分煤体突然破碎卸压，发出巨响和冲击，使瓦斯作用在突然破裂煤体上的推力向巷道自由方向顿时增加几倍至十几倍，膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程，加强了流速。

第三，发展阶段。

在这个阶段中，破碎的煤在高速瓦斯流中呈悬浮状态流动，这些煤在煤内外瓦斯压力差的作用下被破碎成更小粒度，撞击与摩擦也加大了煤的粉化程度，煤的粉化又加速了吸附瓦斯的解吸作用，增强了瓦斯风暴的搬运力。

与此同时，随着破碎煤被抛出和瓦斯的快速喷出，突出孔壁内的地应力，与瓦斯压力分布进一步发生变化，煤体瓦斯排放，瓦斯压力下降，致使地应力增加。

导致破碎区连续地向煤体深部扩展，构成后续的气体和破碎煤组成的混合两相流。

第四，停止阶段。

当突出孔发展列一定程度时，由于堆积的突出物的堵塞和地压的分布满足了成拱静力平衡条件，导致突出停止。

但这时，煤的突出虽然停止了，而从突出孔周围卸压区与突出煤炭中涌出瓦斯的过程并没有完全停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长的时间。

这就造成了突出的瓦斯量大大超过煤的瓦斯含量的现象。

有的突出实例可以观察到上述突出过程几次重复，形成突出煤岩轮迥性堆积的现象。

图1-7-1煤与瓦斯突出综合作用条件因素
四、煤与瓦斯突出的基本规律
根据迄今大量的突出资料统计分析表明，煤与瓦斯突出具有一些基本规律。

掌握这些基本规律，对制定防治煤与瓦斯突出措施具有一定的参考价值。

(一)矿井开采深度增加，突出危险性增加
每一个矿井、煤层都有—个发生突出的最小深度(称为始突深度)。

不同地方的始突深度差异很大，多数突出矿井的始突深度大于100米。

一般矿井发生突出的最浅深度约为瓦斯风化带深度的2倍。

随着深度的增加，突出的危险性增高，表现为突出次数增多、强度增大、突出煤层数增加、突出危险区域扩大，如表1-7-1所示。

表1-7-1 突出强度与深度的变化
(二)突出危险性随煤层厚度(尤其软分层)增加而增大
突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层厚度的增加而增多。

突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层。

而且突出的危险性随煤层倾角的增大而增加。

煤层倾角增大，岩层及煤层自重应力参与突出的作用就增大，从而使突出的危险性增加。

表现为始突深度变浅、突
出次数增多和平均强度增大。

（表1-7-2）。

测定表明：突出危险煤层的瓦斯压力临界值为0．74MPa ，煤层的瓦斯含量和开采时的
相对瓦斯涌出量一般大于10m 3／t ，透气性系数小于10m 2／MPa 2
．d 。

(三)突出大多发生在地质构造带与煤层变化区
突出危险区集中在地质构造带，呈带状分布。

向斜轴部地区、背斜构造中部隆起地区、地层扭转、断层和褶曲附近、火成岩侵入形成的变质煤与非变质煤的交界附近等地区都是突出点密集地区，也是大型甚至特大型突出发生的地区。

一般突出危险带的面积，小于突出煤层面积的10％。

如表1-7-3所列为平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与地质构造及煤层变化关系。

(四)突出多发生在采掘工作面的震动作业时和应力集中区 资料统计表明，突出次数和强度与采掘巷道类型及作业方式有关，产生强烈震动的采掘作业可能诱导突出，这种作业不仅可引起应力状态的改变，而且可使动载荷作用在新暴露的煤体上，造成煤体的突然破碎。

另外，采掘工作形成的集中应力区是突出点的密集区。

如邻近层煤柱上下、相向的采掘接近处、两巷贯通之前的煤柱内、采掘工作面附近的应力集中区等。

在这些地区不仅发生突出次数多，强度也较大。

一般掘进工作面突出次数多于采煤工作面(掘进工作面突出占矿井总突出次数的70％以上)，掘进巷道突出强度大于采煤工作面突出强度。

(表1-7-4、表1-7-5)。

表1-7-2平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与煤层厚度关系
表1-7-3
平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与与地质构造的关系
表1-7-4平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与巷道类型的关系
表1-7-4平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与作业方式的关系
五、实训与操作-观察识记煤与瓦斯突出的预兆
通过观察实训室矿井突出模拟教学仿真设施和观看突出视频，观察识记煤与瓦斯突出前的预兆。

表1-7-4平顶山矿区煤与瓦斯突出强度与突出预兆的关系
突出预兆主要表现在三个方面：
1. 地压显现方面的预兆：煤炮声，支架声响，岩煤开裂，掉碴，底鼓，岩煤自行剥落，煤壁颤动，钻孔变形，垮孔顶钻，夹钻杆，钻机过负荷等；
2. 瓦斯涌出方面的预兆：瓦斯涌出异常，瓦斯浓度忽大忽小，煤尘增大，气温、气味异常，打钻喷瓦斯、喷煤、哨声、风声、蜂鸣声等；
3. 煤层结构与构造方面的预兆：层理紊乱，煤强度松软或不均匀，煤暗淡无光泽，煤厚增大，倾角变陡，挤压褶曲，波状隆起，煤体干燥，顶底板阶梯凸起、断层等。

【思考与练习】
1．煤与瓦斯突出按强度如何分类。

2．简述我国煤与瓦斯突出的分布特点。

3．简述煤与瓦斯突出机理的理论要点。

4．试述煤与瓦斯突出发生的过程。

5．简述煤与瓦斯突出的基本规律。

6．简述煤与瓦斯突出的预兆。