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。