煤與瓦斯突出是礦井最常見

1、煤與瓦斯突出是礦井最常見、最主要、最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，所謂煤與瓦斯突出是指在壓力作用下，破碎的煤與瓦斯在極短的時(shí)間內(nèi)，從煤（巖）體內(nèi)突然向采掘空間大量噴出的異常動力現(xiàn)象。煤與瓦斯突出不僅可以摧毀井巷設(shè)施，破壞礦井通風(fēng)系統(tǒng)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至充塞巷道，產(chǎn)生瓦斯爆炸，造成極大地人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對此，本文簡要剖析了影響煤與瓦斯突出的地質(zhì)條件，瓦斯的形成，以及突出的預(yù)兆、過程、力能計(jì)算、機(jī)理以及規(guī)律，以便各礦井根據(jù)自身情況，做好煤與瓦斯突出的防治工作。   0. 引言煤是工業(yè)的糧食，改革開放以來，在我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭約占70%到75%1，以煤為主的格局在今后幾十年不會發(fā)生

2、根本改變。近年來，隨著國家對煤炭開采力度的加大，開采深度不斷增加，煤層賦存條件復(fù)雜多變，礦井災(zāi)害屢見不鮮，而由煤與瓦斯突出引起的事故更是時(shí)有發(fā)生，例如，2009年的鶴崗新興煤礦事故；2008年的遼寧法庫“8.18”事故：2005年遼寧阜新孫家灣“2.14”事故等，毋庸置疑，這些事故造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，全面了解煤與瓦斯突出的演化過程對礦井生產(chǎn)具有重大的科學(xué)意義。1. 地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響1.1地質(zhì)構(gòu)造與煤與瓦斯突出的關(guān)系提到煤與瓦斯突出，就不得不考慮地質(zhì)構(gòu)造，因?yàn)椴煌牡V井有不同的地質(zhì)構(gòu)造，不同的地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出有不同的影響。大量的研究成果表明突出與構(gòu)造

3、有直接的關(guān)系，如山西陽泉80%以上的突出發(fā)生在構(gòu)造區(qū)2，開灤礦區(qū)60%的突出發(fā)生在以斷層為主的構(gòu)造附近，四川芙蓉礦47次的突出都發(fā)生在斷層和褶皺構(gòu)造附近3，安徽淮南礦區(qū)85%以上的突出與以斷層為主的構(gòu)造有關(guān)，河南平頂山礦區(qū)、江蘇省含煤礦區(qū)的突出也與構(gòu)造有關(guān)4。突出不僅需要良好的瓦斯形成和保存的地質(zhì)條件，還需要具備瓦斯突出的地質(zhì)條件。瓦斯的形成和保存奠定了突出發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造因素則是發(fā)生瓦斯突出的必要條件。綜合分析各方面的研究成果，從地質(zhì)力學(xué)的角度來看，構(gòu)造區(qū)內(nèi)突出危險(xiǎn)性相對較大的部位是:構(gòu)造體系的復(fù)合部位、弧形構(gòu)造的弧頂部位、褶曲構(gòu)造的褶扭部位、多種構(gòu)造體系的交匯部位、壓扭性斷裂所夾的

4、斷塊，以及旋轉(zhuǎn)構(gòu)造的收斂端和斷層的尖滅端等5。1.2煤層厚度對煤與瓦斯突出的影響研究表明突出點(diǎn)常分布在煤層厚度大和煤層厚度變化大的部位，見表1，突出危險(xiǎn)程度的差異與煤厚及其變化的關(guān)系有以下幾種4:1)煤層厚度較穩(wěn)定的多煤層礦井:各煤層的突出危險(xiǎn)性決定于煤層的厚度，隨著煤層厚度的增加,突出危險(xiǎn)程度增加。2)煤層厚度變化大的礦井:突出多發(fā)生在厚煤地段和煤厚變化帶。透鏡狀煤包和被薄煤帶包圍的厚煤帶的突出危險(xiǎn)性大.3)煤層厚度變化大的多煤層礦井:不同煤層相比較,煤厚變化大的地段比煤厚變化小的地段突出危險(xiǎn)性大。煤層厚度變化造成了瓦斯分布上的差異性，煤厚變化的梯度在一定程度上反映了瓦斯變化的梯度，造成了瓦

5、斯突出點(diǎn)分布的不均衡性。62.瓦斯的形成瓦斯是一種很復(fù)雜的混合氣體，其主要成分是甲烷和一氧化碳（CO），少量二氧化碳(CO2)和氮?dú)?N2)，微量的烴類氣體，如：乙烷、丙烷、硫化氫（H2S）等。2.1瓦斯成因煤層瓦斯是腐植型有機(jī)物（植物）在成煤過程中生成的7。它包含兩個(gè)階段：（1）生物化學(xué)階段（從植物遺體到泥炭）4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O 反映條件：空氣隔絕，微生物作用。特點(diǎn)：埋藏淺，覆蓋層膠結(jié)不好，煤層保存氣體少。（2）變質(zhì)階段（從泥炭到煙煤）泥炭 褐煤 煙煤 無煙煤如： 4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H

6、2O（泥炭 ） （褐煤）C57H56O10 C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O（褐煤） （煙煤）C54H42O5 C13H4 + 2CH4 + H2O（煙煤） （無煙煤） 特點(diǎn)：（1）碳化過程生成的大量氣體。（2）碳化的同時(shí)，煤的物質(zhì)分子式、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；（3）因覆蓋層增厚，生成的氣體大多得以保存。但煤層瓦斯含量遠(yuǎn)小于生成量83.煤與瓦斯突出的預(yù)兆突出煤層開采多年實(shí)踐表明，大多數(shù)突出前都會有有聲或無聲預(yù)兆，可以被人明顯感覺到，利用所掌握的預(yù)兆知識，避免不必要的人身傷亡事故，對于減少突出危害，保證人身安全以及避免突出災(zāi)害的發(fā)生都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。其中，有聲預(yù)兆：俗稱響

7、煤炮，通常在煤體深處打悶雷聲（放炮聲），劈啪聲（槍聲），霹靂聲，嘈雜聲，沙沙聲以及氣體穿過含水裂縫時(shí)的吱吱聲等。聲音由遠(yuǎn)到近，由小到大，有短暫的，有連續(xù)的，時(shí)間間隔長短也不一致。煤壁發(fā)生震動和沖擊，頂板來壓，支架發(fā)出折裂聲。無聲預(yù)兆：煤變軟，光澤變暗，掉渣和小塊煤剝落，煤面輕微顫動，支架壓力增加，瓦斯涌出量增高或者忽大忽小，煤面溫度或氣溫降低等。此外，煤壁被擠壓，頂板下沿或底板鼓起，煤層層理紊亂、煤壁發(fā)涼，打鉆時(shí)有頂鉆、卡鉆、噴瓦斯等現(xiàn)象。井下工作人員發(fā)現(xiàn)上述預(yù)兆后，應(yīng)立即向有關(guān)部門報(bào)告，及時(shí)采取措施。情況嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，迅速迎著風(fēng)流撤出。9 104.煤與瓦斯突出的各階段過程。煤與瓦斯

8、突出共分為有四個(gè)階段，即：準(zhǔn)備階段、激發(fā)階段、發(fā)展階段、終止階段。(1)準(zhǔn)備階段:在工作面附近的煤壁內(nèi)形成高的地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度。煤體內(nèi)地應(yīng)力梯度急劇增高，形成很高的應(yīng)力集中，積聚著很大的變形能；同時(shí)由于孔隙裂隙的壓縮，使瓦斯壓力增高，瓦斯內(nèi)能增大。在這個(gè)階段，會顯現(xiàn)多種有聲的與無聲的突出預(yù)兆。 (2)激發(fā)階段:極限應(yīng)力狀態(tài)下的部分煤體突然破壞，卸載(卸壓)并發(fā)生巨響和沖擊；由于煤體的破裂，伴隨著裂隙的生成與擴(kuò)張，膨脹瓦斯流開始形成，大量吸附瓦斯進(jìn)入解吸過程而參與突出 。 (3)發(fā)展階段:在地應(yīng)力與瓦斯壓力共同作用下，突出從激發(fā)點(diǎn)起向內(nèi)部連續(xù)剝離并破碎煤體;由于是瓦斯膨脹作功，破碎的煤在不斷

9、膨脹的承壓瓦斯氣流中邊運(yùn)送邊粉碎。煤的粉化程度、游離瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸瓦斯量以及突出孔周圍的卸壓瓦斯流對瓦斯風(fēng)暴的形成與發(fā)展起決定作用。(4)終止階段:突出的終止有兩種情況，一是在剝離和破碎煤體的擴(kuò)展中遇到了較硬的煤體或地應(yīng)力與瓦斯壓力降低到不足以破壞煤體；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撐建立起新的拱平衡或孔洞。雖然這時(shí)突出停止了，而突出孔周圍的卸壓區(qū)與突出的煤涌出瓦斯的過程并沒有停止，異常的瓦斯涌出還要持續(xù)相當(dāng)長時(shí)間11。突出停止后，碎煤及粉煤沉降，其中的瓦斯繼續(xù)解吸并涌向巷道。同時(shí)，由于煤的噴出，在媒體中新年工程某種特殊形狀空洞。空洞壁與洞口間的瓦斯壓力梯度，雖然不能把煤

10、拋出，但可以使空洞周圍參與的煤體繼續(xù)破碎，加劇瓦斯放散，這就是突出以后相當(dāng)長按一段實(shí)際內(nèi)還存在瓦斯大量涌出的原因。突出過程中，煤體變形變化的延續(xù)時(shí)間為0.1 64s,一般只有幾秒鐘。瓦斯壓力延續(xù)時(shí)間一般只有27s。因此，煤與瓦斯突出的全過程，一般只延續(xù)幾十秒，少數(shù)達(dá)1 2.5分鐘。突出后，突出空洞周圍的煤體由于受到殘余彈性潛能及瓦斯膨脹能的作用，繼續(xù)破壞并發(fā)生變形，使空洞壓縮、體積變小，甚至堆滿碎煤，直到空洞避建立了新的應(yīng)力平衡12。4. 煤與瓦斯突出力能計(jì)算4.1 地應(yīng)力煤體內(nèi)存在著地應(yīng)力（自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造力和采動集中應(yīng)力）、瓦斯壓力和煤的自重重力。自重應(yīng)力：鉛垂方向水平方向 地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力

11、： 水平方向采動集中應(yīng)力: 鉛垂方向煤的自重力: 鉛垂方向 一般地， , 13，通常地應(yīng)力在數(shù)值上為瓦斯壓力的幾倍到幾十倍，突出過程中破碎煤體的主導(dǎo)力是地應(yīng)力，特別是存在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，尤其如此。4.2 煤體彈性潛能單向應(yīng)力狀態(tài)：三向應(yīng)力狀態(tài)：式中 wt-煤的彈性變形潛能，mj/m3；-煤的平均應(yīng)力,Mpa；1 、2、 3-分別為三個(gè)方向的主應(yīng)力，Mpa；、E-分別為煤的泊松比和彈性模量。4.3 瓦斯內(nèi)能作用：破碎煤體；搬運(yùn)突出物；使突出不斷向煤體深部擴(kuò)展。熱力學(xué)變化過程：突出瞬間，膨脹瓦斯屬于等溫過程；破碎煤脫離煤體后，屬于多變過程；最后接近絕熱過程。根據(jù)熱力學(xué)，可推得一噸煤瓦斯膨脹內(nèi)能計(jì)算式為：式中 v1-噸煤瓦斯涌出量；P0、P1-突出前后，煤層瓦斯壓力；n -過程指數(shù)8。5.引起煤與瓦斯突出的原因分析5.1 思想因素分析 引起瓦斯爆炸事故的根源在于思想上認(rèn)識不足，沒有真正樹立安全第一的思想14，特別是在近兩年煤炭行情利好的情況下，許多煤炭企業(yè)一味的擴(kuò)大生產(chǎn)