煤瓦斯突出机理及防控措施

一、机理的含义及意义

煤与瓦斯突出是一种复杂瓦斯动力现象。复杂瓦斯动力现象是怎样发生的？原因何在？发生的过程如何？这些引起人们关注的问题称之为突出的机理。即突出的机理是解释发生突出的原因，描述突出发生、发展和终止的过程，解释复杂瓦斯动力现象的理论。

了解突出机理的目的有二：一是便于有针对性地采取防治煤与瓦斯突出的综合性措施；二是提出相适宜的预测预报和措施效果检验的方法。

二、煤与瓦斯突出机理

人们积累了成千上万次突出资料，归纳出几种突出机理的假说，如地应力作用说，瓦斯作用说，瓦斯和构造煤相结合假说和综合作用假说。综合作用假说认为，突出是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质等因素综合作用的结果，这一假说全面考虑了突出的动力和阻力两个方面的主要因素，因而得到了专业人员的普遍承认。

（一）突出过程及其特征

突出过程可划分为四个阶段：

1.准备阶段

（1）时间：准备阶段的时间是在突出之前，可在很大范围内变化，在震动放炮或顶板动能冲击（松帮、落煤等）条件下，仅几秒钟可完成。

（2）机理：在工作面附近的煤壁内，由于能量的逐渐积聚，逐渐发展到临界破坏状态或过载的脆弱平衡状态，煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度；积聚着很大的变形能；同时由于孔隙裂隙的压缩，使瓦斯压力增高，瓦斯内能也增大。

（3）特征：这个阶段会出现多种有声的和无声的予兆如：

响煤炮；煤层结构破坏，层理紊乱，暗淡无光，网状剪切裂隙出现；煤壁掉碴，炮眼变形；瓦斯忽大忽小；煤壁发凉等。

2.激发阶段

（1）时间：突出开始

（2）机理：工作面附近煤体的极限平衡状态（临界破坏状态、脆弱平衡状态）突然被打破，部分煤体突然破碎卸载（发生巨响和冲击）；同时，由于煤体的破裂，大量的吸附瓦斯变成游离瓦斯，顿时会增加几倍至几十倍，再深一点的煤体裂隙伴随着又生成、扩张；由于瓦斯梯度的作用，｜膨胀瓦斯流开始形成瓦斯风暴，巷道中形成很高的瓦斯压力，方向朝向巷道空间，推动着煤体的破裂。瓦斯压力梯度达到0.117～0.189kg／cm（0.0117～0.0189Mpa／cm），煤的破碎速度可达11.4～19.5m／秒。

3.发展阶段

（1）时间：突出过程中

（2）机理：一方面突出从激发点起向煤体深部连续剥离并破碎煤体，这是由于地应力与瓦斯压力共同作用下完成的，另一方面破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎，煤逐渐粉化，煤粒内吸附瓦斯大量放散，变成游离瓦斯，呈现瓦斯压力以及突出孔洞周围的卸压瓦斯流，对瓦斯风暴的形成与发展起着决定作用。

（3）特征：新鲜煤壁不断暴露，连续剥离并破碎，突出孔洞周围的卸压瓦斯流形成，产生瓦斯风暴；瓦斯风暴连续不断把破碎煤及时送走，使破碎煤体连续向深部发展，孔壁处能保持着较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度。

4.终止阶段

（1）机理：一是剥离与破碎煤体扩散中遇到了较硬的煤体，或地应力瓦斯压力降低不足以破碎煤体；二是突出孔洞被堵塞，孔壁被突出的煤支撑形成新的平衡，孔洞内瓦斯压力升高，阻碍着地应力和瓦斯压力梯度，不足以剥离与破碎煤体。

（2）特征：突出虽然停止了，但孔周围的卸压煤体和已经突出的破碎的煤仍在继续涌出瓦斯；突出后，可能卸压不充分，掘进一段距离后，可能还会发生突出。如中马村矿一七轨道上山于1985年11月5日发生小突出，淹井后，于1989年4月23日掘进中又发生一次大突出，其间距只有7.6m。

（二）地应力、瓦斯和煤的物理力学性质在突出过程中的作用在突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力（包括自重应力、残存地质构造应力、采动引起的支承应力以及煤吸附瓦斯产生的附加应力等），通常地应力的大小为瓦斯压力的五倍左右。在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力和瓦斯压力联合作用，运送与粉碎煤体靠瓦斯压力及其瓦斯内能。当煤的强度非常低具有揉皱破碎结构（构造煤）并且煤层瓦斯含量高，瓦斯压力梯度很大时，也会出现瓦斯压力为突出主导力的现象，这是因为这种煤处于约束状态时（如石门揭煤前），可以储存较高的能量，透气性锐减，形成非常高的瓦斯压力梯度；这种煤处于表面状态时，它又极易破坏粉碎，放散瓦斯的初速度高，释放能量的功率大多因此当工作面附近煤体应力状态突然改变时，很容易激发突出。

1.地应力在突出过程中的作用

地应力在突出过程中主要作用有三个：一是激发突出；二是在发展阶段中与瓦斯压力联合作用对煤体进行剥离破碎；三是影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙，控制着瓦斯的流动、卸压和瓦斯解吸过程。当煤体突然破坏时，裂隙连通、卸压，顿时显现瓦斯流动，并有很高的压力，形成膨胀的瓦斯风暴，可以携带破碎煤体，成为二相混合流。

在地应力中，残存地质构造应力，常常使煤体受到剪切破坏，加上支承应力含有高的剪切分力，极易使处于极限平衡状态的煤壁突然被剪切破碎：在一对共扼剪切面内的煤体受到高压应力作用，也会连续剥离破碎，激发突出并使突出连续发展。(www.xing528.com)

2.瓦斯在突出过程中的作用

瓦斯在突出过程中的主要作用有三个：一是在煤层酥软，呈现构造煤场合，能形成高的瓦斯压力梯度，如2MPa的瓦斯压力；就可以激发突出。二是在发展阶段中，瓦斯压力与地应力配合连续剥离、破碎煤体使突出向深部传播。三是膨胀着的具有压头的瓦斯风暴，不断地把破碎煤运走并粉碎，使暴露的突出孔壁附近较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度，为连续剥离煤体准备必要条件。

3.煤的物理力学性质在突出过程中的作用

煤具有双重性质，强度高时，能承受较大的地应力而不易破碎，不易引起瓦斯突出或突出强度小；反之，煤软、强度低，易发生突出。当煤层富含瓦斯时，在地应力达到一定范围时，容易造成瓦斯突出。在突出发展过程中，破碎的煤炭又会形成阻力，阻止瓦斯突出的发展。

三、根据煤与瓦斯突出机理应合理有区别制定防突措施

（一）防突措施制定原则

地应力和煤层瓦斯压力是突出的主要动力，煤层是受压体，是破碎和抛出的对象，开采工艺条件是突出的外部诱导因素。为了防治突出，概括起来，可以归纳为以下几个基本原则：

1.部分卸除煤层或采掘工作面前方煤体的应力，将集中应力区推移至煤体深部；

2.部分抽排煤层或采掘工作面前方煤体中的瓦斯、降低瓦斯压力、减少煤层中瓦斯含量，减小工作面前方的瓦斯压力梯度；

3.增大工作面附近煤体的承载能力和稳定性；

4.改变煤体的力学性质，使其不易发生突出，如煤层注水后，煤体湿润。弹性减小，塑性增大，使突出不易发生；

5.改变采掘工艺，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯动力学状态平缓变化，达到工作面本身自我卸压。如水平分层开采，浅截深机组采煤、间歇作业等。

上述前两个原则是减小发生突出的能源，是国内外绝大多数防突措施的主要依据。如开采解放层、预抽瓦斯、超前钻孔、水力冲孔和松动爆破等。上述第三个原则是增大发生突出的阻力，其措施有超前支架、金属骨架等。实践证明，通过增大煤体稳定性的办法来防治小型突出，特别是倾出类型的突出是有效的，但对防止大型突出还要配合前两个原则。

（二）防突措施分类

防突措施一般分为两类：区域性防突措施和局部防突措施。

1.区域性防突措施

（1）作用原理　它在于使煤层一定区域（如一个采区、采煤工作面）消除突出危险性。属于该类措施的有开采解放层、预抽煤层瓦斯和煤层注水等。

（2）优点　措施施工与采掘作业互不干扰，且其防突效果优于局部防突措施；故应优先选用。

2.局部防突措施

（1）作用原理在于使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性，属于该类措施的有超前钻孔、抽排瓦斯、水力冲孔、松动爆破、金属骨架等。

（2）缺点措施施工与采掘工艺相互干扰且防突效果受地质开采条件影响较大。

（3）适用范围　局部防突措施可用于石门揭煤、煤巷工作面和采煤工作面等。

图4－1为防突措施分类系统图，它包括了矿井应用的主要防突措施。

图4－1　防突措施分类系统图