淺析煤與瓦斯突出機(jī)理及其危害方式

劉路偉（陜西中能煤田有限公司 陜西榆林 719000）

淺析煤與瓦斯突出機(jī)理及其危害方式

劉路偉（陜西中能煤田有限公司 陜西榆林 719000）

根據(jù)多年的煤礦實(shí)踐，筆者從煤與瓦斯突出事故的機(jī)理及規(guī)律入手，分析了煤與瓦斯突出的特征及危害方式，從而說(shuō)明防治煤與瓦斯突出事故是突出礦井安全工作的系統(tǒng)工程，我們必須給予加強(qiáng)和重視。

煤與瓦斯；突出機(jī)理；危害應(yīng)用

【DOI】10．19312/j．cnki．61-1499/c．2016．07．101

一、煤與瓦斯突出現(xiàn)狀分析

1.煤與瓦斯突出現(xiàn)狀

煤礦采掘過(guò)程中，在極短的時(shí)間內(nèi)，從煤的體內(nèi)以極快的速度向采掘空間拋出煤與瓦斯的動(dòng)力現(xiàn)象，稱為煤與瓦斯突出。我國(guó)的煤礦96%為井工開采，90%以上為瓦斯礦井，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占48%，突出災(zāi)害發(fā)生次數(shù)為世界之最，累計(jì)突出次數(shù)達(dá)15000多次，占世界各國(guó)突出總數(shù)的40%，突出的規(guī)模為幾百噸、幾千噸、甚至超過(guò)萬(wàn)噸。

2.煤與瓦斯突出機(jī)理

采掘工作面煤巖體，在地應(yīng)力、瓦斯壓力的作用下積聚了大量的彈性潛能，一旦煤體或其中較硬的塊體在采掘應(yīng)力的擾動(dòng)下突然破碎，積聚在煤巖體中的彈性潛能瞬間釋放，將會(huì)在工作面附近產(chǎn)生突出現(xiàn)象。由于該突出現(xiàn)象的發(fā)生必須具備一定的能量，所以煤體需要經(jīng)歷一定的能量積聚過(guò)程，使之逐漸發(fā)展到臨界破壞甚至過(guò)載的脆弱平衡狀態(tài)，其發(fā)展過(guò)程可劃分為四個(gè)階段：

（1）準(zhǔn)備階段：這一階段在工作面附近的煤壁內(nèi)形成較高的地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度，即在有利的約束條件（石門巖柱，煤巷的硬煤包裹體）下，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。這個(gè)階段，會(huì)顯現(xiàn)多種有聲的與無(wú)聲的突出預(yù)兆。準(zhǔn)備階段的時(shí)間可在很大范圍內(nèi)變化，也可在幾秒內(nèi)完成。

（2）激發(fā)階段，特點(diǎn)是地應(yīng)力狀態(tài)突然改變，即極限應(yīng)力狀態(tài)的部分煤體突然破壞，卸載并發(fā)生巨響和沖擊。向巷道方向作用的瓦斯壓力，其作用力由于煤體的破裂，頓時(shí)增加幾倍到十幾倍，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)入解析過(guò)程而突出。

（3）發(fā)展階段：一是突出從激發(fā)點(diǎn)起向內(nèi)部連續(xù)剝離并破碎煤體；二是破碎的煤在不斷膨脹的承壓瓦斯風(fēng)暴中邊運(yùn)送邊粉碎。前者是在地應(yīng)力與瓦斯壓力共同的作用下完成，后者屬于瓦斯內(nèi)能作功過(guò)程。煤的粉化程度、游離瓦斯含量、

瓦斯放散初速度、解析瓦斯量以及突出孔周圍的卸壓瓦斯流，對(duì)瓦斯風(fēng)暴的形成與發(fā)展都起決定作用。

（4）終止階段：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瓦斯壓力因其被堵塞而升高，地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度不足以剝離和破碎煤體。但這時(shí)突出孔周圍的卸壓區(qū)與突出的煤，涌出瓦斯的過(guò)程并沒有停止，異常的瓦斯涌出還要持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。

3.煤與瓦斯突出的規(guī)律、預(yù)兆及其特征

（1）煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

第一，煤層突出危險(xiǎn)性隨開采深度的增加而增大。對(duì)同一礦區(qū)、同一礦井、同一煤層，隨著開采深度的增加，突出危險(xiǎn)性進(jìn)一步增大。 第二，絕大多數(shù)突出發(fā)生在煤巷掘進(jìn)工作面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤巷掘進(jìn)工作面突出占所有突出總和的76%，采煤工作面發(fā)生突出占15．8%，石門突出危險(xiǎn)性最大。 第三，煤層突出危險(xiǎn)性隨煤厚增加而增大。對(duì)同一礦區(qū)、同一礦井，突出煤層厚度越大，突出危險(xiǎn)性也越大，特別是隨著軟分層厚度的增加，突出的次數(shù)會(huì)增多，突出的強(qiáng)度也增大。 第四，大多數(shù)突出前均有作業(yè)方式誘導(dǎo)。采掘作業(yè)也是一種誘導(dǎo)因素，較多的有放炮，落煤，打鉆等。第五，煤體破壞程度越高，突出危險(xiǎn)性越大。突出煤層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是破壞程度高，煤的堅(jiān)固系數(shù)一般小于0．5，多為受到地質(zhì)構(gòu)造揉皺的構(gòu)造煤。第六，突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域通常呈條帶狀分布。突出危險(xiǎn)區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造的影響，而地質(zhì)構(gòu)造具有帶狀分布的特征，如斷層、向斜軸部、火成巖侵入形成變質(zhì)煤與非變質(zhì)煤交互等；采掘工程形成的應(yīng)力集中帶、應(yīng)力疊加區(qū)，如采掘工作面鄰近煤柱、采止線、兩條巷道貫通之前的應(yīng)力集中帶等也具有帶狀分布特點(diǎn)，使煤層突出危險(xiǎn)性增大。這些地區(qū)不僅突出頻繁，而且極易發(fā)生大強(qiáng)度煤與瓦斯突出。

（2）煤與瓦斯突出的預(yù)兆

第一，聲響預(yù)兆。煤體發(fā)出悶雷聲、爆竹聲、機(jī)槍聲、翁翁聲等，這些都統(tǒng)稱為響煤炮。 第二，瓦斯預(yù)兆。風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，瓦斯異常，瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?，打鉆時(shí)噴孔、出現(xiàn)蜂鳴聲等。 第三，煤體結(jié)構(gòu)預(yù)兆。煤層層理紊亂、煤體干燥、煤體松軟等，特別是煤層軟分層變厚時(shí)，更容易發(fā)生突出。第四，礦壓顯現(xiàn)預(yù)兆：支架來(lái)壓、煤壁裂開、掉渣、工作面煤墻外鼓、巷道底鼓、鉆孔頂鉆、夾鉆，鉆孔變形等等。

（3）煤與瓦斯突出的特征

第一，突出的煤向外拋出距離較遠(yuǎn)，具有分選現(xiàn)象。所謂分選就是不同顆粒度大小的煤按照其大小順序有規(guī)律堆積的現(xiàn)象。 第二，拋出的煤的堆積角小于煤的自然安息角。一般來(lái)說(shuō)，突出后被拋出的煤距離都很遠(yuǎn)，有的甚至堵塞掩埋了整條巷道全斷面達(dá)幾百米。第三，拋出的煤破碎程度比較高，含有大量的小煤塊和煤粉，這是在地應(yīng)力和構(gòu)造搓揉以及沖擊波的作用下形成的。第四，有明顯的動(dòng)力效應(yīng)，破壞支架、推倒礦車和拋出安裝在巷道內(nèi)的設(shè)施。第五，有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)突出煤量的瓦斯含量，有時(shí)會(huì)造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。第六，有各式各樣突出孔洞，孔洞的位置及形狀是各式各樣的。大部分孔洞位于巷道上山方向及工作面上隅角。典型突出的孔洞口小腹大（壓出和傾出例外），呈梨形或橢圓形，或者呈不規(guī)則拉長(zhǎng)的橢球形。

二、煤與瓦斯突出的危害及其方式

1.瓦斯及瓦斯逆流

突出一般都涌出遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤層正常涌出量的瓦斯。破壞通風(fēng)系統(tǒng)，瓦斯逆流，造成非突出地點(diǎn)作業(yè)人員的窒息傷亡。極有可能引起瓦斯爆炸，造成更大破壞和傷亡。

2.沖擊波

突出形成強(qiáng)大的沖擊波，在極短的時(shí)間內(nèi)沖向采掘空間，破壞巷道里的設(shè)施及支護(hù)，甚至直接沖擊附近作業(yè)的人員，釀成重大事故。

3.突出的煤

一般來(lái)說(shuō)，突出除了會(huì)突出大量的瓦斯之外，還有大量的煤也隨之突出，突出的煤破壞力也是比較強(qiáng)的，它可能把整條巷道都堵塞掩埋，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，也讓突出后的清理工作變得更加復(fù)雜和困難。