浅析煤与瓦斯突出机理及其危害方式

              刘路伟（陕西中能煤田有限公司  陕西榆林  719000）

摘 要：根据多年的煤矿实践，笔者从煤与瓦斯突出事故的机理及规律入手，分析了煤与瓦斯突出的特征及危害方式，从而说明防治煤与瓦斯突出事故是突出矿井安全工作的系统工程，我们必须给予加强和重视。

关键词：煤与瓦斯；突出机理；危害

一、煤与瓦斯突出现状分析

1.煤与瓦斯突出现状

    煤矿采掘过程中，在极短的时间内，从煤的体内以极快的速度向采掘空间抛出煤与瓦斯的动力现象，称为煤与瓦斯突出。我国的煤矿96%为井工开采，90%以上为瓦斯矿井，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占48%，突出灾害发生次数为世界之最，累计突出次数达15000多次，

占世界各国突出总数的40%，突出的规模为几百吨、几千吨、甚至超过万吨。

    2.煤与瓦斯突出机理

    采掘工作面煤岩体，在地应力、瓦斯压力的作用下积聚了大量的弹性潜能，一旦煤体或其中较硬的块体在采掘应力的扰动下突然破碎，积聚在煤岩体中的弹性潜能瞬间释放，将会在工作面附近产生突出现象。由于该突出现象的发生必须具备一定的能量，所以煤体需要经历一定的能量积聚过程，使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态，其发展过程可划分为四个阶段：

   （1）准备阶段：这一阶段在工作面附近的煤壁内形成较高的地应力与瓦斯压力梯度，即在有利的约束条件（石门岩柱，煤巷的硬煤包裹体）下，煤体内地应力梯度急剧增高，形成很高的应力集中，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，瓦斯内能增大。这个阶段，会显现多种有声的与无声的突出预兆。准备阶段的时间可在很大范围内变化，也可在几秒内完成。

   （2）激发阶段，特点是地应力状态突然改变，即极限应力状态的部分煤体突然破坏，卸载并发生巨响和冲击。向巷道方向作用的瓦斯压力，其作用力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解析过程而突出。

   （3）发展阶段：一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体；二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。前者是在地应力与瓦斯压力共同的作用下完成，后者属于瓦斯内能作功过程。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、

瓦斯放散初速度、解析瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流，对瓦斯风暴的形成与发展都起决定作用。

   （4）终止阶段：一是在剥离和破碎煤体的扩展中，遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低到不足以破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高，地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离和破碎煤体。但这时突出孔周围的卸压区与突出的煤，涌出瓦斯的过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长时间。

    3.煤与瓦斯突出的规律、预兆及其特征

   （1）煤与瓦斯突出的一般规律

    第一，煤层突出危险性随开采深度的增加而增大。对同一矿区、同一矿井、同一煤层，随着开采深度的增加，突出危险性进一步增大。第二，绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面。据统计，煤巷掘进工作面突出占所有突出总和的76%，采煤工作面发生突出占15.8%，石门突出危险性最大。 第三，煤层突出危险性随煤厚增加而增大。对同一矿区、同一矿井，突出煤层厚度越大，突出危险性也越大，特别是随着软分层厚度的增加，突出的次数会增多，突出的强度也增大。第四，大多数突出前均有作业方式诱导。采掘作业也是一种诱导因素，较多的有放炮，落煤，打钻等。第五，煤体破坏程度越高，突出危险性越大。突出煤层结构特点是破坏程度高，煤的坚固系数一般小于0.5，多为受到地质构造揉皱的构造煤。第六，突出煤层危险区域通常呈条带状分布。突出危险区受地质构造的影响，而地质构造具有带状分布的特征，如断层、向斜轴部、火成岩侵入形成变质煤与非变质煤交互等；采掘工程形成的应力集中带、应力叠加区，如采掘工作面邻近煤柱、采止线、两条巷道贯通之前的应力集中带等也具有带状分布特点，使煤层突出危险性增大。这些地区不仅突出频繁，而且极易发生大强度煤与瓦斯突出。

   （2）煤与瓦斯突出的预兆

    第一，声响预兆。煤体发出闷雷声、爆竹声、机枪声、翁翁声等，这些都统称为响煤炮。    第二，瓦斯预兆。风流逆转，瓦斯异常，瓦斯浓度忽大忽小，打钻时喷孔、出现蜂鸣声等。    第三，煤体结构预兆。煤层层理紊乱、煤体干燥、煤体松软等，特别是煤层软分层变厚时，更容易发生突出。第四，矿压显现预兆：支架来压、煤壁裂开、掉渣、工作面煤墙外鼓、巷道底鼓、钻孔顶钻、夹钻，钻孔变形等等。

   （3）煤与瓦斯突出的特征

    第一，突出的煤向外抛出距离较远，具有分选现象。所谓分选就是不同颗粒度大小的煤按照其大小顺序有规律堆积的现象。第二，抛出的煤的堆积角小于煤的自然安息角。一般来说，突出后被抛出的煤距离都很远，有的甚至堵塞掩埋了整条巷道全断面达几百米。第三，抛出的煤破碎程度比较高，含有大量的小煤块和煤粉，这是在地应力和构造搓揉以及冲击波的作用下形成的。第四，有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车和抛出安装在巷道内的设施。第五，有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤量的瓦斯含量，有时会造成风流逆转。第六，有各式各样突出孔洞，孔洞的位置及形状是各式各样的。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（压出和倾出例外），呈梨形或椭圆形，或者呈不规则拉长的椭球形。

    二、煤与瓦斯突出的危害及其方式

    1.瓦斯及瓦斯逆流

    突出一般都涌出远远高于煤层正常涌出量的瓦斯。破坏通风系统，瓦斯逆流，造成非突出地点作业人员的窒息伤亡。极有可能引起瓦斯爆炸，造成更大破坏和伤亡。

    2.冲击波

    突出形成强大的冲击波，在极短的时间内冲向采掘空间，破坏巷道里的设施及支护，甚至直接冲击附近作业的人员，酿成重大事故。

    3.突出的煤

     一般来说，突出除了会突出大量的瓦斯之外，还有大量的煤也随之突出，突出的煤破坏力也是比较强的，它可能把整条巷道都堵塞掩埋，破坏通风系统，也让突出后的清理工作变得更加复杂和困难。