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东北大学 博士学位论文 煤与瓦斯突出影响因素及微震前兆分析 姓名段东 申请学位级别博士 专业采矿工程 指导教师唐春安 20090501 q _ 东北大学博士学位论文摘要 煤与瓦斯突出影响因素及微震前兆分析 摘要 煤与瓦斯突出是煤矿中常见的矿井灾害，其突发性和毁灭性极强。对瓦斯突 出的防治已成世界性难题。在瓦斯突出机理的认识上尚存在多家多派的现象，且 对瓦斯、地应力在瓦斯突出中的作用认识上尚存在较大分歧。在瓦斯突出监测预 测方面，传统的预测方法具有一定的滞后性。因此，本文基于煤炭开采过程中的 微破裂是煤与瓦斯突出等矿山动力灾害前兆特征的基本认识，突破以瓦斯浓度等 表象信息监测为依据进行矿山动力灾害预报的传统思路，从开采扰动诱发地质环 境劣化过程灾变导致矿山动力灾害发生的本质出发，以数值计算和微震监测技术 为手段，地质环境劣化过程中的气固耦合理论分析为基础，总结分析煤与瓦斯突 出等矿山动力灾害机理，揭示煤与瓦斯突出孕育的内在动因和前兆规律，为煤与 瓦斯突出的实时预报提供理论依据。建立煤与瓦斯突出的微震监测系统，能有效 预防瓦斯突出灾害的发生，为微震监测技术在瓦斯突出监测中的应用起到示范作 用。本文主要研究内容如下 1 研究煤体的基础参数，如非均匀性、透气性及数值模拟中的单元随机性 对瓦斯突出的影响，加深对瓦斯突出及瓦斯突出现象离散性的理解。 2 在基于煤体物理力学性质非均匀性、煤体和瓦斯相互耦合作用及瓦斯突 出综合假说的基础上，对瓦斯突出的三要素 瓦斯、煤体物理性质、地应力 在 瓦斯突出中的作用进行数值模拟研究，对瓦斯突出三要素在瓦斯突出中的作用达 到定性的描述，为瓦斯突出三要素的认识及瓦斯突出的防治提供理论依据。同时， 根据研究结果，对一些瓦斯突出现象做出科学的解释。 3 分析含瓦斯煤体在不同围压情况下破坏过程中的微震在时间和空间上的 分布特征，寻找有效的微震信息和有效的预测方法，在此基础上，分析不同煤质、 不同瓦斯含量煤体破坏过程中微震的分布特征，根据之前提出的预测方法对潜在 破坏危险区进行预测，根据煤样破坏规律评判预测的准确性。 利用l 冲P A 3 D 数值模拟软件研究岩石类材料三点弯曲破坏过程中的微震在时间 和空间上的分布特征，从三维空间角度分析微震事件与应力分布之间的关系。 4 研究软分层厚度对瓦斯突出微震前兆在时间和空间上的分布特征的影 U 东北大学博士学位论文摘要 响，确定含软分层煤层发生瓦斯突出时的微震前兆模式。分析煤层开采过区域构 造煤、断层情况下的瓦斯突出微震前兆模式。利用微震前兆事件在空间上的分布 规律对突出发生的位置进行预测，通过对比分析微震前兆事件在空间上的分布规 律与瓦斯突出规律，对预测方法、预测结果的准确性和可靠性做出判断。 5 在新庄孜煤矿建立瓦斯突出微震监测系统，建立微震震源波形库，对回 采工作进行实时监测，根据回采情况分析微震监测的准确性，并通过网络实现数 据的远距离和远程传输。 关键词瓦斯突出；微震监测；R F P A 2 D _ G a s f l o w ；微破裂；微震前兆；潜在破坏危 险区预测 I I l 东北大学博士学位论文 A b s 仃a c t A n a l y s i so fI n n u e n c i n gF a c t o r so fC o a la n d G a so u t b u r s ta n dM i c r o s e i s mP r e c u s o r A b s t I I a c t C o a la I l dg a so u t b l l r s ti sc O m m o nm i n cd i s a s t e r ，i t ss u d d e I lc h a r a c t e ra n d d e s 咖c t i o nc h a r a c t e ra r ce X t r 铘1 e l ys 仃o n g ．T h ep r e V e I l t i o na l l dc o n 仃0 1t 0g a Sb l l l 葛th a V e a l r c a d yb e c o m eaw o r l d w i d ed i 街c u l tp r o b l e m ．T h e r ee X i s t sap h e n o m e I l o no fd i 侬 r e n t k i n d so fm l d e r s t 觚d i n go nt h em e c h a n i s mo fg a u s ，a I l dt h e r ee x i s t sb i g g e rb i 如r c a t i o no f l l l l d e 璐t a n d i n go nt h ee 伍j c tw h i c hg a S 锄dg r 0 珊ds 仃．e s st a k ei 1 1m eg a So u t b u r s t ．o nt l l e 嬲p e c to fm o n i t o r i n ga 1 1 df o r c c a S t i n go fg a so u t b l l r s t ，t h et r a d i t i o n mf o r e c a S t i n gm e t h o d i so fs o m eh y S t e r e t i cn a t I l r e ．S ot h i sp 印e rb a S e so nm eb 硒i cl l n d e r s t a I l d i n gt h a tm e m i c r of a i l u r ei sm ec o a l ，g 淞o u t ．b u r s ta I l de t c ．m i n ep o w e rd i s a S t e r p r e c u r s o r c h a r a 曲函s t i c ，t h eb r c a kt h et r a d i t i o n a lt h o u 9 1 l tw h i c hf o r e c a s tt l l em i I l ep o w e rd i s a s t e r a C c o r d i I l gt o 廿l eg 硒c o n c e I l 仃a t i o nc t c ．r 印r e s e I l t a t i o ni n f l o m a t i o n ，s t a r t 鱼 mt h e e s s e n c ew h i c hg e o l o g y 觚de n v i r o m n e n td e t 嘶o r a l t i o np r o 毋．c s s i o nc a t a s 昀p h ew h i c h 也em i n i n gd i s t u r b a I l c ei I l d u c e sl e a dt 0t h eh 印p e n i n go fm i l l ep o w e r d i s a s t 既B ym e a n s o fn 啪耐c a lc a l c u l a t i o n 锄dm i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gt e c h 咀i q u e 锄do nt h eb a S i so f g 弱一s o l i dc 0 岫p l i n gt h e o r e t i c a l 姐a l y s i si nt h ep r o 铲e s so fg e o l o g y 弛de 岫n m e n t d e t e r i o r a t i o n ，s u l m n a r i z ea 1 1 d 锄a l y z em ec o a la I l dg 嬲o u t b u r S t ，e t c ．m i n ep o w c rd i s a s t e r m e c h a n i s m ，r e V e a li 1 1 l l 蝴tm o t i V a t i o na n dp r e c l l r s o 巧n l l eo fc o a la I l dg 器o u t b u r s t ， 懿t a b l i s hm e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr c a l t i m ef ．o r c c a S t i n go fc o a la n dg a so u t b u r s t ．T h e h 印p 痂go fg a S o u t b u r s td i s 猫t e rc a nb e p r e v e I l t e de 仃e 鲥V e l yb ye s t a b l i s h m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gs y s t 锄o fC o a l 锄dg 弱0 u t b u r S t ，p l a yad e m o n s t r a t i o nr o l ei n a p I p l i c a t i o no fm i c r o s e i s m i cm o I l i t o r i n gt e c l l I l i q u ei ng a S0 u ．t b u r s tm o n i t o r i n g ．T h em a i n r e s e 锄c hc o n t c I l to ft l l i sp r e s e I l tp a p e ri s 嬲f o l l o w s 1 T h em i c r os 饥l c t I l r eo fc o a l ，s u c h 硒n o n u n i f o n n i 够，p 锄e a b i l i t ，姐dt h e i n n u e I l c e 、 I ，h i c ht l l eg a So u t b u r s to nt h e 瑚d o m n e s so fm l i t si nn 啪谢c a ls i I n u l a t i o na r e s n l d i o d ．T h eu n d e r s t 锄d i n go fg a So u t b u r s tm e c h a n i s ma n dg a so u t b u r s tp h e n o m e n o n d i V e r s i f i c a t i o ni ss 概g t h c n c d ． Ⅳ 东北大学博士学位论文 A b s t r a c t 2 O nm eb a S i so fc o a lp h y s i c a la 1 1 dm e c h a n i c a lp r o p e n i e sn o n u n i f o m i 饥c o a l a I l dg a Si I l t e r ∞u p l i n ge 任．e c ta I l dg 嬲o u t b u r s tc o m p r e h e n s i V es r L 巾p o s i t i o n ，m l m e r i c a l s i l I l u l a t i o nr c s e 删1i nt 1 1 ee 行．e c to ft 1 1 r e ef 融o r so fg a So u 仿u r s t g a s ，p h y s i c a lp r o p 鲥y a n d 粤．o l u l ds 仃．e s s i ng 弱o u t b u r 吼i sd o n e ，e 仔．e c to f Ⅱ1 r e ef ．a c t o r So fg a so u t b 删i ng 邪 o u 仍u r s ti sq u a l i t a t i V e l yd e s c r i b e d ，t h e o r e t i c a le V i d e n c ef o rc o g n i t i o no fg 硒o u t b u r s t m e c h a n j s m 觚dg a So u t l b u r s tp r e v 即t i o ni s p r o v i d e d ．M e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt 0t h e r c s e a r C hr c s u l t s ，姐s c i e I l t i f i ce X p l 锄a t i o nt os o m eg a So u t b u r s tp h 肌o m e n ai sm a d e ． 3 T h ed i s t r i b 砸o nc h a r a c t 面s t i c so fm i c r o s e i s mi nt i m ea n ds p a c ca n di nt h e f 撕1 u r ep r o 粤．e s so fg a S s yc o a lu n d c rd i f f - e r e n tc o n f i n i n gp r e s s Ⅷ- ei sa n a l y z e d ，e 丘．e c t i V e m i c r o s e i s mi n f o 咖a t i o na n de 艉砸v ep 同i c t i o nm 砒o di sf o u n d ，o nm eb 撕so ft h i s ， t 1 1 ed i s t r i b u t i o nc h 黝c t 面s t i c so fm i 啪s e i 锄i nc o a lf a i l u r ep r o g r e S so fd i 疏僦tc o a l q u a l i t ya n dd i 侬 r e n tg 硒c o n t e I l ta r ea n a l y Z e d ，p o t e n t i a lf a i l u r er i s kr e 西o na c c o r d i n gt 0 p r c d i c t i o nm e m o dw r h i c hi sp u tf o 刑a r db e f o r ei sf o r e c a s t ，a C c u r a c yo ff o r e c 嬲t a c c o r d i n gt oc o a ls 锄p l ef a i l u r el a wi sj u d g e d ． B yu s i n gR F P A 3 Dc o d es t u d yt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o s e i s mi I lt i I n e 趾ds p a c ei nt h er o C k l i k ema t I 喇a lt l l r e e - p o i n tb e I l d i n g 筋l u r cp r o g r e s s ，t h er e l a t i o n b e t w e c I lm i c r o s e i s mi n c i d e n t sa n ds 仃e s sd i s t r i b u t i o n 丘．o mm et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e p e r s p e c t i V ei s 锄a 1 ，z e d ． 4 T h ei n n u e n c ew h i c hs o f ts 妇t i 矗c a t i o nt l l i c 虹懿si m p o s 豁o nm ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t 耐s t i c so fg 鹤o u t b u r 砒m i c r o s e i s mp r e c u r s o ri nt i m e 孤ds p a c ei ss t u d i e d ， m i c r o s e i s mp r e c u 喝o rm o d e 、 I ，_ h e ng 嬲o u t b u r s th 印p e n si ns o Rs 仃a t i f i c a t i o nc o a ls e a mi s d 酏e n n i n c d ．G 够o u t b u r s tm i c r o s c i s mp r e c I l r s o rm o d ew l l i c hi si nt 1 1 es i t u a t i o no f s t r I l c t u l 血gc o a la c r o s sr e 酉o n 趾df I a u l ti nt h eC 0 a 1s e 锄a r ca 1 1 a 1 ，z e d ．B yc o m p a r i n g 趾d 趾a 1 ，z i n gt h em i c r o s e i s mp r o c u r s o ri n c i d e n td i s t r i b u t i o ns c a l e i ns p a c e 觚dg 嬲 o u t b u r s tl a w ，t h ea c c l u 隐c ya n dr e l i a b i l i t yo ff o r e c a s tm e t h o d s 赳l dr ∞u l t sa r ej u d g e d ． 5 G 勰0 l r t b u r s tm i c r o s e i s mm o n i t o r i n gs y s t 锄i nX i n z l m a n g z iC o a lM i n ei s e s t a b l i s h e d ，m i c r o s e i s ms 0 1 1 1 1 ∞w a v e 南ml i b r a r yi sc s t a _ b l i s h e d ，n l e 卸c c 眦．a c yo f m i c r o s e i s m m o n i t o r i n ga c c o r d i n g t o m i n i n g s i t u a t i o ni s 趾a l y z e d ， l o n 争d i 啦m c e t r a n s m i s s i o no fd a t ab yn e 觚o r ki sr e a l i z e d ． V 东北大学博士学位论文A b s n ．a c t K e yw o r d s g a so u t b u r s t ；m i c r o s e i s mm o n i t o 咖g ；R F P A 2 D ，G a s f l o w ；m i c r o 亿i l u r e ； m i c r o s e i s mp r e c u 髑o r ；p o t c n t i a lf ．a i l u r cn s kr e 酉o nf o r e c a s t V I 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谓十 二￡t 思。 学位论文作者签名氧暂、 于’阻比义，『F 伺盈自．朴‘w 、 日期卅．∥．站， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年函一年口一年半口两年口 学位敝作者硌权哲、 签字日期M ．∥．砖 C 尸。r9 ’刖 导师签名 签字日期 东北大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 问题的提出及选题的意义 煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，在煤和瓦斯突出过程中，从煤体中喷 出的煤岩体具有巨大的冲击力量，甚至可将煤岩体抛射到距工作面几米至几百米 远的地方。同时，喷出的煤岩体和瓦斯可以极大地破坏采掘工作面和通风系统， 还可以造成瓦斯窒息、瓦斯爆炸以及煤流埋人等重大伤亡事故，是国内外煤矿开 采过程中常见的工程诱发灾害n 1 。 煤矿动力灾害是我国矿山动力灾害中最主要的部分，其中瓦斯事故占7 0 ％以 上盥1 。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 4 0 0 0 余次，约为世界总发生次 数的三分之一，其中发生强度在千吨以上的瓦斯突出的次数达1 0 0 多次∞1 。我国井 工煤矿占9 5 ％，平均井深在4 0 0 m 以上。与世界主要产煤国相比，我国煤矿地质构 造复杂，矿井事故多发，平均百万吨死亡率在6 左右，是美国的1 4 5 倍，年死亡 人数6 0 0 0 人左右，是全球其他产煤国家死亡人数总和的3 倍。与同属发展中国家 的邻国印度 百万吨死亡率0 ．4 2 相比，我国煤矿百万吨死亡率仍高出1 3 倍。近年 来，虽然关闭了数万个乡镇煤矿，但我国煤矿伤亡事故严重的局面仍然没有得到 有效控制。矿井因采动引起的瓦斯事故仍然频繁发生，死亡1 0 人的重大瓦斯突出 事故在地方煤矿和部分国有重点煤矿中频繁发生，如湖南郴州市永兴县香梅乡张 家洲煤矿、河北邯郸峰峰集团大淑村煤矿、河南平煤集团公司十矿、贵州纳雍县 群力煤矿、湖南省冷水江市东塘煤矿、贵州水城矿业集团公司汪家寨煤矿、陕西 韩城矿务局下峪口煤矿等在近几年都发生了严重的瓦斯突出事故。尤其近几年国 有煤矿在装备投入不足的 特别是安全检测和决策手段短缺 情况下盲目扩大生 产，发生了几十起伤亡数十人到数百人的重大恶性事故。仅自2 0 0 4 年1 0 月以来， 中国已先后有郑煤集团大平煤矿、铜川陈家山煤矿、阜新孙家湾煤矿、黑龙江七 台河煤矿等四家大型国有煤炭企业相继发生特大瓦斯事故，每次事故死亡人数都 在百人以上。国有大中型煤矿发生瓦斯动力灾害事故所占的比重明显加大， “大 矿大难“ 已显现为一种趋势。 随着我国人口的持续增长，国民经济的高速发展，人们对矿产资源的需求量 也日益增加，复杂难采和深部开采诱发的安全问题日益突出，煤与瓦斯突出等重 大的工程地质灾害和事故隐患严重，严重制约着矿产资源合理的开发与利用。多 东北大学博士学位论文 第一章绪论 年来尽管我国已经开展了大量的矿山动力灾害机理和防治技术的研究，但目前我 国矿山安全生产形势依然严峻，如果短期内不能在矿山动力灾害机理、预测预报 和控制方面有所突破，势必成为制约煤矿发展乃至我国国民经济可持续发展的瓶 颈。这种趋势和现状，已经引起党中央和国务院的高度重视。国务院总理温家宝 2 0 0 5 年在阜新孙家弯“2 ．1 4 “ 矿难后 2 0 0 5 年2 月2 3 日 主持召开国务院常务会 议上，研究部署加强煤矿安全生产工作，痛下决心，标本兼治，采取七项措施开 展瓦斯集中整治，坚决防范煤矿重特大事故的发生。其中主要有三项技术措施 1 对瓦斯灾害严重和存在重大隐患的煤矿逐个进行安全评估，帮助制定具 体的防范措施； 2 推广数字化瓦斯远程监控系统，高瓦斯和突出矿井一律建立瓦斯抽放和 监测系统； 3 加快煤与瓦斯突出机理及预测预报科研攻关。 矿山动力灾害的研究表明，煤炭矿山的煤与瓦斯突出是矿山开采造成的地质 环境劣化过程灾变 微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳 的结果。因 此，在煤与瓦斯突出发生之前，都有地质环境劣化的前兆，这种前兆主要表现在 微破裂演化过程的微震活动性。而诱发地质环境劣化的直接原因，则是岩层或煤 层中应力或应变增加的结果。煤与瓦斯突出灾害发生前的煤岩体应力、应变演化， 微破裂扩展及其微震活动性则是灾变前兆，必须加强开采扰动诱发地质环境劣化 及其微震活动性规律的研究，为超前防治与建立本质安全型现代化矿井提供技术 保障。 煤与瓦斯突出灾害的预测，不能还走只关注瓦斯浓度监测的老路，更不能就 瓦斯灾害而单一地监测瓦斯，必须寻找诱发瓦斯大量涌出的本质前兆信息，即开 采扰动的微震活动性。 对于矿山动力灾害的监测预报而言，在原有瓦斯、地质条件信息监测的基础 上，更应从寻找诱发矿山动力灾害的本质机理和微破裂前兆规律入手，开展矿山 煤与瓦斯突出灾害分析预报方法的研究。 因此，本文基于煤炭开采过程中的微破裂是煤与瓦斯突出等矿山动力灾害前 兆特征的基本认识，突破以瓦斯浓度等表象信息监测为依据进行矿山动力灾害预 报的传统思路，从开采扰动诱发地质环境劣化过程灾变导致矿山动力灾害发生的 东北大学博士学位论文 第一章绪论 本质出发，以数值计算和微震监测技术为手段，地质环境劣化过程中的气固耦合 理论分析为基础，总结分析煤与瓦斯突出等矿山动力灾害机理，揭示煤与瓦斯突 出孕育的内在动因和前兆规律，为煤与瓦斯突出的实时预报奠定理论基础。本文 通过与国家重大战略需求相结合，提出开展采动煤岩地质环境劣化诱发煤与瓦斯 突出灾害机理研究，对于建立并完善煤与瓦斯突出灾害预测预报基础理论和方法， 保障我国能源安全和实现十六大提出的“高度重视安全生产、保护国家财产和人 民生命安全”国家战略目标具有重要的意义。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 瓦斯突出机理研究现状 - 自1 8 4 3 年法国鲁阿尔 L o i r e 煤田以萨克 I s s a c 煤矿发生世界上第一次 突出、1 9 5 0 年我国吉林省辽源矿务局富国煤矿发生第一次有记载的突出以来口1 ， 世界各国的研究者为认识突出的机理付出了艰辛的努力。人们通过对煤矿生产实 践中突出现场的观察和实验室试验的研究，逐步认识到煤与瓦斯突出是瓦斯、地 应力及煤岩体的力学性质或其中的某一因素起主导作用所导致的，并提出了许多 有关煤与瓦斯突出机理的假说。早期的这些煤与瓦斯突出机理假说从作用的因素 来看，归纳起来大致可以分为单因素假说和多因素假说，其中单因素假说根据其 作用的因素大致可以分为瓦斯主导作用说、地应力 或地压 主导作用说和煤质 主导作用说，而多因素假说即为综合作用假说。对于这些假说简述如下口1 瓦斯为主导作用的假说 1 瓦斯包说，认为煤层内存在着积聚高压瓦斯空洞，其压力超过煤层强度 减弱地区煤的强度极限，当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁会发生破坏并抛出煤 炭。 2 粉煤带说，认为因地质构造作用，把煤粉碎成粉状，当巷道接近这一地 带时，粉煤在不大的瓦斯压力作用下，与瓦斯一起喷出。 3 煤透气性不均匀说，认为煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域 的边缘，瓦斯流动速度变化很大。如透气性小的煤恰好是坚硬的煤，而透气性大 的又是不坚硬的煤，那么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯的潜能就能将煤喷 出。 4 突出波说，认为瓦斯潜能要比煤的弹性变形潜能大十余倍，当巷道接近 东北大学博士学位论文第一章绪论 煤强度低的地区时，在瓦斯作用下，可产生连续破碎煤体的突出波。 5 裂缝堵塞说，认为由于均匀排放瓦斯的裂缝系统被封闭和堵塞，在煤层 中形成增高的瓦斯压力带，从而引起突出。 6 闭合孔隙瓦斯释放说，认为近工作面地带，由于煤吸收和解吸瓦斯的周 期性，使其强度降低，包含在闭合孔隙中的瓦斯在孔隙壁的闭合面和敞开面之间 产生很大压力差，当煤体破坏时，便被解吸瓦斯抛向巷道。 7 瓦斯膨胀应力说，认为煤层中存在瓦斯含量增高带，因而引起煤体的膨 胀应力增高，此处煤层透气性接近于零。当巷道掘进时，其应力急剧降低，造成 煤的破碎和突出。 8 火山瓦斯说，认为由于火山活动，煤受到二次热力变质，产生热力变质 瓦斯和岩浆瓦斯，从而在煤层内、特别在断层部分，形成高压瓦斯区，当进入这 些地带采掘时，可能引起突出。 9 瓦斯解吸说，认为卸压时煤的微孔隙扩张，孔隙吸附潜能降低，吸附瓦 斯的内能转化为游离瓦斯压力，使瓦斯压力升高，破坏不坚硬的煤而引起突出。 1 0 瓦斯水化物说，认为在某些地质构造活动地区，在一定的温度压力下， 有可能生成瓦斯水化物，并以介稳状态存在，它具有很大的潜能，受到采掘工作 影响后，即迅速分解成高压瓦斯，破坏媒体而造成突出。 1 1 瓦斯一煤固溶体说，认为处于未受采动影响的自然条件下的煤的有机 物质，乃是一种特殊的瓦斯一煤固溶体。瓦斯一煤固溶体处于介稳状态，在压力 和温度变化时发生分解，并以气态涌出，在支撑压力带有可能形成具有增高瓦斯 含量的次生固溶体。煤和瓦斯突出可以看作是瓦斯一煤固溶体的转化，固溶体的 分解伴随着形成完整性的破坏和涌出气态产物。 地压为主导作用的假说 1 岩石变形潜能说，认为突出是煤层因变形的弹性岩石所积聚的潜能引起 的，潜能是以往的地质构造运动所造成的，当巷道掘至该处时，弹性岩石便像弹 簧一样伸张，从而破坏和粉碎煤体而引起突出。 2 应力集中说，认为在回采工作面前方的支撑压力带，由于厚弹性顶板的 悬项和突然下沉引起附加应力，煤体受集中应力作用产生移动和破坏，导致突出。 3 剪应力说，认为煤在突出前的破碎始于最大应力集中处，且是在剪应力 东北大学博士学位论文第一章绪论 作用下发生的。 4 振动波动说，认为突出过程的发展是外力震动引起煤体和围岩的振动波 动过程的发展。由于岩石的潜能和煤体的破坏而维持和发展了这一过程。 5 冲击式移近说，认为突出中起主导作用的是项底板的冲击式移近，冲击 式移近发生的可能性和大小，取决于岩体的性质、巷道参数、掘进方式和速度。 突出的条件是煤层紧张程度增大，煤层边缘有脆性破坏，从破坏的煤中涌出的 瓦斯有一定压力。 6 顶板位移不均匀说，认为突出是由于煤层顶底板不规则和不连续移动而 引起的一种动力现象，并且突出发生在项底板移近速度值增加后又下降。 7 应力叠加说，认为突出是由于地质构造应力、火山与岩浆活动的热力变 形应力、自重应力、采掘压力和放顶动压等叠加而引起的。突出危险煤层具有特 殊的“分枝性裂隙”显微结构。 化学本质说 1 “爆炸的煤”说，认为突出是由于煤在地下深处变质时发生的化学反应 而引起的。即由于煤的变质，在爆炸性转化的物质 “爆炸的煤” 的介稳区，能 呈现链锁反应过程，并迅速形成大量的C O 和C H 。，从而引起爆炸煤与瓦斯突 出。 2 重煤说，认为煤在形成时有重碳 原子量1 3 及带氢的同位素 原子量2 重水参加，形成煤的重同位素称为“重煤原子”，当进行采掘时，能发生突出。 3 地球化学说，认为瓦斯突出是煤层中不断进行的地球化学过程煤层 的氧化一还原过程。由于活性氧及射气的存在而加剧，生成一些活性中间物，导 致瓦斯高建形成。中间产物和煤中有机物质的相互作用，使煤分子遭到破坏。 4 硝基化学物说，认为突出煤中积蓄有硝基化合物，只要有不大的活化能 量 如岩石应力分布不均，瓦斯压力等 ，就能产生发热反应。当其热量超过分子 间活性能时，反应将自发地加速进行，从而发生突出。 综合假说 1 能量说，认为突出是由煤的变形潜能和瓦斯内能引起的。当煤层应力状 态发生突出变化时，潜能释放引起煤层高速破碎，在潜能和煤中瓦斯压力作用下 煤体发生移动，瓦斯由已破碎的煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把已粉碎的煤抛 东北大学博士学位论文 第一章绪论 向巷道。引起煤层应力状态突然变化的原因是巷道从硬煤进入软煤带，项板岩 石对煤层动力加载，爆破时煤体突然向深部推进，石门揭开煤层，巷道进入地质 破坏区。 突出过程可分为3 个阶段在静、动载荷下煤的破碎，在煤变形潜能和瓦斯 压力作用下煤的移动，瓦斯由已破碎的煤中解吸、膨胀并带出悬浮于瓦斯流中的 煤。发生煤与瓦斯的突出条件，即可能造成突出或破碎的条件，由下式描述 式中 形一煤的弹性潜能，J ； A 一瓦斯膨胀能； 么一煤破碎到突出物粉煤时的能量，J ； 矿上仃z 仃一煤体的平均应力，M P a ； E 一煤的弹性模量，M P a ； 旯器№门 ／L 一I l I _ 二ll 2 2 4 1 4 p 一1 l＼0JI 矿一气体瓦斯量，m 3 ／t ； R 一气体常数，R 8 ．2 9 J ／m 0 1 K ； Z 一煤一瓦斯体系的绝对温度，K ； 秒一绝热系数，对于瓦斯日 1 ．3 ； 只、最一初始和最终的瓦斯压力，M P a 。 该假说认为无论游离瓦斯，还是吸附瓦斯都参与突出的发展。瓦斯对煤体有3 方面的作用全面压缩煤的骨架，增加煤的强度；吸附在微孔表面的瓦斯对微孔 起楔子作用，同时降低煤的强度存在瓦斯压力梯度，引起作用于梯度方向的力。 2 应力分布不均匀说，认为在突出煤层的围岩中具有较高的不均匀分布的 应力，其主要原因是地质构造运动，个别情况下是由采掘过程中引起的 如留煤柱、 冒项等 。由于煤体深部应力分布不均匀，就会产生围岩的不均匀移动，围岩位移 减缓或“停滞”，从而建立了不稳定平衡状态。突出前，由于工作面的机械作用， 破坏了围岩的不稳定平衡，引起围岩的移近和伸直，使含瓦斯的煤暴露和破碎。 在煤体破坏时，在暴露面附近形成瓦斯压力梯度，引起很薄的分层分离并破坏， 东北大学博士学位论文第一章绪论 饱含瓦斯的分层又重新暴露，破坏过程反复进行，并以突出波的形式向深部传播， 释放出的大量瓦斯把碎煤抛出。 3 分层分离说，认为当突出危险带煤体表面急剧暴露时，由于瓦斯压力梯 度作用使分层承受拉伸力，拉伸力大于分层强度时，即发生分层从煤体上的分离。 突出常常是重复的破坏组合，一部分是瓦斯参与下的分层分离而破坏，另外一部 分是地压破坏。在急倾斜煤层，还有自重作用下分离。 从煤体分离的煤粒和瓦斯急速冲向巷道，随着混合物的运动，瓦斯进一步膨 胀，速度加快。当其遇到阻碍时，速度降低而压力升高，直到增高的压力不能超 过破坏条件，过程才停止。 4 破坏区说，认为突出煤是不均质的，各点强度不等，在高压力作用下， 由强度最小的点发生，并在其周围造成应力集中，如邻点的强度小于这个集中应 力，就会形成破坏区，此区内的吸着瓦斯由于煤破坏时释放的弹性能供给热量而 解吸，瓦斯使得煤的内摩擦力下降，而变成易流动状态，瓦斯粉煤流喷出便形成 突出。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着问题研究的深入，人们开始将煤与瓦斯突出作为 一个力学现象和力学过程，按照近代的力学理论和力学方法来加以研究。我国学 者周世宁院士H q l 从煤层瓦斯渗流的角度较早地开展了煤层瓦斯的赋存及流动规律 的研究工作，并利用计算机对煤层瓦斯的流动理论进行了数值模拟研究；前苏联 学者K a r e v ＆K o v a le n k o 哺1 提出了煤层瓦斯渗流流动的理论模型，尽管这些研究没 有考虑瓦斯流动与煤岩体变形之间的耦合作用，但这些研究结果对于我们从理论 的角度认识煤层开采过程中煤层瓦斯的流动规律及其诱发的煤与瓦斯突出等