何国益防治瓦斯讲义.doc

第一节 煤层瓦斯赋存与吸附性能 一、瓦斯在煤体内存在的状态 煤体是一种多孔性固体，既有成煤过程中产生的原生孔隙，也有成煤后的构造运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。重庆煤科分院对四川、江西三个煤矿11个煤层煤的比表面进行了测定，结果表明最小为27.4m2/g，最大为55.13m2/g。因此如此大的孔隙表面使成煤过程中生成的瓦斯就能以游离和吸附两种状态存在于煤体内。 煤是天然吸附体，对瓦斯有很大的吸附能力。在一些高瓦斯矿井，煤中所含瓦斯的体积可以达到煤本身体积的3040倍。 1.游离状态 游离状态又称自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体状态存在于煤层孔隙或围岩的孔洞之中，其分子可自由运动，呈现出压力并服从自由气体定律。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。 2.吸附状态 吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上和煤的微粒结构内部。吸附状态的瓦斯按照结合形式的不同，又分为吸着状态和吸收状态。吸着状态是指矿井瓦斯被吸着在煤体或岩体微孔表面，在表面形成瓦斯薄膜；吸收状态是指瓦斯分子更深入地进入煤的微孔中，进入煤分子晶格中与煤的分子相结合，形成固溶体状态。吸收与吸附的宏观差别仅在于前者的平衡时间长，吸收时吸附体的膨胀变形量较大。煤对瓦斯的吸附作用是物理作用，是瓦斯分子和碳分子相互吸引的结果。煤体中瓦斯存在的状态不是固定不变的，而是处于不断交换的动平衡状态，当条件发生变化时，这一平衡就会被打破。由于压力增高或者温度降低，部分瓦斯就会由游离状态转化为吸附状态，称为瓦斯的吸附；当压力降低或温度升高时，或给予冲击和振荡时，影响了分子的能量，则能破坏其平衡，部分吸附瓦斯就会由吸附状态转化为游离状态，这一过程称为瓦斯解吸。 瓦斯在吸附状态时，不能形成瓦斯内能。只有通过解吸变为游离瓦斯，才能形成瓦斯内能。 当煤体中的瓦斯压力从高压平衡状态过渡到正常的标准大气压状态时，煤体释放的瓦斯量就是煤的解吸瓦斯量。 瓦斯在煤内的存在状态可用图1来表示。 1游离瓦斯；2吸着瓦斯；3吸收瓦斯；4煤体；5孔隙 图1 瓦斯在煤内的存在状态示意图 3．瓦斯固溶态（瓦斯水化物） 煤中瓦斯除吸附和游离态外，还有可能以瓦斯水化物晶体形式存在。瓦斯水化物是瓦斯和水所形成的类冰状固态化合物。 存在于海底或陆地冻土带内的瓦斯水化物，习惯被称为天然气水化物，白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃。据新华社报道2007年6月17日，我国在南海北部成功钻获的天然气水合物实物样品“可燃冰”在广州亮相。 3 瓦斯水化物的结构为8M46H2O，其中M代表烃，其密度为0.88～0.90g/cm，瓦斯水化物的骨架主要是水分子，而烃和惰性分子占据纯水骨架的空隙处，和水之间不形成任何强化学键。瓦斯水化物的组成及其分子直径见表13，瓦斯水化物能以爆炸形式进行分解并吸收0.7kJ/mol的热。 瓦斯水化物生成的条件如图2所示。图中可见，温度在0℃以上时，形成CH4水化物所需压力为2.65Mpa，温度在10℃时则需7.87Mpa以上，我国一些煤田不具备这样的条件。乙、丙烷水化物生成的压力条件比CH4低得多。当甲烷、丙烷同时存在时，生成水化物的压力条件大为下降曲线1、2、3分别是CH4同含有2.2、5.0、及9.5乙烷生成水化物的曲线，曲线4、5分别是CH4同含有4.3及28.8丙烷生成水化物的曲线，因此，当煤层瓦斯中含有较高重烃时，在如图所示的条件下可能存在这些水化物。在低温下对含有乙、丙烷的瓦斯煤层注水时，有可能生成固态瓦斯水化物，从而影响湿润效果。 1甲烷与2.2乙烷；2甲烷与5.0乙烷；3甲烷与9.5乙烷； 4甲烷与4.3丙烷；5甲烷与28.8丙烷 图2 瓦斯水化物生成条件曲线 二、煤的吸附性能 1.煤的等温吸附试验 煤的等温吸附试验是计算煤层瓦斯含量的基础，常用的试验方法为容量法。等温吸附试验就是在一定温度下找出瓦斯含量随瓦斯压力变化的规律。大量试验表明，吸附瓦斯量和瓦斯压力的关系符合朗格缪尔方程。 X 11 1 bp 式中 X在某一温度下，瓦斯压力为p时，单位质量纯煤吸附的瓦斯量，m3/t； p瓦斯压力 ，MPa； a在某一温度下，瓦斯压力趋于无穷大时的最大吸附瓦斯量，m3/t； b吸附常数，MPa1。 在瓦斯压力低时p＜1000kPa，式（11）的分母bp相对于1可以忽略不计，此时x与p成正比；在压力很高时＞6000kPa，分母中的1相对于bp可以忽略不计，X近似等于a，吸附达到了饱和。 2.影响吸附量的主要因素 气体在每克煤中的吸附量主要取决于气体的性质、表面性质（比表面积与化学组成）、吸附平衡的温度及其瓦斯压力和煤中水分等。 ⑴瓦斯压力的影响在给定温度下，吸附瓦斯含量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化。 ⑵温度的影响在相同瓦斯压力下，温度越高，煤的吸附瓦斯量越小，从26℃起，烟 煤温度每升高1℃，吸附瓦斯的能力降低约0.8,无烟煤温度每增高1℃，其吸附量降低0.6。 ③瓦斯性质的影响对于给定的煤，在给定的温度和瓦斯压力下，CO2的吸附量比CH4高，而甲烷的吸附量又比N2高。 ④煤化变质程度的影响煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般地讲，从挥发分为2026之间的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速地增加。 ⑤煤中水分的影响水分的增加使煤的吸附能力降低，可用式12表示。 XwX01 （12） 10.31W 式中 Xw含有水分w时的甲烷吸附量，m3/t； X0不含量水分的煤（干煤）的甲烷吸附量，m3/t。 实验室所得吸附试验曲线见图13a所示, 永贵能源公司五凤煤矿6中煤的吸附试验曲线见图13b所示。从图中看出，随着瓦斯压力的升高，煤的吸附瓦斯含量增大，但增长率逐渐变小，当瓦斯压力无限增大时，煤的吸附瓦斯量趋于某一极限值。井下不同的煤种，吸附常数不同，就是同一煤矿同一层煤、同一煤种的煤在不同的地方取样，测出的吸附常数也不一样。表12是永贵能源公司6个不同矿井在不同地点取样测试的结果，这6个矿井的开采煤层都是无烟煤 。 三、煤层瓦斯沿深度的带状分带 煤化过程生成的瓦斯，经过漫长的地质年代，在压力与浓度差的驱动下进行运移，其中大部分脱离产气煤层排放到古大气中；当在运移过程中遇到良好的封闭条件和贮存条件时，会聚集起来形成天然气藏。煤层保存瓦斯量的多少，主要取决于封闭条件（如煤层埋藏深度、煤层及围岩的透气性）、地质构造与贮存条件（如煤的吸附性能、孔隙率、含水程度、温 3 度和压力等）。 a 等温吸附曲线 b 6中煤吸附曲线 图3 煤等温吸附曲线 当煤层具有露头或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯不断由煤层深部向地表运移，而地面空气则向煤层中渗透和扩散，造成了煤层瓦斯组分沿赋存深度的带状分布。前苏联矿业研究院格德李金通过对顿巴斯和库兹巴斯等煤田大量的煤层瓦斯组分和含量的测定，将煤层瓦斯组分按赋存深度自上而下分为4个瓦斯带CO2N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。各带的气体成分组成及含量见表4。除甲烷带以外的三带统称瓦斯风化带。 确定瓦斯风化带和甲烷带的深度是很重要的，在甲烷带内，煤层中瓦斯压力、瓦斯含量、以及在开采条件变化不大的前提下瓦斯涌出量都随深度的增加而有规律地增大。研究这些规律及影响因素，是防治矿井瓦斯灾害的基本工作之一。 瓦斯风化带上界深度确定可以根据下列指标中的任何一项确定。 1）煤层的相对瓦斯涌出量等于2～3m3/t处； 2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80（体积比）； 3）煤层内的瓦斯压力为0.1MPa表压）； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处长焰煤1.0～1.5 m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/tC.M，瘦煤2.5～3.0m3/tC.M.，贫煤3.0～4.0m3/tC.M.，无烟煤5.0～7.0m3/tC.M.（此处的C.M.是指煤中可燃物质既固定碳和挥发分） 大方县五凤煤矿瓦斯风化带深度为120m,标高每降低100m,可燃气体含量增加2.23毫升/克.可燃质（即瓦斯增长率）；瓦斯梯度为22.40米，即标高每降低24.4m，可燃气体增加1毫升/克可燃质。 表3 煤层垂向各瓦斯带主要特征 第二节 煤的孔隙特征及比表面积 煤是一种多孔性固体物质，其内部分布着大量的孔隙系统。煤的孔隙性决定着煤吸附瓦斯的能力、煤的渗透性和强度性质。 按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙主要有宏观孔隙、显微孔隙、分子孔隙3种。宏观孔隙是可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次生裂隙等形成的孔隙，一般属于毫米级（肉眼的最高分辨率大为0.1mm）。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。 根据孔隙对瓦斯吸附、渗透和煤的强度性质的影响，按孔隙尺寸把孔隙分为如下几类 -5 微孔孔径 ＜10mm，这些孔隙主要构成瓦斯吸附容积； 小孔孔径10-510-4mm，这些孔隙构成毛细管凝结作用和瓦斯扩散的空间； 中孔孔径10-410-3mm，这些孔隙构成缓慢的层流渗透区间; 3 大孔孔径10-～10-1mm，它构成强烈的层流渗透区间，并决定了具有强烈破坏结构煤的破坏面。 可见孔及裂隙孔径大于10-1mm.，它构成层流及紊流混合渗透的区间，并决定了煤的宏观破坏面。一般，把小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积；把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙容积。微孔容积占总孔隙容积的比例越大，瓦斯越容易储存。 研究表明，煤对瓦斯的吸附作用，在一定瓦斯压力下是物理吸附。与煤层流动规律相同，煤吸附瓦斯气体的过程也是一个渗流扩散过程。在大的孔隙系统中，由瓦斯压力梯度引起渗流；在微孔隙系统中，由瓦斯浓度梯度引起扩散；瓦斯气体分子向煤体深部进行渗流扩散直达到吸附平衡为止。 1.煤的孔隙率 孔隙总体积与煤的总体积的比称为煤的孔隙率，以表示，其计算公式为 n V-Vs ⨯100 （13） V 式中 V煤的总体积，包括孔隙体积； VS煤的体积，不包括孔隙体积。 孔隙率通过测定煤的真密度和视密度来确定，煤的孔隙率（通过单位体积或质量煤的孔隙来表征）与煤的真密度、视密度存在如下关系 K 11 14 - ARDTRD K1 TRD-ARD （15） TRD K1ARD∙K （16） 式中 K单位体积的煤所具有的孔隙；m3/m3； K1单位质量的煤所具有的孔隙；m3/t； ARD煤的视密度，即包括孔隙在内煤密度，t/m3； TRD煤的真密度，即扣除孔隙后煤骨架的密度，t/m3。 [ 例11]从五凤煤矿风井6中煤2钻孔取样测得为的真密度为1.69，视密度为1.58，试计算其孔隙率。 解由（14）式得6中煤单位体积所具有的孔隙率为 K TRD-ARD1.69-1.5833 0.041m/m ARD∙TRD1.58∙1.69 单位质量的煤所具有的孔隙率为 k1ARD⨯K1.68⨯0.041m3/t0.645m3/t 煤的孔隙率是决定煤中瓦斯吸附、渗透和强度性能的重要因素，通过孔隙率和瓦斯压 力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量，因此，煤的孔隙率也是决定煤中游离瓦斯含量大小的主要因素之一。在相同瓦斯压力下，煤的孔隙率越大，则煤中所含游离瓦斯量也越大。煤中一般都含有水分，水占据了孔隙部分体积，因此，确定煤中游离瓦斯时，应用扣除水分后的孔隙来计算。永煤集团部分矿井孔隙率见表4所示。 表4 永煤集团部分矿井孔隙率测定果 2.影响煤体孔隙率的主要因素 ⑴煤的孔隙特征与煤的变质程度、地质破坏程度和地应力及其大小等因素密切相关。 煤化变质程度。孔隙率与煤化变质程度的关系见表5。从表中可以看出从长焰煤开始，随着煤化程度的加深，煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦煤、瘦煤时达最低值，尔后又逐渐增加，至无烟煤时最大。然而，煤中微孔体积则是随着煤化变质程度的增加一直增长。 表5 不同煤种的孔隙体积 ⑵煤的破坏程度。煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，即孔隙率越大，见表6。 表6 煤的破坏类型与渗透容积的关系 ⑶孔隙率与地应力的关系。压性地应力可使渗透容积缩小，压应力越高，渗透容积缩小越多，即孔隙率减小越多；张性地应力可使裂隙张开，使渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长越多，即孔隙率增加越多。卸压作用可使煤（岩）的渗透容积增大，即孔隙率增高；增压作用可使煤（岩）受到压缩，渗透容积减小，即孔隙率降低。试验表明地应力并不减少煤的吸附体积，或减少不多，因此，地应力对煤的吸附性影响很小。 需要说明的是煤的孔隙率是在试验室测定的,煤层中的煤实际上是处于各向承压状态,其孔隙率将有一定程度的减小。根据试验研究，孔隙率与煤所受压力的关系可用式17 表示； KK0e-bσ （17） 式中 K在压力为σ时煤的孔隙率，cm/cm； K0煤不承受压力时的孔隙率，cm/cm； σ煤承受的压力，Mpa； B常数，Mpa。 3.煤的比表面积 通常将单位质量煤的表面积定义为比表面积。表面积既包括固体的外表面积，也包括固体的内表面积。煤的比表面积直接关系着煤与气体间的物理化学作用能力，对煤吸附瓦斯的能力有很大影响。 重庆煤科研究院用连续流动色谱法测定了韩城矿务局桑树坪煤矿3号煤4个煤样的比表面积。所用的测量仪器是北京分析仪器厂生产的ST03型表面孔径测定仪。煤样粒度为0.100.20mm，吸附值为二氧化碳，载气为氢气。测定结果表明，4个煤样的比表面积分布在20.4443.09m2/g, 并且与瓦斯解吸指标K1和瓦斯放散初速度△P之间有密切的关系。 解吸指标k1的大小与煤样的可解吸瓦斯含量有关，而煤的可解吸瓦斯含量又与煤吸附表面积有直接关系。煤的比表面积大小直接影响到煤层吸附瓦斯的能力。实验结果表明，K1与比表面积s近似满足如下线性回归方程 -13333 k1p1-0.03480.0147S 相关系数为0.8524。显然，煤的比表面积越大，相应的K1也越大。 煤的比表面积与瓦斯放散初速度△P之间的关系为 S0.8783.226△P 相关系数为0.9922。煤的瓦斯放散初速度既能反映煤中吸附容积的大小，又能反映渗透或扩散容积大小。而煤的比表面积主要反映的是煤中吸附容积的大小。 第三节 煤与瓦斯突出的机理 解释突出的原因和过程的理论叫突出机理。突出是十分复杂的动力现象，至今已提出许多假说，主要的有3大类一是以瓦斯为主导作用的假说，二是以地应力为主导作用的假说，三是综合作用假说。随着对突出研究的深入,中国矿业大学还提出了煤与瓦斯突出的球壳失稳理论，但多数人认为，突出是地应力、瓦斯压力、煤的力学性能和结构性能综合作用的结果。 一、煤与瓦斯突出的假说 1.瓦斯作用说 认为煤层内部存贮的高压瓦斯是发生突出的主要原因。在这类假说中“瓦斯包说”占重要地位，它认为在煤层中存在着压力与瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝，即瓦斯包，其中煤松软、孔隙与裂隙发育，它具有较大的存贮瓦斯的能力，它被透气性差的煤（岩）所包围，存贮着高压瓦斯。当巷道揭穿“瓦斯包”时，在高压瓦斯作用下将松软的煤窝破碎并抛出形成突出。 2.地应力假说 认为煤与瓦斯突出主要是高地应力作用的结果。对于高地应力的构成有不同说法一种认为在煤岩体中除自重应力外还存在着地质构造应力，当巷道接近储存构造应变能高的硬而厚的岩层时，岩层将象弹簧一样伸张，将煤破坏和破碎，引起瓦斯剧烈涌出而形成突出。另 8 一种认为，采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长或突然冒落时，可能产生附加的应力。在集中应力作用下，煤发生破坏和破碎时，会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。 3.综合作用说 认为煤与瓦斯突出是地压、高压瓦斯和煤体结构性能3个因素综合作用的结果，是聚集在煤体和围岩中大量潜能的高速释放。高压瓦斯在突出的发展中起决定性作用，地压是激发突出的因素。有人认为地质构造是引起突出的决定因素，高压瓦斯是突出的主要动力，煤层破坏是突出的有利条件，采掘活动是突出的诱发因素。 综合作用说较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面的主要因素，得到国内外学者的普遍承认。 4.球壳失稳机理 以上三大理论解释了突出原因和突出过程，但是对于突出过程是怎样进行的三种因素是如何作用的综合学说没有完全说清楚，现场有些突出现象也无法解释，如延期突出，突出孔洞的形成过程，过煤门突出等。中国矿业大学提出了球壳失稳理论。 该理论认为在突出过程中，地应力首先破坏煤体，使煤体产生裂纹，形成球盖状煤壳。然后煤体向裂隙内释放并积聚高压瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩张并使形成的煤壳失稳破坏并抛向巷道空间，使应力峰值移向煤体内部，继续破坏后续的煤体，形成一个连续发展的突出过程。 从能量的角度来看，突出过程中由地应力引起的弹性潜能主要消耗于煤体的破坏，真正决定煤体能否突出的是煤体破坏后最初释放出来的瓦斯膨胀能，称其为初始释放瓦斯膨胀能。 突出阵面推进过程中的动态应力场示意图如图4所示。 图4 突出阵面推进过程中的动态应力场 从上面介绍的突出机理不难看出，瓦斯是突出的主要因素，没有瓦斯就谈不上瓦斯突出。没有瓦斯的动力现象称之为冲击地压；没有动力效应的瓦斯急剧涌出称之为瓦斯喷出。因此治理瓦斯突出的方向是消除高压瓦斯的存在。所以高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，要严格按照煤矿瓦斯抽采基本指标的要求，制定和落实瓦斯先抽后采的措施，推进高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井加大瓦斯抽采力度，真正做到“多措并举、应抽尽抽、抽采平衡”，实现抽、掘、采关系平衡，确保不抽不采，达不到瓦斯抽采指标要求的不采。发现达不到抽采指标要求的采掘工作面，要立即停止生产，限期达标，逾期仍不达标的，必须按瓦斯抽采达标煤量核减煤炭产量计划；对小煤矿中的煤与瓦斯突出矿井和应进行瓦斯抽采的高瓦斯矿井，必须制定并落实瓦斯抽采规划，建立瓦斯抽采系统。 高压的游离瓦斯是突出的根源，防治瓦斯的关键就是要消除或降低煤层中的高地应力、 9 高压瓦斯。其方向是采取开采保护层、抽放煤层瓦斯，减少乃至消除煤层瓦斯，使之形不成瓦斯突出的条件；采取控制地压措施，消除采掘工作面周边应力集中，从而消除瓦斯突出条件。 根据瓦斯运移的理念，在采掘工作面前方一定距离抽放瓦斯，可以有较好的抽放效果。 二、煤与瓦斯突出阶段 煤与瓦斯突出的发生必须具备一定的能量。为了达到一定的能量水平，突出的煤体经历着能量的积聚过程，并且使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态。突出的发展过程一般可划分为突出准备、突出激发、突出抛出、突出终止4个阶段。 1.突出准备阶段 此阶段煤体经历着能量聚集或阻力降低两个过程。一是能量积聚的过程，例如地应力的形成使其弹性能增加，孔隙压缩使与其压缩能增高。二是阻力降低过程。例如落煤工序使煤体由三向应力状态转为二向应力状态甚至单向应力状态，煤的强度骤然下降（阻力降低）。由于弹性能、压缩能的增高和应力状态的改变，煤体进入不平衡状态，外部表现为煤壁外鼓、掉渣、支架压力增大、瓦斯忽大忽小、发出劈裂及闷雷声或无声的各种突出预兆。 2.突出发动（激发）阶段 该阶段的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，卸载卸压并发生巨响和冲击，使瓦斯作用在破碎煤体上的推力向巷道自由方向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吸过程而参与突出。 3.突出抛出阶段（发展阶段） 该阶段具有两个互相关联的特点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作用下完成的，后者主要是瓦斯内能做功的过程。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸的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起着决定作用。在该阶段中煤的剥离与破碎不仅具有脉冲的特征，而且有时是多轮回的过程。 4.突出终止阶段 突出的终止有以下两种情况一是在剥离和破碎煤体的扩展中遇到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。但是，这时突出虽然停止了，而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。 三、地应力与瓦斯压力在突出过程中的作用 突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力，地应力的大小通常比瓦斯压力高几倍；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯的内能（煤的内外瓦斯压力差）。根据突出实例的统计数据进行计算，在突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高３～６倍以上。压出和倾出时煤体最初破碎的主导力也是地应力。在极少数突出实例中也可以看到瓦斯压力为主导力发动突出的现象，这时需要很大的瓦斯压力梯度与非常低的煤强度。突出煤的重要特征是强度低和具有揉皱破碎结构，即所谓“构造煤”。这种煤处于约束状态时可以储存较高的能量，透气性锐减形成危险的瓦斯压力梯度；而当处于表面状态时，它极易破坏粉碎，放散瓦斯的初速度高、释放能量的功率大，因此当应力状态突然改变或者从约束状态突然变为表面状态时容易激发突出。 1.地应力在突出过程中的作用 ⑴激发突出。 ⑵在发展过程中与瓦斯压力梯度联合作用对煤体进行剥离、破碎。 ⑶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、卸压瓦斯流和瓦斯解吸过程。当煤体突然破坏时，伴随着卸压过程、新旧裂隙系统连通起来并处于开放 10 状态，顿时显现卸压流动效应，形成可以携带破碎煤的有压头的膨胀瓦斯风暴。 2.瓦斯在突出过程中的作用 ⑴高压力梯度的瓦斯可以独立激发突出。 ⑵瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向深部传播。 ⑶膨胀着的瓦斯把破碎的煤运走加以粉碎，并使新暴露的突出孔壁附近保持着较高的地应力梯度与瓦斯压力梯度，为连续剥离煤体准备好必要条件。 四、突出的主要因素及相互关系 发生突出的主要因素有地应力、瓦斯压力和煤的结构3个因素。前两个因素是导至煤体破坏和突出发生、发展的动力，后一因素是阻碍突出发生的力。如果前两个因素占主导地位，即加在煤体上的地应力大于煤的破坏强度时，就可能发生突出现象。当后一因素占主导地位时，就不会发生突出。在前两个因素占主导地位的区域预先采取抽放瓦斯措施，或者采取降低地应力的其他措施，或者采取加固煤体提高煤的强度措施，那么突出危险就可以消除。 地应力、瓦斯和煤的结构与强度同时存在于突出煤层内，它们之间是相互依存、互相影响的。随着煤层埋藏深度的增加，地应力增加，瓦斯压力也增加，也就是说某一地应力值总有与其对应的瓦斯压力值，所以地应力是瓦斯在煤内储存的条件。 瓦斯对地应力也有反作用，实验证实煤充瓦斯后，其应力增加，且所充瓦斯越多，应力增值越大；反之，排放瓦斯后，煤的内应力下降。原始地应力越大的地点，其突出危险性越大，因为它不仅地应力高，而且这些地点的原始瓦斯压力也可能较高，而煤的强度还可能较小，而在地应力低的地点，突出危险性较小。 瓦斯压力与地应力相互依存的原理，对于突出的预测有重要的指导作用。在垂深相同的地方，同一煤层中所测的瓦斯压力一般应相等，因为重力产生的地应力是相同的。如果测出某地区瓦斯压力增高，且测定的数据确实可靠，那就说明这是个地应力增高区，可能有地质构造应力存在。 破碎煤体的主导力是地应力。在瓦斯突出中，煤体破碎能主要是地应力能，煤的抛出和破碎过程中所消耗的能主要是瓦斯内能。 对于单向应力状态的煤体，煤的弹性潜能可用下面的公式表示 Wσ12 2E （1－7） 式中 W煤的弹性潜能，J； σ1 主应力，MPa； E煤的弹性模数，MPa。 式1－7说明，在同样应力作用下，煤的弹性模量小的分层，储存的弹性潜能大，煤分层越软，其弹性模量越小，弹性潜能就越高，所以，松软分层突出危险性大。煤的弹性潜能大部分消耗在煤的位移和破碎上，部分的用于煤的抛出。 第四节 防治突出的技术原理 基于当前对于煤与瓦斯突出的认识，地应力和煤层瓦斯压力是突出的主要动力，煤层是受力体，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，所以防治煤与瓦斯突出的技术原理主要有３条，一是应力释放原理，二是瓦斯排放原理，三是煤体强度增加原理。 一、应力释放原理 煤与瓦斯突出是在地应力、包括在煤中的瓦斯及煤结构力学性质综合作用下产生的动力现象。在突出过程中，地应力、瓦斯压力是发动与发展突出的动力，煤的结构及力学性质是阻碍突出发生的因素。 一般来说，地应力在煤与瓦斯突出中的作用有以下３点 ⑴围岩或煤层的弹性变形潜能做功，使煤体产生破坏和位移。 ⑵地应力场对瓦斯压力场起控制作用，围岩中高的地应力决定了煤层的高瓦斯压力，从而促进了瓦斯压力梯度在破坏煤体中的作用。 ⑶煤层透气性也取决于地应力状态，当地应力增加时，煤层透气性按负指数规律降低。因此，围岩中增高的地应力，也决定了煤层的低透气性，使巷道前方的煤体不易排放瓦斯，而造成较高的瓦斯压力梯度。煤体一旦破坏，又有较高的瓦斯放散能力，这对突出十分不利。 从上述可知，具有较高的地应力是发生煤与瓦斯突出的第一个条件。只有当应力状态发生改变时，煤层和围岩才能释放足够的弹性变形潜能，使煤体突然破坏而激发突出。 地应力在突出过程中的作用主要有两点一是使煤体发生最初的变形、位移和破碎；二是影响煤体内部孔隙裂隙结构的闭合程度，控制着瓦斯的流动和解吸。当煤体突然破碎时伴随着卸压过程，新旧裂隙连通起来并处于开放状态，顿时显现卸压增流效应，形成可以携带破碎煤的高速瓦斯流。 因此，防治突出的第一条原则就是释放工作面附近地带的较高的地应力。可以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；部分排除煤层或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力，减小工作面前方瓦斯压力梯度。 二、瓦斯排放原理 煤与瓦斯突出的第二个必要条件是有足够的瓦斯流把碎煤抛出，并且突出孔道要畅通，以便在空洞壁形成较大的地应力和瓦斯压力梯度，从而使煤的破碎向深部扩展。 以游离状态和吸附状态存在于煤体裂隙和孔隙中的瓦斯，在突出过程中有三个方面的作用 1．全面压缩煤的骨架，促使煤体中产生潜能。 2．吸附在煤体表面的瓦斯分子，对微孔起楔子作用，因而降低煤的强度。 3.为突出提供了主要能源。由于瓦斯流不断地把破碎的煤炭及时运走，从而保持着突出孔壁存在着一个较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度，造成作用于压力降低方向的力，使突出孔壁的破碎过程可能连续地向煤体深部扩展，形成强度猛烈的突出。从这个意义上讲，突出的继续或终止，将决定于突出通道是否畅通，即突出孔壁破碎煤炭被运走的程度。 无论是游离瓦斯还是吸附瓦斯，都参与突出的发展。突出时，依靠潜能的释放，使煤体破碎并发生移动，瓦斯的解吸使破碎和移动进一步加强。 防治突出的第二条原则，就是在工作面卸压的基础上，使煤体的瓦斯得以排放，降低瓦斯压力梯度和瓦斯内能。 三、煤体强度增强原理 煤体结构和力学性质与发生突出的关系很大，因为煤体和煤的强度性质（抵抗破坏的能力）、瓦斯解吸和放散能力、透气性能等，都对突出的发生和发展起着重要作用。一般说来，煤越硬、裂隙越小，所需的破坏功越大，要求的地应力和瓦斯压力越高；反之也然。因此，在地应力和瓦斯压力一定时，软煤分层易被破坏，突出往往只沿软煤分层发展。尽管在软煤分层中，裂隙丛生，但裂隙的连通性差，易于在软煤分层引起大的瓦斯压力梯度，又促进了突出的发生。同时，根据断裂力学的观点，煤层中薄弱地点最容易引起地应力集中，所以煤体的破坏将从这里开始，然后再沿整个软煤分层发展。 因此，增加煤体强度对防止突出具有重要作用。 第五节 煤与瓦斯突出的基本规律 1.突出的基本规律 经过大量的统计和观察，煤与瓦斯突出有如下规律； ⑴煤层突出危险性随采深增加而增大 随着开采深度的增加，突出的危险性增大。其主要表现为突出次数增多，突出强度增大，突出煤层增加，突出危险区域扩大。同一煤层，突出次数随开采深度增加而增加，突出强度 12 随开采深度增加而显著增大。在浅部开采为高瓦斯矿井，甚至为低瓦斯矿井，开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，因而转变为突出矿井。 ⑵突出多发生在地质构造带 根据瓦斯地质理论地质构造复杂程度控制着煤与瓦斯突出的危险性，特别是压扭性构造断裂带、向斜轴部、背斜倾伏端、扭转构造、帚状构造收敛部位、煤层倾角突变、煤层厚度变化地带。 突出并不直接发生在断裂破坏处，而只是发生在断裂破坏处的两翼。93的突出发生在距地质破坏带5m的范围内，大约13的突出发生在褶皱破坏带。 煤与瓦斯突出之所以多发生在地质构造带，是由于煤层结构遭到破坏，抵抗突出的强度降低，同时，在构造带煤层储存瓦斯和排放瓦斯的条件发生了变化，加上较高的地应力，使煤层透性能降低，一旦采掘活动破坏了瓦斯储存的平衡条件，将会加速煤层瓦斯解吸，并触发工作面前方应力突变，从而导致突出发生。 据统计，天府矿区3次特大型突出都发生在地质构造带。南桐矿务局95％以上的突出石门突出除外发生在向斜轴部、扭转地带、断层和褶曲附近。北票矿务局90％以上的突出发生在地质构造区和火成岩侵入区。而安阳龙山煤矿所有的突出都发生在构造带附近。 ⑶突出多发生在集中应力区 如邻近层煤柱上下、相向掘进的工作面接近时，在回采工作面的集中应力区内掘进时，两巷贯通之前的煤柱内等。 ⑷突出煤层大多具有软分层 软分层又称构造煤，是地质构造挤压剪切破坏作用的产物，所有的煤与瓦斯突出动力现象均发生在构造煤分布区，构造煤的存在是突出的一个必要条件。煤体破坏越严重，突出危险性越大；当煤层厚度、倾角、软分层厚度、层理突然发生变化时，容易发生突出。构造煤层理紊乱，煤质松软，透气性低，瓦斯含量高，瓦斯放散速度快。因软分层强度低，易于破碎，突出时消耗矿压和瓦斯压力的能量较小，因此软分层厚度越大，突出的危险性也愈大。 ⑸突出煤层大都具有较高的瓦斯压力和瓦斯含量 突出煤层具有瓦斯压力高、瓦斯含量高，解吸速度快，强度低、渗透性低的特点。正是这些特点控制着煤与瓦斯突出的发生，也影响着瓦斯的治理。 根据重庆地区的资料显示，一般情况下突出煤层的瓦斯压力大于0.75MP，瓦斯含量大3于6m/t。但突出与煤层瓦斯含量和压力之间没有固定的关系。瓦斯压力低、含量小的煤层可能发生突出，瓦斯压力高、含量大的煤层也可能不突出，因为突出是多种因素综合作用的结果。 ⑹突出煤层的特点 突出煤层的特点是强度低，软硬相间，透气性小，瓦斯的放散速度高，煤的原生结构遭到破坏，层理紊乱，无明显节理，光泽暗淡，易粉碎。如果煤层的顶板坚硬致密，突出危险性增大。 ⑺大多数突出发生在放炮和落煤工序 例如焦作九里山煤矿53次突出中，爆破引起突出33次，占突出总数的63，重庆地区132次突出中，有124次发生在落煤时，占95％。放炮后没有立即发生的突出，称延期突出。延迟的时间由几分钟到十几小时，它的危害性更大。 突出危险因煤体震动而增加的现象，说明了除地应力和瓦斯压力潜能外，外力作用也是促使突出发生的一个条件，即在其他条件相同时，外力作用越大，突出的危险性越大。 ⑻突出主要发生在各类巷道掘进中 安阳龙山煤矿自建井到2006年5月1日发生的111次煤与瓦斯突出都发生在掘进工作面，其中平巷76次，上山突出25次，下山突出7次，石门突出3次。 ⑼石门揭煤发生突出的强度和危害性最大 在统计的9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占到76，石门揭煤工作面突出567次，占6.76，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5t,是煤巷平均突出强度50t的6倍以上，瓦斯喷出量超过数万立方米,波及范围广，易造成非常严重的事故。重庆地区在35次特大型突出中，有32次发生在石门揭穿煤层过程中。 ⑽煤层突出危险区常呈条带状分布 前苏联统计资料表明，在突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10。我 13 国统计资料表明，突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的 10～15。这是因为影响突出的主要因素受地质控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。 经突出矿井现场实测证实在进行突出危险性指标测定时，测定的指标超限也不一定产生突出，而突出危险性指标不超过防治煤与瓦斯突出规定时，也可能突出。这是由于煤与瓦斯突出机理复杂性所致。所以，在突出煤层进行采掘活动前，必须采取四位一体的区域综合防突措施，经区域验证有效后，方可进行采掘活动。未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。 要坚持区域防突措施先行，局部防突措施补充的原则，对突出煤层首先采用区域防突措施来大范围、大幅度降低或消除突出危险，对于实施区域防突措施后仍未完全消除危险的局部煤层实施局部综合防突措施，只有严格落实两个“四位一体”综合防突措施,切实做到“不掘突出头，不采突出面”，方可保证采掘活动的安全。 2.加强对采掘现场异常情况的观察 煤与瓦斯突出的基本规律告诉我们，采掘工作面煤层厚度的突然变化（由厚变薄或由薄变厚），特别是软分层的厚度加大，煤层倾角的急剧变化，煤层颜色变暗，层理紊乱等地质异常情况的出现，都可能是突出的预兆。钻孔过程中发生明显的喷孔、顶钻，或采掘面瓦斯涌出变化率Q30≥20等瓦斯异常也是发生突出的预兆，为有效开展防突工作，采掘队在采掘过程中应加强上述现象的观察，矿调度室要加强瓦斯异常和地质异常现象的调度。 上述Q30是放炮后前30分钟内瓦斯涌出量与上一次爆破后前30分钟瓦斯涌出量的变化比。 Q30上次爆破后前30分钟瓦斯涌出量-本次爆破后前30分钟瓦斯涌出量 上次爆破后前30分钟瓦斯涌出量 3.对监控曲线的观察和比较 煤与瓦斯突出都有预兆，其中瓦斯异常是重要的预兆，由于有监控系统的存在，采掘过程中瓦斯异常会被监控系统监控和记录，所以要经常观察监控曲线图，发现异常要及时报告矿总工程师或通风部门，以便及时采取应对措施，防止事故发生。 第六节 钻孔施工防突、防火、防超技术 防治煤与瓦斯突出，防治瓦斯超限使用最多的措施是抽放煤层瓦斯，但抽放瓦斯必须首先施工抽放钻孔，而钻孔施工过程中时常存在打钻突出、钻孔瓦斯燃烧、巷道风流中瓦斯超限、煤尘超限四个问题。对于钻孔施工过程中的突出，目前还没有好的防治办法，但这个问题如果不能很好解决，将严重威胁矿井安全生产。下面就围绕打钻过程中的上述四个问题进行讨论。 1.防治打钻引起煤与瓦斯突出 打钻突出事故发生的例子不少，打钻过程中出现的喷孔实际上就是钻孔中出现的小型突出。为什么会产生这种现象呢因为采掘场所存在突出危险源，煤体内存在高压力的瓦斯和高的地应力，煤层整体透气性低，打钻过程中钻孔改变了原有应力状态和封闭条件，形成高的瓦斯压力梯度，使得原来封闭的瓦斯向外喷出，这就是喷瓦斯。如果煤体中有松软破碎煤层存在，由于松软破碎煤层强度低，不能抵抗高的瓦斯压力梯度，就会导致松软破碎煤的突出，软分层煤的突出改变整个煤体的应力状态，改变了煤层透气性，进而引起更大规模的突出。 软分层的存在和煤层透气性低都是客观存在的，但是根据矿山压力的理论，巷道周围煤 14 壁内存在着御压带、应力集中带、原始应力带。在御压带由于煤壁裂隙发育，透气性高，应力低，没有封闭的高压瓦斯存在，钻孔在卸压带中施工没有发生突出的动力条件，不会引发突出。所以，可以先在卸压带中施工浅钻孔，进一步释放煤体深部瓦斯，使卸压带宽度增加