煤與瓦斯突出機(jī)理

煤與瓦斯突出機(jī)理

 煤與瓦斯突出機(jī)理研究概況

            煤與瓦斯突出給煤礦‘安全生產(chǎn)，特別是井下人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極其嚴(yán)重的威脅。為了防止這類災(zāi)害事故的發(fā)生，保障煤礦井下安全生產(chǎn)．世界上各主要產(chǎn)煤國均投入了大量的人力、物力研究煤與瓦斯突出機(jī)理．以便為突出危險(xiǎn)性預(yù)測和防突措施的制定與實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。但是，迄今為止，人們對(duì)于突出過程中煤巖體破壞與發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識(shí)還停留在定性與假說性階段，對(duì)于突出過程中哪些因素起主要作用以及與其它因素間的作用機(jī)理還把握不準(zhǔn)，故而只能對(duì)某些突出現(xiàn)象給予解釋，還不能形成統(tǒng)一完整的理論體系。

           目前這些關(guān)于煤與瓦斯突出機(jī)理的假說

歸納起來主要有如下幾類：

單因素作用假說

           單因素作用假說主要有：瓦斯主導(dǎo)作用假說，地壓主導(dǎo)作用假說以及化學(xué)本質(zhì)作用假說，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)單因素起主導(dǎo)作用。 1)瓦斯主導(dǎo)作用假說：以瓦斯為主導(dǎo)作用的假說。主要有“瓦斯包’’說  前蘇聯(lián)的比1I．沙留金和英國的R．威廉姆等提倡的“瓦斯包’’學(xué)說認(rèn)為，煤層內(nèi)存在著可以積聚高壓瓦斯的空洞，其壓力超過煤層強(qiáng)度減低區(qū)的煤體強(qiáng)度極限，當(dāng)工作面接近這種瓦斯包時(shí)，煤壁就會(huì)發(fā)生破壞，產(chǎn)生突出。

         (2)粉煤帶說  前蘇聯(lián)的幾比貝可夫、德國的M．魯夫、英國的H．布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤帶說認(rèn)為，由于地質(zhì)構(gòu)造或礦山壓力的作用，原生煤層被破碎成粉狀．這些粉煤極易放出瓦斯。當(dāng)巷道接近這一地帶時(shí)，粉煤在較小的瓦斯壓力作用下，就能與瓦斯一起噴出。

        (3)煤孔隙結(jié)構(gòu)不均勻說  前蘇聯(lián)的P．M．克里切夫斯基等人提出了這一假說，這一假說認(rèn)為．煤層中有透氣性變化劇烈的區(qū)域，在這些區(qū)域的邊緣，瓦斯流動(dòng)速度變化很大。如透氣性小的恰好是堅(jiān)硬的煤．而透氣性大的又是不堅(jiān)硬的煤，那么當(dāng)巷道接近這兩種煤的邊界時(shí)，瓦斯?jié)撃芫陀锌赡苁姑和怀觥?/p>

           (4)突出波說  前蘇聯(lián)的c．兒赫里斯基阿諾維奇提倡的這一假說認(rèn)為，瓦斯?jié)撃芤让旱膹椥宰冃文艽笫蹲笥?，在煤的?qiáng)度低的地區(qū)，煤的瓦斯壓力大于煤的極限破壞強(qiáng)度。當(dāng)巷道接近這一地區(qū)時(shí)，在瓦斯壓力的作用下，可產(chǎn)生連續(xù)的破碎煤體的突出波，引起突出。

           (5)裂縫堵塞說  前蘇聯(lián)的H．L1．阿莫索夫提倡這一假說，他認(rèn)為由于均勻排放瓦斯的裂縫被封閉和堵塞，在煤層中形成增高的瓦斯壓力帶，從而引起突出。

突出發(fā)展過程中各因素的作用

            地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤強(qiáng)度在突出過程中各個(gè)階段所起的作用可以是不同的在通常情況下，突出的激發(fā)階段，破碎煤體的主導(dǎo)力是地應(yīng)力(包括重力應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)引起的集中應(yīng)力以及煤吸附瓦斯引起的附加應(yīng)力等)。因?yàn)榈貞?yīng)力的大小，通常比瓦斯壓力高幾倍；而在突出的發(fā)展階段，剝離煤體靠地應(yīng)力與瓦斯壓力的聯(lián)合作用，運(yùn)送與粉碎煤炭是靠瓦斯內(nèi)能。根據(jù)對(duì)若干典型突出實(shí)例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在突出過程中瓦斯提供的能量比地應(yīng)力彈性能高3—6借以上。壓出和傾出時(shí)煤體的最初破碎的主導(dǎo)力也是地應(yīng)力。

 煤巷卸壓帶對(duì)煤與瓦斯突出的作用機(jī)理

   

煤體作為連續(xù)性介質(zhì)的條件

            物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的，結(jié)構(gòu)體間聯(lián)結(jié)本質(zhì)決定著物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)。通常把結(jié)構(gòu)體間直接由分子引力或離子引力聯(lián)結(jié)起來的物質(zhì)視為連續(xù)質(zhì)，這種物質(zhì)變形前是連續(xù)的，變形過程中仍然保持為連續(xù)。但是，對(duì)煤體而言，上述假設(shè)很難無條件成立，其原因?yàn)椋?br />
             ①大多數(shù)煤(巖)體都存在裂隙。

             ②組成煤(巖)體的基本結(jié)構(gòu)單元間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較低，在不太大的應(yīng)力作用下即可遭到破壞，即使變形前是連續(xù)的，變形過程中往往就變?yōu)椴贿B續(xù)的。

            ③物體連續(xù)性的重要標(biāo)志之一是，其泊松比小于0.5，而煤(巖)體的泊松比有的大于0.5，這明這類煤(巖)體是不連續(xù)的。

巷道煤層區(qū)域中應(yīng)力分布狀態(tài)及其劃分

            煤礦井下來礦作業(yè)破壞了原始地層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時(shí)間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應(yīng)力(又稱支承壓力)，當(dāng)集中應(yīng)力值達(dá)到媒體的強(qiáng)度極限后．該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應(yīng)力向煤體深部傳播，經(jīng)過一定時(shí)問后，形成卸壓區(qū)(應(yīng)力松弛區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)、如圖4—3—2所示，在這三個(gè)區(qū)中，媒體所受應(yīng)力和變形性質(zhì)各有差異。

 極限平衡區(qū)中煤層界面的應(yīng)力分布狀態(tài)及其分析

   

卸壓區(qū)煤體的核定性分析及其安全寬度的確定

    1.  卸壓區(qū)煤體的破壞判斷

1)卸壓區(qū)煤體的破壞判斷

          實(shí)驗(yàn)表明：在一定的圍壓作用下，煤體的破裂多數(shù)為剪破裂，甚至對(duì)于某些煤塊，在單向壓縮情況下，其破裂形式也表現(xiàn)為剪破裂。因此，我們假定在卸壓區(qū)中．煤體的破裂為剪破裂，物理判斷可用庫侖一納維條件表示，

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測

           礦井中的煤與瓦斯突出是帶有區(qū)域性分布的，即突出往往僅僅發(fā)生在個(gè)別區(qū)域．這個(gè)區(qū)或的面積一般僅占整個(gè)井田面積的10％左右。為了保證礦井安全生產(chǎn)、提高礦井生產(chǎn)效益。才突出危險(xiǎn)程度不同的區(qū)域應(yīng)采取不同的措施。為了劃分出突出危險(xiǎn)程度不同的區(qū)域．就需要進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測。因此，突出危險(xiǎn)性預(yù)測的主要作用在于：

區(qū)域性突出危險(xiǎn)性預(yù)測

           區(qū)域性突出危險(xiǎn)性預(yù)測是在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)、新水平和采區(qū)開拓時(shí)進(jìn)行。在井田地質(zhì)報(bào)告中，地質(zhì)勘探單位必須了解井田的瓦斯地質(zhì)條件、提供確定煤層突出危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)資料?；A(chǔ)資料應(yīng)包括煤層厚度及其穩(wěn)定性、煤的結(jié)構(gòu)破壞類型及工業(yè)分析。煤層圍巖的性質(zhì)及厚度、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力、煤的瓦斯放散韌速度指標(biāo)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、水文地質(zhì)情況和火成巖侵入形態(tài)及分布等。生產(chǎn)礦井的地測部門與通風(fēng)部門應(yīng)共同編制礦井瓦斯地質(zhì)圖屈中應(yīng)標(biāo)明地質(zhì)構(gòu)造、采掘進(jìn)度、煤層賦存條件、突出點(diǎn)的位置和強(qiáng)度．以及上述瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)等資料。這些是進(jìn)行突出區(qū)域預(yù)測的基礎(chǔ)。區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測有以下幾種方法。

單項(xiàng)指標(biāo)法

            采用該法時(shí)，各種指標(biāo)的突出危險(xiǎn)臨界值，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)實(shí)測資料確定，無實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可參考表4—4—1所列數(shù)據(jù)，表4—4—1中煤的破壞類型可參考表4—4—2所列特征進(jìn)行確定。表4—4—3為我國某些礦井煤層在始突深度煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量值。由表4—4—3可以看出．各煤層始突深度的瓦斯壓力皆大于0.74MPa，煤層瓦斯含量皆大于10m3/t可燃物。因此，上述兩指標(biāo)值可作為區(qū)域預(yù)測突出危險(xiǎn)性的參考。小于上述指標(biāo)值時(shí)，煤層無突出危險(xiǎn)；等于或大于上述指標(biāo)值時(shí)，有發(fā)生突出的可能。

工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測

           工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測，按巷道類別的不同．又可分為石門、煤巷和采煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測。由于是在采掘過程中進(jìn)行．故預(yù)測方法應(yīng)簡單易行，預(yù)測指標(biāo)應(yīng)能在井下快速測定。根據(jù)這個(gè)原則、目前采用的頂測方法主要有：鉆屑指標(biāo)法、鉆孔瓦斯涌出韌速度法和A

宣綜合指標(biāo)法。

鉆屑指標(biāo)法

           采用這一方法預(yù)測煤巷工作面突出危險(xiǎn)性時(shí)、應(yīng)在工作面打2個(gè)(傾斜和急傾斜煤層)或3個(gè)〔緩傾斜煤層)直徑為42mm、深為6m以上的鉆孔。鉆孔每打l m測定鉆屑量1次，孽隔2m取1次煤鉆屑，測定瓦斯解吸指標(biāo)△h2，C、c或K1值，然后根據(jù)測出的指標(biāo)值來預(yù)測E出危險(xiǎn)性。

鉆孔瓦斯涌出初速度法

          利用該法進(jìn)行煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)．應(yīng)在距巷道兩幫o．5m處．各打一個(gè)平行于巷道掘進(jìn)方向，直徑廖42mm，深為L 5m的鉆孔。用膠澳封孔器進(jìn)行封孔、封孔后測量室的長度應(yīng)為o．5m。鉆孔瓦斯涌出初速度用流量計(jì)進(jìn)行測定，測定工作應(yīng)在汀完鉆孔后2mm內(nèi)完成。判斷有突出危險(xiǎn)的鉆孔瓦斯涌出初速度的臨界值gm，應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)測資料分析確定。如果無實(shí)測資料時(shí)．可參考表4—4—7中的臨界值。