煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀

1煤與瓦斯突出機(jī)理

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外觀測(cè)不少關(guān)于煤與瓦斯突出事件,積累了成千上萬(wàn)次突出紀(jì)錄,總結(jié)了防治突出的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),并提出了許多假說(shuō),試圖對(duì)突出現(xiàn)象的本質(zhì)及影響因素在突出發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中所起的作用進(jìn)行描述,歸納起來(lái),這些假說(shuō)可分為四類(lèi):瓦斯作用說(shuō)、化學(xué)本質(zhì)說(shuō)、地應(yīng)力作用說(shuō)和綜合假說(shuō)。

1)瓦斯作用說(shuō)

這類(lèi)假說(shuō)認(rèn)為煤內(nèi)存儲(chǔ)的高瓦斯是突出中起主要作用的因素。在這類(lèi)假說(shuō)中“瓦斯包”說(shuō)占有主要地位,它認(rèn)為在煤層中存在著瓦斯壓力和瓦斯含量比鄰近區(qū)域高得多的煤窩,即“瓦斯包”,其煤質(zhì)松軟,孔隙與裂隙發(fā)育,且被透氣性差的煤或圍巖所包圍,因此具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)瓦斯能力,當(dāng)巷道揭穿“瓦斯包”時(shí),在瓦斯壓力作用下將松軟的煤窩破碎并拋出,從而誘發(fā)突出。另一類(lèi)瓦斯說(shuō)則認(rèn)為,甲烷在煤中以不穩(wěn)定的化合物形式而存在,如多聚甲烷(CH4)n或結(jié)晶水化物CH4·6H2O,當(dāng)巷道揭開(kāi)飽含不穩(wěn)定化合物的煤區(qū)時(shí),因溫度上升或瓦斯壓力下降,促使它們急劇分解,放出大量瓦斯并夾帶著煤而噴出。

在引發(fā)突出現(xiàn)象的諸多因素中,瓦斯解吸是一個(gè)主要原因。在煤的骨架上和內(nèi)部縫隙及煤分子中存在吸附瓦斯,這種相態(tài)的瓦斯是以擴(kuò)散形式緩慢運(yùn)移的,當(dāng)它們擴(kuò)散到達(dá)煤層的縫隙網(wǎng)絡(luò)后,便迅速解吸為自由態(tài)的瓦斯并成為通過(guò)宏觀孔隙流到工作面的自由流體。吸附瓦斯在解吸過(guò)程中必然釋放出大量?jī)?nèi)能,煤層內(nèi)能有兩種儲(chǔ)存形式,分別為氣體介質(zhì)的內(nèi)能和固體介質(zhì)的內(nèi)能。在礦井采掘作業(yè)中,由于煤體結(jié)構(gòu)和狀態(tài)均發(fā)生了變化,這兩種能量將轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,因此,煤與瓦斯突出是一種由于存儲(chǔ)于煤層中的瓦斯能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能而發(fā)生的煤層崩塌和瓦斯氣體溢出的失效破壞過(guò)程。這種失效破壞可能是由于煤層中的應(yīng)力超過(guò)煤介質(zhì)的強(qiáng)度,以及在瓦斯釋放時(shí)單位體積煤所釋放的瓦斯內(nèi)能足以超過(guò)引起單位體積煤發(fā)生突出所必須的功。

2)化學(xué)本質(zhì)說(shuō)

化學(xué)本質(zhì)說(shuō)主要包括:“爆炸的煤說(shuō)”、“重煤說(shuō)”、“地球化學(xué)說(shuō)”、“硝基化合物說(shuō)”。其中“爆炸的煤說(shuō)”認(rèn)為是由于煤在地下深處變質(zhì)時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而引起的,即由于煤的變質(zhì),在爆炸轉(zhuǎn)化的物質(zhì)(爆炸的煤)的介穩(wěn)區(qū)能呈現(xiàn)鏈鎖反應(yīng)過(guò)程,并迅速形成大量的CO2和CH4,從而引起爆炸即煤與瓦斯突出。

重煤說(shuō)認(rèn)為煤在形成時(shí)有重碳(原子量13)及帶氫的同位素(原子量2)重水參加,形成煤的重同位素,稱(chēng)為“重煤原子”,當(dāng)進(jìn)行采掘時(shí),能發(fā)生突出。

“地球化學(xué)說(shuō)”認(rèn)為煤與瓦斯突出是煤層中不斷進(jìn)行的地球化學(xué)過(guò)程,即煤層的氧化-還原過(guò)程,由于活性氧的存在而加劇,生成一些活性中間物,并與煤中有機(jī)物質(zhì)發(fā)生相互作用,使煤分子遭到破壞。

硝基化合物說(shuō)認(rèn)為突出煤中積蓄有硝基化合物,只要有不大的活化能量(如分布不均的地應(yīng)力,瓦斯壓力)就能產(chǎn)生發(fā)熱反應(yīng),當(dāng)其能量超過(guò)分子間活性能時(shí),反應(yīng)將自發(fā)地加速進(jìn)行,從而發(fā)生突出。

3)地應(yīng)力作用說(shuō)

這類(lèi)假說(shuō)把突出發(fā)生的原因歸結(jié)為局部地應(yīng)力的增大。在這類(lèi)假說(shuō)中,構(gòu)造應(yīng)力論占有重要的地位。構(gòu)造應(yīng)力說(shuō)又可分為殘余構(gòu)造應(yīng)力說(shuō)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力說(shuō)兩種。地層中產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造須有巨大的力量,即構(gòu)造應(yīng)力。殘余構(gòu)造應(yīng)力說(shuō)認(rèn)為,盡管在久遠(yuǎn)的年代以前,地質(zhì)構(gòu)造已經(jīng)形成,但在地質(zhì)構(gòu)造帶附近煤層的圍巖中,仍殘存著部分構(gòu)造應(yīng)力,即殘余構(gòu)造應(yīng)力,其值遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力值。當(dāng)采掘工作面接近這些含有殘余構(gòu)造應(yīng)力的巖層時(shí),會(huì)像彈簧一樣張開(kāi),釋放其中貯存的大量彈性潛能,引起突出。但在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中,殘余構(gòu)造應(yīng)力是否能保存下來(lái),引起了較大的爭(zhēng)議,所以又有人提出了現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力說(shuō),即認(rèn)為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力大的區(qū)域即為突出危險(xiǎn)區(qū)域。另一種學(xué)說(shuō)認(rèn)為采掘工作面前方存在著應(yīng)力集中,當(dāng)厚層頂板懸頂過(guò)長(zhǎng)或突然冒落時(shí),可能產(chǎn)生附加的集中應(yīng)力。在集中應(yīng)力作用下,煤發(fā)生破壞和破碎時(shí),會(huì)伴隨大量瓦斯涌出而構(gòu)成突出。

4)綜合假說(shuō)

綜合作用假說(shuō)認(rèn)為煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、包含在煤層中的瓦斯以及煤體本身的物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上衍生得假說(shuō)是根據(jù)各種因素在突出中所起作用不一致而劃分的，這類(lèi)假說(shuō)中有代表性的是前蘇聯(lián)學(xué)者B.B.霍多特的能量說(shuō)和巴浦洛夫等人的地應(yīng)力分布不均說(shuō)。

突出能量說(shuō)認(rèn)為，突出是煤的變形潛能和瓦斯內(nèi)能突然釋放引起的近工作面煤體的高速破碎現(xiàn)象。該假說(shuō)將突出過(guò)程分3個(gè)階段：煤層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)在動(dòng)靜載荷下煤的破碎，在煤變形潛能和瓦斯壓力下煤的移動(dòng)，瓦斯由已破碎的煤中解吸、膨脹并帶出懸浮于瓦斯流中的煤。

地應(yīng)力不均假說(shuō)認(rèn)為，圍巖中不均勻分布的地應(yīng)力、高的瓦斯壓力和低的透氣性變形、破壞的松軟煤體是產(chǎn)生突出的有利條件。突出煤層的煤巖具有增高和不均勻的應(yīng)力分布,當(dāng)工作面前方煤體中的應(yīng)力不均勻分布時(shí),就會(huì)產(chǎn)生圍巖的不均勻位移。突出之前,頂?shù)装逡平耐?造成“自我阻塞”,大大降了靠近工作面的破裂帶的尺寸,只留下壓縮帶,同時(shí)在距工作面短距離內(nèi)部保持著較高的穩(wěn)定的瓦斯壓力。由于采掘工作破壞了圍巖脆弱平衡,就造成急劇的位移和搓揉,產(chǎn)生沖擊和煤的破碎,發(fā)生突出。