1、专题部分浅析煤与瓦斯突出的发生机理与危险性评价摘要：煤与瓦斯突出是严重制约煤矿安全生产的自然灾害之一，其发生的突然性与巨大的危害性严重影响着工人的生命安全和矿井的安全生产。目前国内外对煤与瓦斯突出的本质及作用原理进行了许多研究，提出了若干假说，发展出了一系列的预测煤与瓦斯突出危险性的理论和方法。本文阐述了国内外研究的历史与现状，对煤与瓦斯突出的危险性评价进行了综合阐述并提出了自己的理解。关键词：煤矿；煤与瓦斯突出；突出危险性预测1. 引言1.1 我国煤与瓦斯突出情况1.1.1 我国煤炭地下开采情况煤与瓦斯突出是煤与瓦斯突出是煤炭开采过程中发生的严重自然灾害之一，其危害性主要表现在在极短的时间内
2、，由煤体内部向采场、巷道等采掘空间喷出大量的煤、岩和瓦斯，突出物损坏井下设备，造成人员伤亡；突出过程中涌出的大量瓦斯可以使人窒息，在一定条件下还会引起瓦斯爆炸，造成严重的人员伤亡和财务损失事故。而我国是世界上突出事故最严重的国家。煤与瓦斯突出问题具有巨大的经济效益和社会效益的深入研究，国家已经成立了专门的研究机构进行相关研究。从我过的能源结构看，由于我国石油储量小，新能源发展缓慢，煤炭仍然是我国一次能源消费的主体，在我国化石能源资源量中占95%，占一次能源消费总量的60%70%。到2015年，预计我国煤炭产能达到41亿t。在我国已有的5.57万亿t煤炭资源储量中，埋深超过1000m有2.95万
3、亿t，占煤炭资源总量的53%。由于我国经历了几次大的地质构造运动较多，形成了特殊的地质条件，煤炭赋存深度普遍较深，我国95%的煤炭资源是由井工矿开采的，在“有水快流”思想的指导下我国煤炭资源经历了长期大规模的开采，浅部资源逐渐减少枯竭，煤矿地下开采也越来越深。据资料统计，1980年国内煤矿开采的平均深度为288m，1995年则达到了428m，在21世纪初已经接近500m。近年来，全国范围内开采深度超过1000m的矿井已有50多对：如沈阳1197m；开滦赵各庄矿1159m；徐州张小楼矿1100m；北票冠山矿1059m；新汶孙村矿1055m；北京门头沟1008m；长广矿开采1000m。大量资料与现
4、场实践表明，随着开采深度增加，矿井可能会出现矿山压力增大、岩温增高、瓦斯涌出量增大、底板水压增大等不利现象，矿井也可能会由硬岩矿井转变为软岩矿井、低瓦斯矿井转变为高瓦斯矿井、非突矿井转变为突出矿井、非冲击矿井转变为冲击矿井。我国矿井瓦斯等级分布和全国突出矿井在各省份的分布情况如图1-2和图1-3。随着国内煤炭开采深度的增加，加之我国的煤炭开采条件极为复杂，由2008年的统计数据可知：在国有重点煤矿中，地质构造复杂程度为复杂或极其复杂的占36%，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井占40.3%，。2006年煤矿共发生煤与瓦斯突出40起，死亡252人；2007年35起，死亡248人；2008年34起，死亡
5、278人。从表1-1可以看出我国的煤与瓦斯突出事故发生次数与死亡人数和矿井的产量均有一定的相关性。在年产量小于6万t的小型矿井中发生的事故次数多，事故均死亡人数大。表1-1 全国煤炭与瓦斯突出情况类别内容事故发生次数死亡人数事故均死亡人数矿井生产能力6万t16155106万t151128矿井瓦斯等级突出矿井2321410高瓦斯矿井6295低瓦斯矿井22010矿井性质国有重点5306非国有292138尽管在将近200年的时间里人们对煤与瓦斯突出机理的进行了细致的研究，提出了40余种解释突出发生机理的假说，如：力作用假说、瓦斯作用假说、综合作用假说、中心扩张学说、流变假说等等，但仍旧未能全部理解煤
6、与瓦斯突出的发生机理。现在则普遍认为煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果。下文将简单介绍这几种假说的历史渊源与研究现状。图1-2 全国矿井瓦斯等级分布图1-3 各省突出矿井分布1.1.2 煤与瓦斯突出历史回顾世界上首次有记录的煤与瓦斯突出发生在1834年3月22日的法国鲁阿雷煤田依萨克井，此后的150余年，有煤与瓦斯突出记录的国家有法国、前苏联、美国、英国、波兰、匈牙利、比利时、日本、加拿大、澳大利亚、美国、英国、中国等二十多个国家和地区。据一份截止到2003年底的不完全统计，各国已经发生超过四万次的煤与瓦斯突出事故，其中突出强度最大的一次是在1969年7月13日，前
7、苏联顿巴斯矿区加加林矿发生煤与瓦斯突出事故，突出的总煤量达l4200t，瓦斯25万m3。据文献记载，我国的第一次煤与瓦斯突出于1950年4月20日发生在辽源矿务局富国矿的西二坑垂深280m的煤巷掘进时。此后，随着我国经济的飞速发展，煤炭需求剧增，老矿井的开采深度越来越大，新矿井不断建设投产，突出矿井也越来越多。根据1995年的统计数据，建国以来，我国先后在45个矿务局、138个国有重点煤矿的178个井口，发生煤与瓦斯突出10815次，死亡1266人，累计突出煤量815800t，平均突出强度27.5t/次。全国突出矿井总数约为250个，累计突出14300次，占世界突出总次数的35%。其中有超过1
8、00次的突出的煤量超过了1000t，其中最大的一次突出于1975年8月8日发生在四川天府矿务局的三汇一矿主平硐放震动炮揭穿6#煤层时，其突出煤量达12780t（其中有60%的煤炭，40%的矸石），突出瓦斯达140万m3，居世界历史记录第二位。从以上数据可以看出，我国煤与瓦斯突出发生现象最严重，损失最大，是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之一。1.2 煤与瓦斯突出特点1.2.1 煤与瓦斯突出的动力现象及特征根据目前的研究结果，在煤与瓦斯突出过程中起作用的力主要有地应力和瓦斯压力，作用介质为软煤和瓦斯。其基本特征有：（1）抛出的固体物质具有明显的气体搬运特征。在突出现场可以看到突出的煤和岩块被搬至
9、离突出发生点较远的地方，甚至拐了几个弯；煤、岩块的堆积角度小于其自然安息角；堆积物中大的颗粒落在近处和下部，小的颗粒飘到远处并覆盖在突出物的上方，这种现象也被称为分选性堆积。（2）突出物表现出明显的高压气体爆炸的特征。软煤被作用力抛出后，由于其中的高压气体迅速膨胀做功，煤体程度很高，形成了大量的极细的煤尘。有时突出过程还对已抛出的软煤进行固结和捣实，粘结性增强，灾害后处理时，工人突出难以搬运需要镐刨才能运走。（3）突出的空洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大，空洞的轴线往往沿煤层倾斜方向或与倾斜方向成一不大的角度，突出空洞的长度一般为几到几十米。有时无明显可见的突出空洞，抛出煤体
10、的地方充满了松散的碎煤。（4）突出过程中涌出大量瓦斯。在突出的过程中，抛出的煤量越大，解吸出瓦斯也就越大。当涌出的瓦斯量大到一定程度时，瓦斯流会逆着矿井的进风流而行达几十米，甚至几百米上千米，对矿井的通风系统和设施造都会造成严重的破坏。突出倾向性煤层中的瓦斯压力一般也比较高，多数高于1.0MPa，有的甚至高达10MPa。1.2.2 煤与瓦斯突出的预兆在人们开采地下煤炭的长期实践中，对煤与瓦斯突出的现象也产生了一些认识，总结了煤与瓦斯突出发生前在地下采场中发生的不寻常现象和预兆，每次突出前都有或多或少预兆出现，但出现预兆的时间和预兆的种类是不同的。熟悉和掌握预兆，对于及时撤出人员、减少伤亡具有重
11、要的意义。（1）声响预兆：煤体中发出闷雷声、爆竹声、机枪声、霹裂声、嗡嗡声等。这些声响统称为“煤炮”。声音由远到近，由小到大，有短暂的、有连续的、间隔时间长短不一。在个别突出发生前，也会出现渗水声或其他声响。（2）煤结构变化预兆：煤层层理紊乱、煤变松软、煤变暗无光泽、煤干燥和煤尘增多等。（3）地压方面的预兆：支架来压、掉渣、片帮、工作面煤壁外鼓、底鼓、煤眼变形装不进药等。（4）瓦斯方面的预兆：风流瓦斯浓度增大、瓦斯浓度忽大忽小、打钻时夹钻顶钻、钻孔喷煤喷瓦斯等。1.2.3 煤与瓦斯突出的一般性特征结合国内外已有的突出统计资料，经过分析后可以得出突出发生的规律，具体如下：（1）突出危险性随采深增
12、加而增高在浅部开采的不突出矿井，开采到深部后，煤层应力状态变化，瓦斯压力的增大，使矿井转变为突出矿井。矿井内第一次发生突出的煤层深度称为始突深度。但第一次发生突出的突出埋深不一定代表了真实的始突深度；也不能在发生了突出后才采取相应防突措施。处于煤层瓦斯风化带的区域为无突出危险区域。煤层瓦斯风化带很深的矿井，一旦开采进入瓦斯带，突出危险性便会迅速增加。（2）煤层突出危险性随煤厚增加而加大从南桐矿务局的统计资料中可以清晰的看出煤层的突出危险性随着煤层厚度的增大而增大。表1-2 南桐矿务局不同厚度煤层突出情况煤层3号层4号层5号层6号层合计煤层厚度/m0.30.52.53.20.70.81.01.5
13、突出次数/次9325869757占总次数百分比/%1.76315.618.7100突出总煤量/t15.525801.43187328732291占总煤量百分比/%0.1809.810.1100平均强度/t/次280373462最大突出强度/t55000766450开始突出深度/m35040080180190180190（3）突出危险区常呈条带状分布前苏联突出统计资料表明，在突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10%左右。我国统计资料则表明，突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的1015%。突出区域的大小受到地质构造带和火成岩侵入的控制。随着开采深度的加深，突出危险区占突出煤层
14、区域总面积的比例相应增加；达到一定深度后，所有煤层都有突出危险性。（4）受煤体自重影响，巷道上、前方突出占大多数上山掘进、托顶煤掘进倾出比例高；倾出后可能诱发典型突出；急倾斜煤层上山掘进倾出情况更严重；与此相反，下山掘进，动力现象只有突出和压出，无倾出；虽然下山掘进突出发生次数只有上山掘进的七分之一，但平均强度却是上山掘进1.7倍，因而突出矿井应避免倾角25以上的上山掘进。（5）采掘作业突出占大多数放炮、支护、落煤、带钻等作业方式诱导的瓦斯突出，占突出总数的97.3%，其中：放炮作业突出5481次，占64.6%；风镐落煤突出676次，占8%；手镐落煤突出1102次，占13%。其余的非作业方式诱
15、导的突出指自行揭开石门和延期突出，由“含瓦斯煤岩流变理论”，它们也属作业方式诱导的突出。（6）绝大多数突出有预兆在我国统计的5029次有明确突出预兆记录的突出事例中，有4493次突出发生前有明显的突出预兆，占89.3%，其中煤炮声最为常见，无突出预兆的仅有536次，占10.7%。预兆包括三类：地压显现、瓦斯涌出、煤的力学性能与结构变化；预兆是准备阶段的外部表现，每次突出都应有预兆，存在着人们是否观察到、是否发现的问题。经验丰富的工人能很好地发现预兆。（7）突出大多数发生在地质构造带和应力集中带在3082次有地质构造情况详细记录的突出中，2525次突出地点有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，占81.9%；557次无地质构造突出，仅占18.1%。地质构造带一般是残余构造应力集中带。由于在地质构造带附近的采掘作业经常是不正常的，采掘应力会进一步集中。（8）石门揭煤突出危险性最大在统计的9845次突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5t，是平巷突出平均强度（50t）的6倍以上。由于突出发生机理并没有完全得到解决，不能很好地解释其
