1、浅析矿井煤与瓦斯突出机理及防治摘要：随着我国经济的发展，煤炭的需求越来越大，加上钱不资源的枯竭，矿山逐渐进入深部开采状态。煤与瓦斯突出灾害也成为危害矿井安全生产的常见灾害频繁发生。本文着重从突出灾害的机理、突出危险性预测及效果检验、消突技术和突出防治保障体系四个方面对煤与瓦斯突出进行了综述性的介绍。关键词：煤与瓦斯突出；突出机理；突出危险性预测；突出的防治；保障体系1 绪论1.1 研究背景及意义随着全球经济的日益发展，科技的进步推动着工业的发展，作为工业的血液和粮食的传统化石能源石油和煤炭的需求也日益增长。而随着长期的大量开采活动的进行、开采强度的加大，浅部矿产资源逐渐枯竭，进而导致国内外诸多
2、矿山都相继进入深部资源开采状态。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，而国外一些主要产煤国家从20世纪60年代就开始进入深井开采。1960年前，西德平均开采深度已经达650m，1987年已将近达900m；原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600m以下深部。国外深部工程开采现状如图1-1。图1-1 国外深部工程开采现状煤炭是中国的基础能源，在一次能源构成中占70%左右。“十一五”规划建议中进一步确立了“煤为基础、多元发展”的基本方略，为中国煤炭工业的兴旺发展奠定了基础。“十一五”期间需要新建煤矿规模3亿吨左右，其中投产2亿吨，转结“十二五”1亿吨。中国煤炭工业将继续保持
3、旺盛的发展趋势，今后一个较长时期内，中国煤炭工业的发展前景都将非常广阔。至2015年，我国煤炭产能将达41亿吨年。“十二五”期间，计划新开工煤矿建设规模为7.4亿吨/年，到2015年煤炭生产能力为41亿吨，产量控制在39亿吨。“煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。”国家能源局副局长吴吟称。煤炭作为我国工业发展的基石，其在各能源中所占比重预计到2050年仍将保持在50%以上。以煤炭为主要能源的局面，在今后相当长的时间内不会发生根本性的变化。我国东部主要矿区经过多年的开采，浅部资源
4、已接近枯竭，迫切需要开采深部煤炭资源以满足经济发展需求。根据第三次全国煤炭预测，仅东部的山东、河北、河南、安徽、江苏、江西、山西七省埋深在6001000m区间的煤炭资源预测储量约1822.68亿吨，埋深在10001500m区间的煤炭资源预测储量约2494.11亿吨，二者累计为4316.79亿吨。2010年我国煤炭产量达到33亿吨，在有力地保障了经济快速增长的同时，也导致我国煤矿以每年2050m的速度向深部延伸。近年来，全国范围内已有50多对矿井开采深度超过1000m：如沈阳采屯矿开采深度为1197m；开滦赵各庄矿开采深度为1159m；徐州张小楼矿开采深度为1100m；北票冠山矿开采深度为105
5、9m；新汶孙村矿开采深度为1055m；北京门头沟开采深度为1008m；长广矿开采深度为1000m。在淮南和淮北矿区，平均开采深度也大都已经达到700800m。目前，淮北矿区祁南矿、朱仙庄矿等多个矿井都在开展深部资源的勘查工作，准备开采深部煤层。我国国有重点煤矿平均采深的变化趋势如图1-2所示。图1-2 我国国有重点煤矿平均采深变化趋势国内外资料及有关数据表明，随着开采深度的增加，矿井可能出现地温增高、瓦斯涌出量增加、矿压增大、底板水压增大等现象，矿井也面临由硬岩矿井向软岩矿井、低瓦斯矿井向高瓦斯矿井、非突矿井向突出矿井、非冲矿井向冲击矿井的转变。其中，突出危险性的提高是随着开采深度的增加矿井所
6、出现的重要问题，也是目前我国安全开采的主要研究方向。1.1.2煤与瓦斯突出的危害煤矿开采深度越深，瓦斯瞬间释放的能量也会越大。煤与瓦斯突出是煤矿井下生产的一种强大的自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产。由于煤与瓦斯突出能在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且是附近区域的井全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息或煤流埋人，甚至会造成煤尘和瓦斯爆炸等严重后果。近年来，突出事故已成为煤矿安全生产的主要频发事故。2010年1月20日，贵州省毕节地区金坡煤矿发生煤与瓦斯突出事故，死亡7人。2010年3月31日19时22分，河南省洛阳市伊川县国民煤业有限公司发生一起
7、特别重大煤与瓦斯突出事故，截至4月6日7时，已发现井下35人死亡。2011年10月16日6时左右，中平能化集团平禹煤电公司四矿12190采面在施工防突钻孔时发生煤与瓦斯突出事故，事故发生后239人安全撤至地面，37名被困矿工全部遇难。2012年5月17日凌晨湖南省新邵县发生一起矿难，造成6人死亡。表1-1 2008年煤矿重、特大煤与瓦斯突出事故统计序号日期矿井名称所有制死亡/人突出煤岩量/t11.18重庆南川县高桥煤矿煤巷掘进乡镇1323.14云南昭通威信县水洞坪矿煤巷乡镇14150t堵巷20m33.26湖南郴州永兴县张家洲矿煤巷乡镇13约10043.27贵州水城汪家寨矿4采区采面国有重点10
8、55.4河南省荥阳市东升煤矿煤巷乡镇1668.1河南省平禹煤电公司四矿煤巷国有重点23突出煤255579.5四川宜宾市金河公司采面乡镇1889.21河南登封新丰二矿煤巷掘进地方国有37突出煤250t910.12四川宜宾市幸福煤矿煤巷掘进乡镇101012.17湖南涟源市挂子岩煤矿石门乡镇18800t堵巷120m我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。至2003年底为止，全国国有重点煤矿中，先后有50个矿务局的192对矿井发生了12164次煤与瓦斯突出。随着煤矿开采深度的逐年加大和开采机械化水平的不断提高，我国的煤与瓦斯突出出现突出矿井逐年增多和突出强度逐年增大的趋势。煤与瓦斯突出依然是我国煤矿
9、安全开采的重大技术难题，因而研究矿井的煤与瓦斯突出机理、预测及防治对于煤矿安全生产具有重要意义。1.2 国内外研究现状我国煤炭资源埋藏深的客观条件决定了我国煤矿开采方式以井工开采为主。目前，井工矿原煤产量约占全国原煤产量的95%。煤与瓦斯突出机理是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展的过程。长期以来，国内外专家根据突出现场的统计资料和实验分析，对突出进行了细致的研究，提出了各种假说。1.2.1国外研究现状上述各种假说归纳起来，可以分为四类，即以瓦斯为主导作用的假说瓦斯作用说、以地应力为主导作用的假说地应力作用说、化学本质说和综合作用假说。其中综合作用假说由于全面考虑了突出发生的作用力和
10、介质两个主要方面的因素，得到了国内外大多数学者的认可。瓦斯主导作用假说。这类假说认为煤体内存储的高压瓦斯在突出中起主要作用。这些假说主要包括“瓦斯包”说，粉煤带说，煤空隙结构不均匀说，突出波说，裂缝堵塞说，闭合空隙瓦斯释放说，瓦斯膨胀说，卸压瓦斯说，火山瓦斯说，地质破坏带说，瓦斯解吸说等。其中“瓦斯包”说占重要地位，认为“瓦斯包”是突出的动力来源。瓦斯包说认为在煤层中存在着瓦斯压力和含量比临近区域高的多的煤窝，即瓦斯包，其中煤质松软、空隙裂隙发育，具有较大的瓦斯贮存能力，它被透气性差的煤岩所包围，储存着高压瓦斯，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，煤壁发生破坏，瓦
11、斯将松软的煤窝破碎并抛出煤炭形式突出。（2）地应力主导作用假说。这种假说认为煤与瓦斯突出主要是高地应力作用的结果，这类假说主要有岩石变形潜能说，应力集中说，塑性变形说，冲击式移近说，拉应力波说，应力叠加说，放炮突出说，顶板位移不均匀说等。高地应力包括两个方面，一方面指自重应力和构造应力,另一方面指工作面前方存在的应力集中。当巷道接近这种储存了大量应变能的煤岩体时，煤岩体发生破坏，积聚的能量得以释放，会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。化学本质作用假说。这种假说认为突出主要是在化学作用下形成高压瓦斯和产生热反应。化学本质主导作用假说主要有“爆炸的煤”说，地球化学说，硝基化合物说等。但迄今为止，矿井中尚
12、未发现瓦斯的水化物的实物，因此化学本质说得到的支持和拥护较少。（4）综合作用假说。这种假说认为突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯及煤体自身物理力学性质等综合作用的结果。该假说较全面地考虑了突出的动力和阻力两个方面的主要因素。综合作用假说主要有振动说，分层分离说，破坏区说，游离瓦斯压力说，地应力不均匀假说，能量假说等。其中，由前苏联学者B.B.霍多特提出的“能量假说”影响最为广泛。能量假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然变化时，潜能释放引起煤层高速破碎，在变形潜能和煤中瓦斯压力的作用下，煤体发生移动，瓦斯由已破碎的的煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把已破碎的煤抛向采掘
13、空间。突出的全过程可描述如下：由一种应力状态迅速转向另一种状态时，应力的变化超过煤体的弹性变形极限，在岩石对煤层的直接破碎作用的同时，增添了弹性恢复所引起的破碎和移动功，使破碎的孔隙率增加，瓦斯压力作用面积增大，即有效的瓦斯压力增大。当煤相当破碎且煤内的瓦斯含量足够大是，瓦斯涌出速度极具增大，形成瓦斯流，把已粉碎的煤带入巷道，形成突出。含瓦斯煤层发生煤与瓦斯突出的条件可简化为： (1-1)式中：煤的弹性能； 瓦斯的膨胀能； 煤破碎到标志突出特征的粉煤时的能量。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。瓦斯对煤体有三个方面的作用：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
14、孔起楔子作用，同时降低了煤的强度；存在瓦斯压力梯度，引起作用于梯度方向的力。1.2.2国内研究现状我国从20世纪60年代起就对突出煤层的应力状态，瓦斯赋存状态，煤的物理力学性能等开展了研究。特别是近几年随着研究的深入及手段的应用，产生了许多新认识，目前已能对突出发生的原因、条件、能量来源做出定性的解释和近似的定量计算，为防治措施选择及效果检验提供理论依据，概括起来主要有以下几种假说。（1）中心扩张假说中心扩张学说，也叫发动中心说，主要是由煤炭科学研究总院重庆研究院的于不凡提出的。他认为煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的发动中心开始，之后向周围扩展，并由发动中心周围的煤-岩石-瓦斯体系提供能量
15、并参与活动。在煤与瓦斯突出地点，地应力、瓦斯压力、煤体结构和煤质是不均匀的，突出发动中心就处在应力集中点，煤体的低透气性有助于建立大的瓦斯压力梯度。在具有高的应力状态和瓦斯压力的前提下，并且在近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化时，释放的潜能就可能引起煤与瓦斯突出。（2）二相流体假说1986年李萍丰提出了二相流体假说。假说认为，突出的本质是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流体，二相流体受压积蓄能量，卸压膨胀放出能量，冲破阻碍区形成突出。假说强调，突出的主要动力源是压缩积蓄的能量，不是煤岩弹性能和瓦斯膨胀能。他认为煤粒及瓦斯的来源是受采动的影响，突出时二相流体成为二相流，煤粒也是一种流体。（3）流变假说1990年，周世宁、何学秋两位教授提出了流变假说。他们认为，煤和瓦斯突出是含瓦斯煤体在地应力的作用下，与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出的准备阶段，含瓦斯煤体发生蠕变破坏形成裂隙网，之后瓦斯冲垮破坏的煤体发生突出。该观点对延期突出给予了很好的解释。（4）固气耦合失稳假说1994年，太原理工大学赵阳升教授提出了固气耦合失稳假说。该理论是根据煤层瓦斯流动时，固体变形与瓦斯流动耦合提出的，固气耦合失稳理论
