煤与瓦斯突出机理研究现状以及未来研究方向

王云亮

山东省青岛市山东科技大学矿业与安全工程学院

煤与瓦斯突出机理研究现状以及未来研究方向

王云亮

山东省青岛市山东科技大学矿业与安全工程学院

到目前为止，煤与瓦斯突出的机理还没有明确，处于假说状态。在这一背景下，本文系统总结分析了国内外较被认可的各大假说，揭示了煤与瓦斯突出的研究现状。分析了现阶段研究的不足，以及未来研究的发展方向。

煤与瓦斯突出;现状;发展

煤与瓦斯突出是一种发生在煤矿生产中的极其复杂的地质动力现象，它能在极短的时间内由煤体向巷道或采场突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯，它将产生巨大的冲击力，对人员以及井下设备造成不可估量的伤害。目前世界上有20 多个国家发生过煤与瓦斯突出，其中， 我国的突出尤为严重，随着煤矿开采深度的增加，矿井不断延伸，突出发生的危险性增大。然而到目前为止，关于煤与瓦斯突出发生的机理还没有一个确切统一的解释，仍然处于假说状态。因此，深入研究煤与瓦斯突出的机理对于井下突出的防治以及预测有重要意义。

1.煤与瓦斯突出机理研究现状

1.1 国外现状

国外关于煤与瓦斯突出机理的研究成果可以归纳为以下 4 个方面：

a.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。其中“瓦斯包”说占重要地位，认为“瓦斯包”是突出的动力来源。瓦斯主导作用假说主要有：“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 11种假说。

b.地应力主导作用假说。这种假说认为煤和瓦斯突出主要是高地应力作用的结果。高地应力包括 2 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。 地应力主导作用假说主要有：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 8 种假说。

c.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：瓦斯水化物说、地球化学说、硝基化合物说等 3 种假说。

d.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。但对各因素在突出中所起的作用没有统一认识。 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 6 种假说。

1.2 国内现状

我国从 20 世纪 60 年代起开始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，并根据现场资料和实验研究对煤和瓦斯突出机理进行了探讨。特别是近几年随着研究的深入及新手段的应用，产生了许多新的认识。概括起来主要有以下四种假说：

a.二相流体假说。1989 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。假说强调突出的动力源是压缩积蓄的能量，不是煤岩弹性能和瓦斯膨胀能。

b.流变假说。1990 年， 周世宁、何学秋提出了流变假说。流变假说认为：含瓦斯煤体在外力的作用下，当达到或超过其屈服载荷时，则明显地表现为时间上的3 个阶段：变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速变形阶段。认为突出是瓦斯快速流变的结果， 且流变行为取决于其外部条件和自身的物理力学性质，不存在突出煤和非突出煤差别。

c.固- 气耦合失稳假说。1994 年， 赵阳升等提出了固- 气耦合失稳假说。该理论认为是煤岩、瓦斯变形系统从静态转变为动态的失稳过程。煤岩体失稳破坏除了与应变状态有关外， 还与其物理力学性质有关。局部应变软化介质的脆性度大时容易失稳， 否则不容易失稳;而围岩刚度小时才容易失稳， 大时不容易失稳。煤与瓦斯突出是由于应力和孔隙瓦斯压力综合作用的结果， 既不是哪一个因素起主导作用， 也不是应力、瓦斯两者简单叠加综合作用的结果， 而是在各个因素间的相互作用、相互影响下发生的动力失稳破坏现象。

d.球壳失稳假说。球壳失稳假说的观点是由蒋承林提出的。球壳失稳观点认为， 突出的过程实质是地应力破坏煤体、煤体释放瓦斯、瓦斯使煤体裂隙扩张并使成的煤壳失稳破坏， 煤体的破坏以球盖状煤壳的形成、扩展及失稳抛出为主要特点。这种观点对于解释突出孔洞的形状及形成过程给予很好的解释。

2.煤与瓦斯突出未来研究方向的展望

以上国内外各假说都只是从某一个角度解释了煤与瓦斯突出发生的机理，考虑的比较片面。虽然综合作用假说认为煤与瓦斯突出是多种因素决定的，但是在进行研究时只是从某一个方面进行深入研究，没有将各大假说进行融合，综合考虑各个因素进行研究。因此，现阶段，我们应该在各大假说的基础上，取其长处，融合起来建立一个完整理论和模型， 以指导煤矿安全生产。

① 现阶段需要建立一个综合各家假说的相关理论而成的动态理论体系， 不局限于某一地区某一种地质条件，而是能够使用于各种煤与瓦斯突出现象，使其能够简便、全面地解释煤与瓦斯突出机理。为了建成这一体系，需要综合考虑各个因素，全面深入分析煤与瓦斯突出发生的实例。

② 结合各地区条件， 简化煤与瓦斯机理研究理论， 使其更接近实际现场， 使其更简单更形象地解释煤与瓦斯突出机理， 进而研究出有效的突出预测预报技术和瓦斯抽放技术。

③ 需要更深入地研究其物理本质，从而定量地描述突出现象。尤其要研究煤与瓦斯突出的准备机理、失稳与平衡机理、发展机理、传播机理和煤与瓦斯突出带的分布规律，确定煤体、岩体、瓦斯和应力场之间的时空能耦合关系及其动态演化规律，突出失稳激发条件和平衡终止条件，定量评价煤与瓦斯突出危险性。

[1]高光发.煤与瓦斯突出机理研究的现状及相关问题.工业安全与环保.2016(12)；

[2]耿爱平，李文.煤与瓦斯突出机理和预测预报研究进展.煤矿现代化.2008(1).