瓦斯突出机理的应力演化过程研究

摘 要：为了有效防止瓦斯突出对采矿业带来的灾难性危害，应全面加大科研力度，本文就瓦斯突出机理的应力演化过程，对近年一些学术成果进行研究，总结经验，提出相应建议，希望能够为避免瓦斯突出，发现可预见性措施，最大程度的减少由于瓦斯突出事故对采矿人员和财产造成的伤害。

关键词：掘进巷道;瓦斯突出;机理;应力演化;研究

0 引言

自从1834年3月22日发生世界第一起瓦斯突出事故以来，186年时间世界19个主要产煤国已发生瓦斯突出超过4万次，瓦斯突出会引发剧烈的瓦斯燃烧和爆炸、破坏生产系统，造成人员伤亡，近年来，随着我国矿山开采深度的不断增加，瓦斯突出事故发生风险不断加大。仅在2006年-2018年之间，我国瓦斯突出事故233起，死亡1665人，瓦斯突出事故在矿难危害榜上排名第一，为此，对瓦斯突出机理演化过程进行深入研究，及时预测和避免瓦斯突出事故发生，具有极其重要的意义。

1 瓦斯突出机理

煤在形成的过程中，或多或少的会产生一定量的伴生气体，就是瓦斯，瓦斯在封闭的矿层空间内好比是一个有一定压力的大气球，在进行巷道掘进或开采过程中，扰动这个气球，导致气球突然破裂，大量的瓦斯连同煤、岩石一起喷入巷道或工作面，就是瓦斯突出。突出会导致人员伤亡的原因主要是强大的冲击力，大量的瓦斯涌入导致氧气含量急剧降低，开采人员窒息死亡，是非常可怕的灾难，瓦斯突出事故是矿山开采的头号天敌。瓦斯突出机理简单来说就是在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的岩石与瓦斯一起从岩体或煤体内向外喷发。主要就是由于地应力和瓦斯压力共同作用下，突出的动力（地应力与瓦斯的共同作用的力）大于突出阻力（安全距离与破坏类型的反映），大量的煤岩与瓦斯突然涌向采掘空间的动力现象。主要影响因素是：瓦斯压力、瓦斯含量、破坏类型，开采深度，煤层赋存条件，断层等地质构造等。

2 瓦斯突出机理的应力演化过程

由于岩石的非均质性和探测难度大等特性，严重制约着瓦斯突出机理的研究进展。对于瓦斯突出原因的追根溯源，国内外学者付出极大的研究精力，仍不能完全解释突出现象，以应力演化为主要层面的研究内容，是其中比较具有权威性的影响学说。近年，主要演化假说有以下几种：

①造成瓦斯突出的应力从某一中心扩张是原因之一，从距离工作面某一距离处的发动中心开始，而后向四周扩散，由发动中心周围的煤--岩石--瓦斯体系提供能量并参与活动。在发生突出的地点，地应力场、瓦斯压力场、煤结构和煤质是不均匀的。瓦斯突出发动中心就处在应力集中点，且该点向各个方向的发展是不均匀的。矿体破坏分为层裂和层裂片的粉碎2个阶段，并将最大有效拉应力准则作为破裂准则。破裂是不连续的，破裂阵面跳跃式发展，层裂片的形态在运动中不稳定并可进一步的粉碎;

②某种程度来讲，高瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者，突出层中瓦斯内能量要比矿体的弹性潜能大1～3个量级。煤层中存在的高压瓦斯含量地带，吸附瓦斯引起了煤体膨胀，增加了地层应力，且这样的煤层透气性系数接近零。当巷道掘进接近这一区域时，其应力急剧降低，造成瓦斯破坏性突出。掘进工作面瓦斯突出是工作面煤壁盘形拉伸破坏的连锁反应过程，突出过程就是煤体所积存的弹性应变能和瓦斯内能突然释放的过程;

③含瓦斯煤受采动影响后地应力与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出准备阶段，含瓦斯煤体在采动影响区域内就开始蠕变破坏，使煤体进一步被切割，形成发育的裂隙网。在某区域加速破坏发生时，如果该区域瓦斯能量足够冲跨已遭破坏的煤体，则突出发生和发展。突出过程中的瓦斯气体部分由前一蠕变区域通过发育的裂隙网补给。流变假说除考虑瓦斯、地应力和煤的物理力学性质外，还应考虑时间发展因素;

④应力分布不均匀是导致瓦斯突出的主因，在突出层的围岩中具有较高的不均匀分布的应力，其主要的原因是地质构造运动，个别情况是由于采掘过程引起的（如留煤柱、冒顶等）。由于煤体深部应力分布不均匀，就会产生围岩的不均匀移动，围岩位移减缓或停滞，从而建立了不稳定平衡状态。在突出前，由于对工作面的机械作用，破坏了围岩的不稳定平衡，引起围岩的移近和伸直，使含瓦斯的煤暴露和破碎。在煤体破坏时，在暴露面附近形成瓦斯压力梯度，引起很薄的分层分离并破坏，饱含瓦斯的分层又重新暴露，破坏过程反复进行，并以突出波的形式向深部传播，释放出的大量瓦斯把碎煤抛出。瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质和卸压区宽度4部分作用的结果。由于采掘工作面前方卸压区的存在，在远离采掘工作面处的煤体，即使处于高地应力、高瓦斯和煤破碎的突出危险区，也不会发生突出现象，因为足够的卸压区宽度抑制了高能量体的失控。因此，如果适当加大卸压区的宽度，可有效预防瓦斯突出的发生。

目前，研究倾向于利用物理模拟不同瓦斯压力，应力以及不同条件下的瓦斯突出实验，以此获取研究煤体、地应力、和瓦斯压力对突出的影响规律，确定突出的发生条件，分析突出过程中，煤体裂隙及监测信息的变化规律。通过构建煤表面与瓦斯的吸附模型，研究瓦斯突出微观机理。指出瓦斯的吸附为物理吸附，煤与瓦斯吸附形成的伴生分子体系以量子化形式吸收宽频电磁波。采掘等活动导致分子体系由基态變为激发态，使得瓦斯由吸附态脱附变为游离态，形成大量的游离态瓦斯，在弱面发生瓦斯突出。揭示瓦斯突出演化过程，为实现瓦斯突出的综合实时、自动、定位和定量化监测预警奠定基础，以期有朝一日能彻底消除瓦斯突出给采矿业带来的灾害。

3 重视瓦斯突出的预兆信息

在极大的应力作用下，发生瓦斯突出会释放出异常信息，这些预兆能够及时被发现，第一，有声预兆，响炮声，有的像闷雷，爆竹，锈蚀门轴声、压裂声;第二，无声预兆，巷道支架变形，垮落、冒顶片帮、变软层理消失、瓦斯涌出增大，瓦斯忽大忽小;瓦斯抽放施工一旦发生顶钻，钻杆钻不进的现象、很有可能是瓦斯突出事故前兆，卡钻、喷孔、煤粉喷出、出现滑面或镜面揉搓发育，这些预兆可能是一种或几种同时出现，千万不能掉以轻心，工作面出现软分层并且明显变厚，例如由之前厚度0.1m，增加到1.3m，也是明显预兆之一。此外，据井下多年工作的老工人说，煤壁温度出现剧烈变化，突然发凉，钻孔喷出凉气，也是预兆，准确识别灾害预兆，才能保证人身安全。做到清晰的甄别瓦斯突出预兆，及时采取措施，采矿全体人员应积极接受防治瓦斯突出事故的教育和培训，知悉响炮、瓦斯异常（涌出增大、忽大忽小）等突出事故预兆的特征，出现预兆后，要做到“一知、二拒、三撤、四报告、五处置”准确识别预兆，拒绝违章指挥和冒险作业行为，坚决抵制出现事故信息预兆，仍然继续组织生产的违章指挥和强制冒险作业行为，切实保护自身合法权益和生命安全。及时采取应急应对措施，要熟悉瓦斯突出事故应急预案，现场处置方案，避灾路线，掌握避灾硐室和自救器使用方法。当发现预兆并紧急撤离后，如实及时报告瓦斯突出事故异常信息给调度室和有关安全管理人员。及时处置瓦斯突出事故异常信息预兆，立即组织人员采取针对性的处置措施，消除突出危险或确认无突出危险后，有关区域地点方可恢复生产。

4 结语

每个矿山企业都应坚定树立安全发展理念，弘扬生命至上、安全第一的思想，强化红线意识，树立底线思维，深刻吸取历史上发现瓦斯突出事故异常信息预兆未采取应对措施，导致人员伤亡的惨痛教训，切实落实防治瓦斯突出各项规定，确保瓦斯突出防治措施到位有效，确保不掘突出头，不采突出面，并且举一反三，教育培训广大一线职工提高对瓦斯突出异常信息预兆的识别和应急应对能力，杜绝违章作业，坚决防范瓦斯突出事故引发的人身伤亡，为实现矿山安全生产形势持续稳定向好做出更大的贡献。

参考文献：

[1]蔡峰.煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出机理的研究[D].安徽：安徽理工大学，2005.

[2]李希建，林柏泉.煤与瓦斯突出机理研究现状及分析[J].煤田地质与勘探，2010，38（1）.

作者简介：

孟维波（1981- ），男，河北唐山人，研究生，2015年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，矿建工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作。