煤与瓦斯突出机理简述
【摘要】煤与瓦斯突出是当前世界上至今仍未充分认识和较好解决的难题，严重地影响煤矿的生产与安全。
煤与瓦斯突出机理是煤与瓦斯研究的重要方法，掌握煤与瓦斯突出机理发生的过程特征以及突出发生的影响因素，对于煤矿煤与瓦斯的治理具有重要作用。
【关键词】煤与瓦斯；现象；空隙；煤体；突出
1.煤与瓦斯概述
煤与瓦斯突出是当前世界上至今仍未能充分认识和很好解决的难题，严重地影响煤矿的生产与安全。
自1843年3月22法国鲁阿雷煤田伊萨克煤矿，在急倾斜厚煤层平巷掘进是发生世界上第一次煤与瓦斯突出以来，据不完全统计到目前为止世界共有20多个国家发生过煤与瓦斯突出。
煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，是另一种类型的瓦斯特殊涌出的现象，它具有极大的破坏性。
每次突出前都有预兆出现，但出现预兆的时间和种类是不同的，熟悉和掌握预兆，对于及时撤出人员、减少伤亡具有重要的意义。
煤与瓦斯突出给煤矿的生产安全，特别是井下人员的生命财产安全造成了极其严重的威胁。
为了防止这类灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生产，世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出机理，以便为突出危险性预测和防突措施的制定与实施提供科学依据。
但是，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在定性与假说性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其它因素间的作用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。
2.煤与瓦斯突出假说
目前认为的突出机理概括起来主要有两方面，一个是单一因素作用假说，一个是综合作用假说。
单因素假说又分好几多种，包括瓦斯主导作用假说，地压主导作用假说，化学本质作用假说。
其中以瓦斯为主导作用的假说：瓦斯包说，煤孔隙结构不均匀说，粉煤带说，突出波说，裂缝堵塞说，地质破坏带说，闭合空隙说，瓦斯膨胀说，瓦斯解吸说等等假说。
以地压为主要作用的假说包括：岩石变形潜能说，应力叠加说，顶板位移不均匀说，集中应力说，塑形变形说，振动波动说，放炮突出说等等假说。
化学本质作用假说包括：瓦斯水化物说，地球化学说，硝基化合物说。
这些假说都是从单一方面看突出，都有一定的局限性和片面性。
目前我过大多数研究者认为，煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。
持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果，但对各种因素在突出中所起的作用却各说纷纭。
3.突出发生过程特征
煤与瓦斯突出开始后的发展过程机理，可看作是从煤层暴露面开始，发生煤的自生的分层断裂，或者地压跳跃式重新分布时煤层松弛和破碎，继而被抛出。
在煤和瓦斯的混合流中，由于瓦斯膨胀能的作用，煤又被继续粉碎，如此往复，从而突出形成。
突出过程可分为四个阶段。
阶段1此阶段为准备阶段，在该阶段内，工作面附近煤壁弹性变形势能和瓦斯内能极速积累，有了较高的地应力和瓦斯压力梯度，在一定的约束条件下，瓦斯压力梯度急剧增大，邻面区内含瓦斯煤体过渡到极限应力状态，空隙和裂隙增多，从而使瓦斯压力增大，但还没破坏煤与岩体间的力学联系，形成极限应力状态区。
在这个阶段会有各种有声或是无声的突出征兆，发生的时间变动很大，有的需要很长时间的酝酿，有的几秒即可完成。
阶段2为激发阶段，在邻近应力集中区，由于生产过程可能使含煤瓦斯煤层迅速破坏，地应力状态突然改变，不能维持原有平衡，从而形成裂隙，煤体破碎，空隙度增大，极限应力状态的部分煤体破坏，卸载并发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，煤体急剧的破坏，引起临近区域的状态破坏，从而开始形成膨胀瓦斯流，大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。
例如，平顶山十二矿的资料表明，应力状态变化越剧烈，越容易引起突出，而震动放炮、一般爆破是最容易引发应力状态剧烈变化的工序，在十二矿所发生的突出中，放炮引起突出的占65.2%。
阶段3此阶段为发展阶段，因为形成了告诉膨胀的瓦斯流，所以从激发点开始持续剥离并且粉碎被抛出的煤体，在地压和瓦斯压力作用下，煤体雪崩式地急剧破坏，并不断被粉碎，形成煤粒连续分离波。
这个阶段是在两种环境中发展和进行，即煤体中和巷道的大气中。
煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流对瓦斯风暴的形成与发展起决定作用，其中煤的剥离与破碎不仅具有脉冲的特征，而且有时是多轮回的过程。
阶段4为终止过程，煤体破坏过程终止，突出孔和煤内的瓦斯涌出逐渐衰减。
分两种情况，一是可能在在剥离和破碎煤体的扩展过程中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力不足，降低到不能破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高，地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离和破碎煤体。
可是，虽然这时突出停止了，而突出孔周围的卸压区与煤与瓦斯的突出过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长时间。
4.突出发生的影响因素
总的说来，在煤与瓦斯突出发展过程中，地应力、瓦斯压力和煤强度都有参与，但它们在各个阶段所起的作用可以是不同的。
一般来说，在突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力(包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等)。
因为
瓦斯压力的大小通常比地应力的小几倍；而在突出的发展阶段，地应力与瓦斯压力的联合作用剥离煤体，而瓦斯内能运送与粉碎煤炭。
根据对若干典型突出实例的统计数据分析，突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高3~6倍以上。
根据对平顶山矿区130余次突出预测实例进行统计分析，可以得出各种不同影响因素对突出强度和突出次数影响大小程度排序情况，我们对各种因素作用下的突出强度进行了定性分析，可以得出当开采深度为≥700m、作业方式为爆破、地质构造为软分层变厚、突出预兆为喷顶夹钻、巷道类型为石门、煤层厚度为3～4m时所发生的突出强度最大定为Ⅰ级。
当作业时遇到其中的几种因素的组合时要采取完善的防突措施，并严格落实，确保安全生产。
同时我们对各种因素作用下的突出次数进行了定性分析，得出当开采深度为500～600m、作业方式为爆破、地质构造为断层、突出预兆为响煤炮、巷道类型为平巷、煤层厚度为4～5m时所发生的突出次数为最多定为Ⅰ级。
这几种因素组合一起时所发生的突出强度并不是最大，但发生突出的次数比较多。
所以，当作业时遇到其中的几种因素的组合时要采取好的防突措施，并严格落实，确保安全生产。
5.总结语
应该指出的是，煤与瓦斯突出是一种非常复杂的地质动力现象，至今对其突出机理及突出过程的认识还少，对突出的影响因素认识也仅处于直观定性认识阶段，或者虽有定量的指标却只能供定性应用，无法了解各种影响因素之间的相互联系及其在突出过程中的作用大小和影响程度。
即便在某些情况下得出包括某些影响因素的评价煤与瓦斯突出危险性的定量的综合判据，因各突出矿井之间的条件千差万别而无法推广应用，因而在防止煤与瓦斯突出时应根据自身煤矿特征，以及实际情况，根据煤与瓦斯突出的特征以及影响因素，对症下药，争取最大限度的防治。
【参考文献】
［１］张铁岗．矿井瓦斯综合治理师范工程，北京：煤炭工业出版社，2004．
［２］林柏泉，崔恒信．矿井瓦斯防治理论与技术，徐州：中国矿业大学出版社，1998．
［３］周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论，北京：煤炭工业出版社，1996．。