王云亮

山東省青島市山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院

煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀以及未來研究方向

王云亮

山東省青島市山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院

到目前為止，煤與瓦斯突出的機(jī)理還沒有明確，處于假說狀態(tài)。在這一背景下，本文系統(tǒng)總結(jié)分析了國內(nèi)外較被認(rèn)可的各大假說，揭示了煤與瓦斯突出的研究現(xiàn)狀。分析了現(xiàn)階段研究的不足，以及未來研究的發(fā)展方向。

煤與瓦斯突出;現(xiàn)狀;發(fā)展

煤與瓦斯突出是一種發(fā)生在煤礦生產(chǎn)中的極其復(fù)雜的地質(zhì)動力現(xiàn)象，它能在極短的時間內(nèi)由煤體向巷道或采場突出大量的煤炭并涌出大量瓦斯，它將產(chǎn)生巨大的沖擊力，對人員以及井下設(shè)備造成不可估量的傷害。目前世界上有20 多個國家發(fā)生過煤與瓦斯突出，其中， 我國的突出尤為嚴(yán)重，隨著煤礦開采深度的增加，礦井不斷延伸，突出發(fā)生的危險(xiǎn)性增大。然而到目前為止，關(guān)于煤與瓦斯突出發(fā)生的機(jī)理還沒有一個確切統(tǒng)一的解釋，仍然處于假說狀態(tài)。因此，深入研究煤與瓦斯突出的機(jī)理對于井下突出的防治以及預(yù)測有重要意義。

1.煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外關(guān)于煤與瓦斯突出機(jī)理的研究成果可以歸納為以下 4 個方面：

a.瓦斯主導(dǎo)作用假說。這類假說認(rèn)為煤體內(nèi)存儲的高壓瓦斯在突出中起主要作用。其中“瓦斯包”說占重要地位，認(rèn)為“瓦斯包”是突出的動力來源。瓦斯主導(dǎo)作用假說主要有：“瓦斯包”說、粉煤帶說、煤空隙結(jié)構(gòu)不均勻說、突出波說、裂縫堵塞說、閉合空隙瓦斯釋放說、瓦斯膨脹說、卸壓瓦斯說、火山瓦斯說、地質(zhì)破壞帶說、瓦斯解吸說等 11種假說。

b.地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說。這種假說認(rèn)為煤和瓦斯突出主要是高地應(yīng)力作用的結(jié)果。高地應(yīng)力包括 2 個方面，一方面指自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，另一方面指工作面前方存在的應(yīng)力集中。 地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說主要有：巖石變形潛能說、應(yīng)力集中說、塑性變形說、沖擊式移近說、拉應(yīng)力波說、應(yīng)力疊加說、放炮突出說、頂板位移不均勻說等 8 種假說。

c.化學(xué)本質(zhì)作用假說。這種假說認(rèn)為突出主要是在化學(xué)作用下形成高壓瓦斯和產(chǎn)生熱反應(yīng)。 化學(xué)本質(zhì)主導(dǎo)作用假說主要有：瓦斯水化物說、地球化學(xué)說、硝基化合物說等 3 種假說。

d.綜合作用假說。這種假說認(rèn)為，突出是由地應(yīng)力、包含在煤體中的瓦斯及煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果。但對各因素在突出中所起的作用沒有統(tǒng)一認(rèn)識。 綜合作用假說主要有：振動說、分層分離說、破壞區(qū)說、游離瓦斯壓力說、地應(yīng)力不均勻假說、能量假說等 6 種假說。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國從 20 世紀(jì) 60 年代起開始對突出煤層的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯賦存狀態(tài)、煤的物理力學(xué)性能等開展了研究，并根據(jù)現(xiàn)場資料和實(shí)驗(yàn)研究對煤和瓦斯突出機(jī)理進(jìn)行了探討。特別是近幾年隨著研究的深入及新手段的應(yīng)用，產(chǎn)生了許多新的認(rèn)識。概括起來主要有以下四種假說：

a.二相流體假說。1989 年李萍豐提出了二相流體假說。假說認(rèn)為，突出的本質(zhì)是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流體，二相流體受壓積蓄能量，卸壓膨脹放出能量，沖破阻礙區(qū)形成突出。假說強(qiáng)調(diào)突出的動力源是壓縮積蓄的能量，不是煤巖彈性能和瓦斯膨脹能。

b.流變假說。1990 年， 周世寧、何學(xué)秋提出了流變假說。流變假說認(rèn)為：含瓦斯煤體在外力的作用下，當(dāng)達(dá)到或超過其屈服載荷時，則明顯地表現(xiàn)為時間上的3 個階段：變形衰減階段、均勻變形階段和加速變形階段。認(rèn)為突出是瓦斯快速流變的結(jié)果， 且流變行為取決于其外部條件和自身的物理力學(xué)性質(zhì)，不存在突出煤和非突出煤差別。

c.固- 氣耦合失穩(wěn)假說。1994 年， 趙陽升等提出了固- 氣耦合失穩(wěn)假說。該理論認(rèn)為是煤巖、瓦斯變形系統(tǒng)從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)的失穩(wěn)過程。煤巖體失穩(wěn)破壞除了與應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)外， 還與其物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。局部應(yīng)變軟化介質(zhì)的脆性度大時容易失穩(wěn)， 否則不容易失穩(wěn);而圍巖剛度小時才容易失穩(wěn)， 大時不容易失穩(wěn)。煤與瓦斯突出是由于應(yīng)力和孔隙瓦斯壓力綜合作用的結(jié)果， 既不是哪一個因素起主導(dǎo)作用， 也不是應(yīng)力、瓦斯兩者簡單疊加綜合作用的結(jié)果， 而是在各個因素間的相互作用、相互影響下發(fā)生的動力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

d.球殼失穩(wěn)假說。球殼失穩(wěn)假說的觀點(diǎn)是由蔣承林提出的。球殼失穩(wěn)觀點(diǎn)認(rèn)為， 突出的過程實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力破壞煤體、煤體釋放瓦斯、瓦斯使煤體裂隙擴(kuò)張并使成的煤殼失穩(wěn)破壞， 煤體的破壞以球蓋狀煤殼的形成、擴(kuò)展及失穩(wěn)拋出為主要特點(diǎn)。這種觀點(diǎn)對于解釋突出孔洞的形狀及形成過程給予很好的解釋。

2.煤與瓦斯突出未來研究方向的展望

以上國內(nèi)外各假說都只是從某一個角度解釋了煤與瓦斯突出發(fā)生的機(jī)理，考慮的比較片面。雖然綜合作用假說認(rèn)為煤與瓦斯突出是多種因素決定的，但是在進(jìn)行研究時只是從某一個方面進(jìn)行深入研究，沒有將各大假說進(jìn)行融合，綜合考慮各個因素進(jìn)行研究。因此，現(xiàn)階段，我們應(yīng)該在各大假說的基礎(chǔ)上，取其長處，融合起來建立一個完整理論和模型， 以指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

① 現(xiàn)階段需要建立一個綜合各家假說的相關(guān)理論而成的動態(tài)理論體系， 不局限于某一地區(qū)某一種地質(zhì)條件，而是能夠使用于各種煤與瓦斯突出現(xiàn)象，使其能夠簡便、全面地解釋煤與瓦斯突出機(jī)理。為了建成這一體系，需要綜合考慮各個因素，全面深入分析煤與瓦斯突出發(fā)生的實(shí)例。

② 結(jié)合各地區(qū)條件， 簡化煤與瓦斯機(jī)理研究理論， 使其更接近實(shí)際現(xiàn)場， 使其更簡單更形象地解釋煤與瓦斯突出機(jī)理， 進(jìn)而研究出有效的突出預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)和瓦斯抽放技術(shù)。

③ 需要更深入地研究其物理本質(zhì)，從而定量地描述突出現(xiàn)象。尤其要研究煤與瓦斯突出的準(zhǔn)備機(jī)理、失穩(wěn)與平衡機(jī)理、發(fā)展機(jī)理、傳播機(jī)理和煤與瓦斯突出帶的分布規(guī)律，確定煤體、巖體、瓦斯和應(yīng)力場之間的時空能耦合關(guān)系及其動態(tài)演化規(guī)律，突出失穩(wěn)激發(fā)條件和平衡終止條件，定量評價煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

[1]高光發(fā).煤與瓦斯突出機(jī)理研究的現(xiàn)狀及相關(guān)問題.工業(yè)安全與環(huán)保.2016(12)；

[2]耿愛平，李文.煤與瓦斯突出機(jī)理和預(yù)測預(yù)報(bào)研究進(jìn)展.煤礦現(xiàn)代化.2008(1).