煤与瓦斯突出机理、监测及防治技术.docx

煤与瓦斯突出机理、预测及防治技术
摘要：煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂的动力现象，是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，随着世界各国科研工作者们对煤与瓦斯突出的深入研究，已经取得了重大进展。本文从煤与瓦斯突出机理、预测和防治技术进行综述。
关键词：煤与瓦斯突出机理；预测；防治。
1.煤与瓦斯突出机理
国内外针对煤与瓦斯突出现象提出了四种假说：瓦斯作用说，化学本质说，地应力作用说和综合假说。
1.1瓦斯作用假说
“瓦斯包”假说：该假说认为突出造成的原因是高压的游离瓦斯，这些高压的游离瓦斯储存在“瓦斯包”中，“瓦斯包”周围的煤体的透气性差，这就为高压的游离瓦斯的储存创造了条件，在井下采掘的过程中，当“瓦斯包”周围的煤体遭到破坏或者周围的煤体厚度发生改变时，“瓦斯包”周围的煤壁强度不足以维持“瓦斯包”时，“瓦斯包”中的高压游离瓦斯得到释放，就会短时间内迅速携带煤粉喷出。
“瓦斯膨胀”假说：“瓦斯膨胀假说”认为突出发生在结构不均的高压瓦斯煤层，煤层外部为硬煤，透气性差，内部为软煤透气性好，在采掘的过程中，当外部透气性差的硬煤遭到破坏时，内部的软煤强度较低，高压瓦斯就会通过透气性差的软煤喷出，喷出的同时携带出大量煤粉。
1.2化学本质说
瓦斯屏障假说：瓦斯屏障假说认为在煤层受到压力条件时，煤层的结构将会发生改变，空隙率会变小，从而降低了煤层的透气性，在压力增大的过程中，煤层的透气性迅速降低。甚至随着压力的增大，煤层透气性可减小至零。这样瓦斯就不能从煤体流向巷道，类似于一个屏障在两者之间起到了隔绝作用，称之为“瓦斯屏障”。当“瓦斯屏障”消失时，煤层内部的高压瓦斯就会猛烈的像外涌出，造成瓦斯突出。
瓦斯水化物假说：这种假说认为在一定的气压，温度条件下，煤层内可生成瓦斯水化物，且生成瓦斯水化物的温度，气压跟煤层瓦斯重重炭氢气体联系密切，重炭氢气体含量高时，生成瓦斯水化物所需的温度压力都会降低很多。由于瓦斯水化物状态不稳定，很容易受到外部的因素而发生变化，当瓦斯水化物的平衡发生改变时，瓦斯水化物将会迅速的转变为气态的瓦斯，在短时间内煤层瓦斯压力将会迅速增大，当煤层强度不足以抵抗高压瓦斯时，煤层将会发生突出。
1.3 地应力为主导的假说
这类假说把突出发生的原因归结为局部地应力的增大。在这类假说中,构造应力论占有重要的地位。构造应力说又可分为残余构造应力说和现代构造应力说两种。地层中产生的地质构造须有巨大的力量,即构造应力。残余构造应力说认为,尽管在久远的年代以前,地质构造已经形成,但在地质构造带附近煤层的围岩中,仍残存着部分构造应力,即残余构造应力,其值远大于自重应力值。当采掘工作面接近这些含有残余构造应力的岩层时,会像弹簧一样张开,释放其中贮存的大量弹性潜能,引起突出。但在漫长的地质年代中,残余构造应力是否能保存下来,引起了较大的争议,所以又有人提出了现代构造应力说,即认为现代构造应力大的区域即为突出危险区域。另一种学说认为采掘工作面前方存在着应力集中,当厚层顶板悬顶过长或突然冒落时,可能产生附加的集中应力。在集中应力作用下,煤发生破坏和破碎时,会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。
1.4综合作用假说
该假说认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果。综合假说较全面的考虑了突出动力(地应力、瓦斯)和阻力(煤强度)两方面的主要因素,因而得到了国内外学者的普遍认可。若某区域地应力越大,瓦斯含量(压力)越高,则该区域突出危险性越大。对采掘工作面突出而言,突出不仅与地应力、瓦斯和煤物理力学性质各参数的原始值有关,在很大程度上还取决于近工作面各参数的变化,即工作面附近煤岩应力,瓦斯压力的分布状况和煤强度性质的变化。工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大,煤强度越不均质,则工作面突出危险性也就越大。
2.煤与瓦斯突出的预测
根据突出的特征和种类又有针对性的突出预测方法。总的来说分为两大类：区域预测、局部预测。
区域预测主要方法 ：（1）七因素综合预测法，该法是把与突出有关的七种因素以等量线的方式绘制在煤层采掘工程图上，并把实际突出点也填在该图上，制成突出预测图。各因素的突出界限指标值以及诸因素的综合指标可根据各矿井实际突出规律经考察确定。这七因素是：等深线及始突深度；地质构造线；煤层瓦斯压力与含量等值线图；煤层厚度与软分层厚度的等值线图；坚硬厚层直接顶（底）板的等厚线；底板等高线；邻近煤层煤柱对该煤层的影响范围线。
（2）瓦斯地质单元法：该法是以综合假说为理论基础，以地质分析为依据，以实验模拟为参照，运用可信的瓦斯地质指标综合预测煤与瓦斯突出的重要理论和实践。
2）局部预测主要方法 ①石门揭煤突出预测；②煤巷掘进工作面突出预测；③回采工作面突出预测。
3.煤与瓦斯突出防治技术
基本措施
基本措施是施工钻孔抽排瓦斯，是进一步降低瓦斯含量、彻底消除煤层突出危险必须采取的措施，是决定性的，是必须实施的。
( 1) 超前钻孔
超前钻孔是在工作面前方一定范围煤体内打一定数量的钻孔，抽排煤体瓦斯，彻底消除煤层突出危险性的一种方法。
( 2) 边掘边抽
边掘边抽是在工作面掘进过程中，通过工作面和巷帮钻场向前方一定范围煤体施工钻孔，抽采煤体瓦斯; 同时在工作面掘进过程中，巷帮钻孔仍可以抽排、拦截巷道两侧煤体的瓦斯，减少掘进时的瓦斯涌出。
增强措施：增强措施是在保障有钻孔抽排瓦斯的前提下，采用一定的技术工艺手段，提高抽排瓦斯的效果，主要有松动爆破、水力挤出、水力割缝等。
保障措施是在执行过基本措施并经过效果检验有效后，采取的改善煤体力学性能、进一步保障后续采掘工作的安全措施。
(1) 前探支架
前探支架是在掘进工作面前方顶部事先打上一排超前支撑悬露煤体的支架，以防止工作面顶部松软的悬煤垮落引起的煤与瓦斯突出。前探支架主要用于松软煤层的平巷掘进。
( 2) 煤层注水
煤层注水是在工作面基本措施执行之后，通过钻孔向工作面前方煤体注水，以改变煤体的力学性质，促使集中应力带向深处移动，减少回采过程中的瓦斯涌出，从而达到进一步保障采掘过程安全的目的。