２０１０年１２月 矿业科学技术 第３８卷第４期 煤与瓦斯突出机理及无接触预测 孙树庭，刘春平 （淮南矿业集团朱集矿井建设项目部，安徽淮南２３２００１） 摘要：随着矿井开采水平的延伸，开采强度的提高，煤与瓦斯突出危险性也在不断增加；如何防治采矿工 程中日益严重的煤与瓦斯突出，对煤矿安全生产意义重大；煤与瓦斯突出是煤体所受应力集中与煤体物理 化学的函数关系所决定的，地应力是煤与瓦斯突出的根本动力，也是形成地质破坏和应力集中的根源；煤 与瓦斯突出的触发阶段所形成的环境温度降低和氡子气体超前于瓦斯涌出的变化，是采掘工作面无接触 预测预报煤与瓦斯突出的基础。 关键词：煤与瓦斯突出；地应力；预测 中图分类号：ＴＤ７ｌ３ 文献标识码：Ａ 两翼转折部位；断层面两侧和断层转折、收敛部位； ｌ 煤与瓦斯突出形成原因 煤与瓦斯突出是含瓦斯煤层在地应力作用下， 煤质变化及煤层变薄、变厚、煤层包裹体、插入体的 周围等。采掘形成的应力集中区也可形成煤与瓦 斯突出危险带，如采掘工作面附近、相向采掘、煤柱 等形成的应力集中部位。 １．２ 煤体的物理化学性质对瓦斯突出的影晌 煤体的物理化学性质决定煤层突出的发生发 受采动影响，发生的煤与瓦斯向采掘空间突然涌出 的动力现象。实质上是煤与瓦斯吸收的地质能在 短时间内集中释放的结果。 １．１ 地应力是煤与瓦斯突出的根本动力 展在煤层的突出危险带和煤层的非突出危险带，煤 层在应力作用下具有不同的变形特征和破坏特征， 这是由煤体的物理化学性质决定的。当矿山压力 在原始状态下，深埋地下的岩层所受的垂直地 应力（ＰＺ）为上覆岩层的自重力，可由上覆岩层的 平均容重（ｒ）与埋藏深度（日）的乘积求出，即 ＰＺ＝ｒ・日 大于煤体强度极限时，煤体可产生弹性变形、塑性 变形、裂隙等，这使一部分应力得以缓慢释放，并使 集中应力向煤体深处转移。在压力作用下煤层的 变形和破坏，存在着可逆与不可逆过程。对于不同 结构和组分的煤层，其过程是不同的。突出危险煤 水平侧应力（ＰＹ）的大小受侧应力系数（Ｋ） 和垂直地应力（ＰＺ）的影响，可由垂直地应力与侧 应力系数的乘积求出，即 ＰＹ＝Ｋ・ＰＺ 侧应力系数（ ）的大小，是由岩层侧膨胀系 层的特点是：煤层强度低，在矿山压力作用下，极易 形成粉煤和糜棱煤；光泽暗淡，层理紊乱，煤质松 软，透气性低，瓦斯放散初速度高；煤层结构软硬相 间，存在较厚的软煤分层；煤的变质程度越高，突出 危险陛越大，煤层的变质异常带，也是突出煤层煤 与瓦斯突出危险带。 数 所决定，即 舟 深埋地下的塑性岩层在上覆岩体高压下，部分 的显示流体性质，水平侧应力等于垂直应力，即 ＰＹ＝ＰＺ＝ｒ・Ｈ 煤与瓦斯的突出，绝大多数都发生在地质构造 破坏带，在地质构造破坏带，煤层强度低，构造煤揉 因此，煤层埋藏越深，地应力越大，地应力的增 大使煤的变质程度和瓦斯含量增加，煤的突出危险 性增加。 由于构造应力和采掘活动的影响，地下岩层所 受构造应力可达原地应力的几倍到几十倍。构造 皱煤发育，煤质分布不均匀等都使煤层的突出危险 性增大。 ２地质构造及采掘作业的影响 ２．１地质构造对煤与瓦斯的赋存影响 地质构造的形式和范围是地质时期地应力作 应力表现为水平方向应力远大于垂直方向应力。 煤与瓦斯突出绝大部分都来自工作面前偏水平方 向。构造应力集中区也就是煤与瓦斯突出危险带 部位，一般呈条带状分布。 用的结果，对煤层的影响是多方面的。在煤层存在 状态上引起煤层厚度、产状及小型断裂的发育；在 煤变质程度上引起煤的动力变质效应，增生瓦斯。 常见的构造应力集中区有：褶曲的轴部及褶曲 矿业科学技术 应力的变化及对煤体结构的破坏，也直接影响＿ｒ煤 第３８卷 层中瓦斯的赋存状态，即游离瓦斯与物理吸附瓦斯 大量存在于煤的裂隙和空隙之中，致使瓦斯压力增 加。同时，开放性的构造使瓦斯的逸散成为可能， 在煤层中形成低瓦斯区。 ２．２石门揭煤中煤与瓦斯突出危险性增加的原因 由于采掘空间的存在，工作面前方分别形成了 共同完成对煤体的破坏和运移（突出）。 由此可以看出，煤与瓦斯的突出主要是地应力 与煤层强度之间的函数关系所决定的。是煤体中 地应力和瓦斯能量转化过程中的个别事件，是在构 造作用或采动影响下，瓦斯煤溶液转化为煤自ｆ｝１瓦 斯系统的非均匀变化，所造成的地应力与瓦斯不均 衡释放的结果。 采动应力集中区和工作面附近的卸压区。局部的 应力集中和卸压导致周边部分瓦斯的快速解吸和 ４ 煤与瓦斯突出的无接触预测 （１）煤体辐射温度变化预ｉ贝４工作面前方煤与 释放，从而引起煤体膨胀应力的快速升高和下降， 导致煤体弹性应力快速增加。而煤层顶底板的存 在阻碍了矿山压力及煤体膨胀应力向采掘空间的 均匀释放，在煤层顶底板的非均质介面上形成应力 压缩区域：脆性岩层的层面上产生弹性应变，塑性 较大的煤层中，产生垂直于介面弹性恢复方向的裂 隙。裂隙的快速发展将进一步导致煤层瓦斯的解 吸，瓦斯压力增大，造成大量的能量积聚，并随采掘 空间的接近而迅速增加，当岩壁揭开后，积聚的矿 山压力和高压瓦斯得以突然释放，造成煤与瓦斯的 突出。 这种非均质的介面可以是煤层的顶底板，煤层 的断裂面，煤层的包裹体、充填物等，也可以因煤层 的产状、厚度及煤质变化而形成。 在采掘过程中，凡阻碍矿山压力和瓦斯向采掘 空间均匀释放的构造和采掘方法，都易形成矿山压 力和瓦斯能量的积聚而造成煤与瓦斯的突出。 ３ 瓦斯在突出中的作用 原始状态下的煤层是煤与瓦斯均质的稳定系 统，瓦斯分子均匀的分布在煤胶粒分子之中，这种 存在的方式与溶质溶解于液体十分相似。我们把 以这种方式存在的瓦斯称为吸收瓦斯或化学吸附 瓦斯。在构造作用和矿山压力的影响下，煤层的稳 定系统被破坏，瓦斯溶液变为非平衡态，表现在煤 的化学吸附瓦斯能力下降、物理吸附瓦斯能力增 加、自由瓦斯增加。实质上，地质构造和矿山压力 对煤层的破坏过程，就是瓦斯溶液解析生成物理吸 附瓦斯和自由瓦斯的过程，也是瓦斯压力不断升高 的过程。瓦斯压力的升高，进一步破坏了煤体的结 构，形成破碎煤体。在载荷的作用下，破碎煤体容 易被压成块状，致使煤层透气性下降，工作面瓦斯 的涌出也因此忽大忽小。瓦斯超饱和状态下的煤 体能够积聚大量弹性能，在强大的地应力作用下， 突破煤壁，发生煤与瓦斯突出。同时，Ｆ｝１于瓦斯压 力大部分情况下都小于地应力，瓦斯压力对骨架应 力的影响是很小的，只有在煤层遭到严重破坏并有 发生释放空间时，瓦斯压力才能与矿山压力一起， 瓦斯突出危险性 根据工作面煤体辐射温度变化预测工作面前 方煤与瓦斯突出危险性在煤与瓦斯突出的整个过 程中，没有新物质生成，为物理变化。煤体的破坏 和运移是煤与瓦斯机械能做功的结束，可把变化范 围内的煤体近似的看作压力环境下的稳定系统。 根据热力学第一定律即：ＡＱ：ＡＥ＋ＡＷ，当系统的 热增量△ｐ＞０时，即系统的内能改变量ＡＥ与系 统所做的功△ 之和大于０时，表明系统吸热。由 于瓦斯解吸，煤体膨胀，环境内总体积增加，分子间 距增大，内能增加，此时△Ｅ＞０又由于煤体变形， 产生裂隙和动力效应等，系统对外所做的功△ ＞ ０，因此△ｐ＞０，说明整个系统是吸热的。根据红 外线辐射强度测量工作面煤体温度的变化，与正常 区段的基础温度相比较，既可预测工作面前方煤层 结构的破坏程度，从而预测煤与瓦斯的突出危险程 度。对工作面煤体辐射温度的测量，据国外有关资 料介绍，在地质破坏带中，煤体辐射温度较正常区 带降低３～５ ｃＩ＝。工作面突出发生前，煤体辐射温 度下降明显，出现煤壁发凉、挂汗、空气变冷等现象 时，可视为说明煤与瓦斯突出的前兆，红外线测温 仪是无接触测量物体温度的常用仪器，与综合监测 监控一起使用，可不问断的测量前方煤体温度的变 化，从而预测工作面前方煤与瓦斯突出的危险程 度。 （２）根据放射性元素氡的变化预测工作面煤 与瓦斯突出危险性 半衰期为３．８ｄ的氡元素（Ｒ２２２）是自然界中 唯一的放射性气体元素，是放射性元素镭和钚衰变 过程中的中间产物。虽然它在地层中的含量很微 少，存在的时间也很短暂，但含量稳定，不易被吸 附。在煤层被破坏的突出危险带，由于氡子气扩散 速度要比瓦斯高出许多，氡子气放射强度会先于瓦 斯变化而大幅升高。据国外有关资料介绍，在无突 出危险煤层的工作面中，氡放射强度一般在３０～ ４０ｑ／ｍ 以下；在有突出危险的煤层中，氡放射强 度高达２ ５００ｑ／ｍ ；在煤与瓦斯突出发生前，氡放 射强度义会急剧下降。氡子气的超强扩散能力和 易于被检测的特点，将成为采掘工作面预测煤与瓦 斯突出最有发展前景的预测方法。