煤與瓦斯突出機理及主要影響因素研究現(xiàn)狀*

楊秀貴,潘昌樹,陳云

(1.重慶市高新工程勘察設(shè)計院有限公司,重慶 401120;2.重慶國際復(fù)合材料股份有限公司,重慶 400082)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種極為復(fù)雜的動力現(xiàn)象,是礦井災(zāi)害的典型類型之一,嚴重制約著井下煤炭的安全生產(chǎn)。自1834年在法國發(fā)生了世界上第一次煤與瓦斯突出事故以來,許多國家也相繼發(fā)生了突出事故,目前累計約有20個國家發(fā)生過煤與瓦斯突出事故,而中國記載的第一次突出事故發(fā)生于1950年,且中國是發(fā)生煤與瓦斯突出事故最為嚴重的國家,占世界突出事故的40%以上[1-2]。

自1834年以來,世界各國投入了大量的人力、物力及財力,對煤與瓦斯突出進行研究,也取得了非?？上驳某删?我國也不例外。據(jù)統(tǒng)計,2001 至2020年這20年間,煤與瓦斯突出次數(shù)雖呈下降趨勢,但死亡人數(shù)在礦難死亡人數(shù)中卻呈波動性增長,說明煤與瓦斯突出事故在礦井災(zāi)害中仍占較高水平[3]。而隨著煤層開采深度的增加,突出的復(fù)雜性及防治措施的局限性更為明顯。要想防治突出事故,需要從根本的突出機理及突出影響因素入手,以往的綜述論文,大多集中在突出機理分析或單因素對突出過程的影響,對突出影響因素的綜合分析較少,近幾年則尤其側(cè)重于煤與瓦斯突出防治理論技術(shù)的綜合分析?；诖?筆者收集并分析了大量文獻,對煤與瓦斯突出機理及主要影響因素進行了研究。

1 煤與瓦斯突出機理

近一個世紀以來,國內(nèi)外諸多專家學(xué)者針對煤與瓦斯突出機理進行了深入研究,并根據(jù)各自的研究成果提出了諸多假說[4],總體可歸納為瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說、化學(xué)本質(zhì)作用假說及綜合作用假說[5-7]。認可度較高的為瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說及綜合作用假說[8]。而從力學(xué)角度分析,可認為煤與瓦斯突出是一個力學(xué)作用過程,先后需要經(jīng)歷準備、啟動、發(fā)展和終止等4個階段,如圖1所示[9]。

圖1 煤與瓦斯突出的力學(xué)作用過程描述

1.1 瓦斯主導(dǎo)作用假說

俞啟香[10]認為煤層中存在瓦斯含量及壓力比相鄰區(qū)域高很多的煤窩,即“瓦斯包”。煤層質(zhì)地相對較軟、裂隙相對發(fā)育,被透氣性較差的圍巖包圍,具有很好的瓦斯儲存能力,當“瓦斯包”被采掘工作揭穿時,高壓瓦斯便將松軟煤體破碎并拋出,從而產(chǎn)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。

ODINTSEV[11]也認為瓦斯快速從煤體中解吸出來,使瓦斯含量逐漸增大并往外膨脹,在有限空間內(nèi)致使瓦斯壓力增大,最后導(dǎo)致煤體破壞產(chǎn)生突出。而部分學(xué)者[12-13]還發(fā)現(xiàn),突出過程中瓦斯內(nèi)能做功比煤體彈性潛能做功大3～4個能量級。而且通過敏感性分析[14],發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出量、突出強度以及突出過程中釋放的能量對瓦斯含量敏感性最高。

通過分析以上學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn),“瓦斯包”是煤與瓦斯突出的動力源;瓦斯內(nèi)能是突出的主要能量來源,且在突出過程中瓦斯含量起主導(dǎo)作用;因此,專家學(xué)者認為煤與瓦斯突出是煤體內(nèi)高壓瓦斯起主導(dǎo)作用而產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。

1.2 地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說

韓軍等[15]通過測量淮南、平頂山、阜新等地區(qū)多個煤與瓦斯突出礦井的地應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)突出區(qū)地應(yīng)力遠高于非突出區(qū),且最大主應(yīng)力約為最小主應(yīng)力的2倍,認為地應(yīng)力是突出產(chǎn)生的核心主導(dǎo)因素。

LITWINISZYN[16]及PATERSON[17]認為在振動作用下瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài),形成較大的應(yīng)力變化,而高梯度的壓力使煤體發(fā)生破壞,繼而產(chǎn)生煤與瓦斯突出。而且在不同應(yīng)力狀態(tài)下,煤與瓦斯突出的破壞模式具有較大差異[18]。利用RFPA2D 軟件分析斷層附近煤與瓦斯突出過程[19],可以發(fā)現(xiàn)采掘擾動改變了煤巖體的應(yīng)力、應(yīng)變情況,使煤巖體產(chǎn)生裂隙為瓦斯運移提供通道,繼而在斷層上下盤產(chǎn)生瓦斯壓力差,當此壓力差達到斷層面的極限強度后,便會產(chǎn)生突出事故。

通過分析以上學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn),地應(yīng)力對瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體強度及瓦斯運移有較大影響,高應(yīng)力狀態(tài)增加了瓦斯含量及壓力,降低了煤體強度,使瓦斯突出阻力減小,繼而產(chǎn)生煤與瓦斯突出。因此,認為煤與瓦斯突出是地應(yīng)力(包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及擾動應(yīng)力)起主導(dǎo)作用而產(chǎn)生的結(jié)果。

1.3 綜合作用假說

尹永明等[20]通過現(xiàn)場調(diào)查及理論分析,利用層次分析法結(jié)合模糊綜合評價法,分析了沖擊型煤與瓦斯突出的突出機理,發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出是瓦斯、應(yīng)力及煤體物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果,是煤巖體彈性勢能及瓦斯內(nèi)能綜合作用轉(zhuǎn)化為煤巖體動能的結(jié)果[21]。蔡成功[22]利用自行研制的試驗裝置,研究了瓦斯壓力、煤體強度及三向應(yīng)力對突出強度的影響,并根據(jù)試驗結(jié)果對數(shù)據(jù)進行擬合,建立了突出強度與瓦斯壓力、煤體強度及三向應(yīng)力的組合模型;而部分學(xué)者認為煤與瓦斯突出過程是一個近似恒溫的過程[23-24]。研究突出過程中煤體的能量耗散過程,可發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力引起的煤體彈性潛能使煤體破碎,僅為突出創(chuàng)造條件,而決定煤與瓦斯是否突出的關(guān)鍵因素是瓦斯膨脹能[25-26]。從巖石破裂過程分析,也可發(fā)現(xiàn)突出事故是地應(yīng)力、煤體力學(xué)性質(zhì)及瓦斯壓力綜合作用的結(jié)果,且不管是延期突出還是瞬時突出,均先后經(jīng)歷4個階段,即應(yīng)力集中階段、開采擾動誘發(fā)煤巖破裂階段、瓦斯壓力驅(qū)動裂隙擴展階段及突出階段[27]。

通過數(shù)值分析研究斷層活化誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的作用機理,發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出是開采擾動、瓦斯壓力及地應(yīng)力共同作用的結(jié)果,且擾動應(yīng)力是誘發(fā)斷層活化、使煤巖體破裂,為瓦斯運移創(chuàng)造運輸通道、產(chǎn)生煤與瓦斯突出的主要原因[28]。同時還發(fā)現(xiàn)在有氣源補充條件下,突出過程中瓦斯壓力變化呈U 形狀,且煤體初始瓦斯壓力、地應(yīng)力及滲透率越大,瓦斯壓力在突出過程中變化越快[29]。用顆粒法從微觀角度研究煤與瓦斯突出的細觀機理[30],發(fā)現(xiàn)突出過程中煤巖體形成的裂紋分為拉裂紋及剪切裂紋,其中拉裂紋擴展到煤巖體深部,而剪切裂紋僅集中在突出前端部位。在突出過程中,裂紋數(shù)量在短時間內(nèi)急劇上升,而后逐漸趨于平緩,且由于煤巖體抗拉強度遠小于抗剪強度,致使突出中產(chǎn)生的裂紋以拉裂紋為主,如圖2所示[30]。在高瓦斯壓力條件下,拉裂紋與剪切裂紋的延伸深度基本一致,但瓦斯壓力較小時,拉裂紋延伸深度較深,剪切裂紋則主要集中在突出前端;同時不管瓦斯壓力多大,突出完成后的裂紋總數(shù)變化不大,但達到最大裂紋數(shù)所需時間差異較大。當瓦斯壓力較大時,裂紋數(shù)達到最大值所需時間較短,如圖3所示[30]。

圖2 微裂紋數(shù)目隨時間變化曲線

圖3 不同瓦斯壓力下總裂紋數(shù)目隨時間變化曲線

研究發(fā)現(xiàn),突出所需最小瓦斯壓力與地應(yīng)力呈反向線性關(guān)系,即地應(yīng)力越大,誘導(dǎo)突出所需最小瓦斯壓力越小。高應(yīng)力條件下,突出前期煤體受剪切應(yīng)力及拉應(yīng)力的混合作用;低應(yīng)力條件下,突出前期煤體則主要受拉應(yīng)力作用。在突出過程中,地應(yīng)力作用使煤體以楔形破壞發(fā)展,瓦斯壓力作用使煤體以弧形破壞發(fā)展,突出洞口的大小與形狀則由瓦斯壓力與地應(yīng)力共同決定[31]。當瓦斯壓力或軸向應(yīng)力較大時,煤體強度較低,更容易發(fā)生突出事故,且突出強度更高;相比煤體強度及軸向應(yīng)力,瓦斯壓力對突出強度的影響更大[32]。

通過分析以上學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn),在準備至發(fā)動前期階段地應(yīng)力起主導(dǎo)作用,而在發(fā)動后期至發(fā)展階段瓦斯起主導(dǎo)作用;地應(yīng)力及煤體強度是突出強度的決定性因素,而瓦斯壓力則是突出的必要條件,并非突出強度的決定性因素。因此,認為煤與瓦斯突出是煤體內(nèi)高壓瓦斯、地應(yīng)力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装鍘r性及完整性等因素綜合作用的結(jié)果。

2 煤與瓦斯突出主要影響因素

影響煤與瓦斯突出的因素很多,主要包括煤體瓦斯、地應(yīng)力、煤層賦存狀態(tài)、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装逋暾缘?個方面。

2.1 煤體瓦斯

2.1.1 煤體瓦斯含量

煤體瓦斯含量是影響煤與瓦斯突出危險程度的重要因素。因此,以瓦斯含量作為變量,研究突出過程具有重要意義。由于氮氣、氦氣、二氧化碳和甲烷的吸附性存在差異,故可利用以上氣體對煤與瓦斯突出試驗裝置充入等量氣體,模擬瓦斯含量對突出強度的影響。而突出煤粉質(zhì)量、煤粉平均粒徑以及煤粉瞬時速度等指標可反映突出強度大小。基于此,王漢鵬等[33]研究發(fā)現(xiàn),瓦斯含量越多,突出煤粉質(zhì)量及瞬時速度越大,而突出煤粉平均粒徑則越小,說明瓦斯含量越多,煤體發(fā)生突出的危險性越大,且突出強度越大。通過收集中梁山煤礦的實測數(shù)據(jù),也證明此結(jié)論合理[34]。

2.1.2 煤體瓦斯壓力

研究發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出發(fā)生與否存在一個瓦斯壓力閥值,這個閥值一般介于0.5～0.75 MPa之間,當瓦斯壓力超過這個閥值之后,突出強度隨瓦斯壓力增大而增強,且突出后煤體粒度隨瓦斯壓力增大而減小[35-36]。

當瓦斯壓力較小時,煤體發(fā)生塑性破壞區(qū)域隨瓦斯排放時間的增加而變化不大,而當瓦斯壓力較大時,煤體發(fā)生塑性破壞區(qū)域隨瓦斯排放時間的增加而增大,如圖4所示[37]。同時煤體最大塑性應(yīng)變隨瓦斯排放時間的增加而減小,且變化幅度隨瓦斯壓力的增加而增大。沖擊力峰值在巷道前端(臨近突出面)受瓦斯壓力影響較小,但在巷道中段出現(xiàn)突出過程中的最大值,且瓦斯壓力對沖擊力的影響幅度在此段最大,但并非呈正相關(guān)關(guān)系;在巷道末端(遠離突出面)瓦斯壓力對沖擊力峰值影響較大,呈正相關(guān)關(guān)系,即在巷道末端沖擊力峰值隨瓦斯壓力的增大而增大,如圖5所示[38]。

圖4 不同瓦斯壓力煤體塑性破壞區(qū)與瓦斯排放時間關(guān)系

圖5 不同瓦斯壓力下巷道中各測點沖擊力峰值分布

在不同瓦斯壓力作用下,煤與瓦斯突出后,距突出面不同位置處的突出沖擊力隨時間的變化規(guī)律如圖6所示[38]。從圖6可以看出,當瓦斯壓力較小,沖擊力在短時間內(nèi)迅速達到峰值,而后逐漸減小;而當瓦斯壓力較大時,沖擊力在短時間內(nèi)會先后出現(xiàn)兩個峰值,且第二個峰值小于第一個峰值,而后隨突出繼續(xù)發(fā)展而逐漸減小。出現(xiàn)第二個峰值的原因是突出過程中煤體內(nèi)部因高壓瓦斯引起第一次突出后產(chǎn)生新的弱面,并在新的弱面處發(fā)生二次突出。說明瓦斯壓力較小時,煤體僅產(chǎn)生一次突出,甚至不發(fā)生突出;瓦斯壓力較大時,煤體將產(chǎn)生2次甚至多次突出,從而在沖擊力曲線上呈現(xiàn)兩個甚至多個峰值。同時,也說明煤與瓦斯突出過程并非單純的一次性突出,而是隨著瓦斯壓力增大而產(chǎn)生的復(fù)合性突出。

圖6 不同瓦斯壓力下突出沖擊力隨時間變化曲線

2.2 地應(yīng)力

眾所周知,地應(yīng)力是影響煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素之一,研究突出事故必然離不開研究地應(yīng)力。蘇聯(lián)學(xué)者加盧什科認為水平應(yīng)力對突出具有重要影響。當水平應(yīng)力較小時,不會發(fā)生煤與瓦斯突出;而當水平應(yīng)力較大,遠大于垂直應(yīng)力時,則突出危險性較大[39]。朱興珊等[40]通過諸多實測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)突出危險性較大區(qū)域內(nèi)煤層及圍巖的水平應(yīng)力遠超其自重應(yīng)力,且突出強度隨水平應(yīng)力的增加而增強。

研究發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力均與煤體突出距離、突出強度呈正相關(guān)關(guān)系,但不是呈線性增長關(guān)系,而是冪指數(shù)增長關(guān)系[41]。即隨著水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力增大,煤體突出距離增大、突出強度增強。說明煤與瓦斯突出強度隨地應(yīng)力的增加而增強[42]。

2.3 煤層賦存狀態(tài)

2.3.1 煤層埋藏深度

隨著煤層埋深增加,瓦斯壓力、地應(yīng)力及瓦斯向地表運移距離隨之增加,使煤層及圍巖透氣性變差,煤層在長期地質(zhì)演化過程中對瓦斯的封存能力增強,從而使煤層瓦斯含量增加[43]。同時地溫也隨著埋深增加而升高,且隨著溫度升高,瓦斯分子逐漸活躍,繼而降低瓦斯的黏度系數(shù),使瓦斯越容易從煤體中解吸出來,增加瓦斯含量及壓力[44]。因此,突出強度隨煤層埋藏深度的增加而增加,且增加幅度隨埋深的增加而減小,而產(chǎn)生突出所需的臨界瓦斯壓力則隨埋深的增加而減小,如圖7 所示[45]。從圖中還可看出煤與瓦斯突出強度的變化趨勢,存在一個分界深度(1700 m),當煤層埋深小于1700 m 時,突出強度變化劇烈,處于快速增長階段;而當煤層埋深大于1700 m 后,突出強度變化緩和,處于緩慢增長階段。研究還發(fā)現(xiàn),突出發(fā)生后的持續(xù)時間、沖擊力峰值均隨煤層埋深的增加而增大[46]。

圖7 突出強度及臨界瓦斯壓力隨埋深變化曲線

2.3.2 煤層厚度

瓦斯賦存在煤層中,煤層厚度越大,瓦斯生成量越大,當具有良好的瓦斯保存條件時,厚煤帶一般也是瓦斯富集帶[47]。煤層厚度及其變化對突出危險程度有影響,其主要原因是煤層厚度大小與瓦斯生成量有關(guān)。厚煤帶為瓦斯的儲集提供了場所,絕對瓦斯涌出量也與煤厚呈明顯的正比例變化。煤厚變化造成了瓦斯分帶上的差異,變化的梯度在一定程度上反映了瓦斯的變化梯度,造成了瓦斯突出點的不均衡性?？梢娫谄渌麠l件不變的情況下,煤層厚度越厚,瓦斯涌出量越多,繼而產(chǎn)生強度更大的突出事故[48]。

2.4 煤體物理力學(xué)性質(zhì)

2.4.1 煤體瓦斯吸附/解吸特性

煤體表面瓦斯解吸特性是造成煤體瓦斯涌出的根本原因,也可表現(xiàn)為煤體對瓦斯的吸附特性。當煤體吸附能力很強時,即便瓦斯含量較大,煤體向采掘空間涌出的瓦斯量也不多;反之,當煤體吸附能力很差時,即便瓦斯含量不高,煤體也會向采掘空間涌出大量瓦斯。這就造成煤體本擁有較多的瓦斯含量,卻因為煤體本身對瓦斯吸附特性的不同,使得采掘空間內(nèi)的瓦斯涌出產(chǎn)生顯著差異。研究表明,在其他條件保持一定時,煤與瓦斯突出強度隨煤體對瓦斯解吸能力的增大而增強[49-50]。

2.4.2 煤體滲透性

在同一地質(zhì)構(gòu)造單元,煤體可近似地認為是一多孔介質(zhì),不僅可以吸附大量瓦斯,也可成為瓦斯流通的通道,幫助瓦斯從高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)流動,這種流動現(xiàn)象稱為瓦斯在煤體內(nèi)的滲透現(xiàn)象。礦井瓦斯涌出得以持續(xù)、近乎無限向采掘空間涌入,其主要原因在于煤體的滲透性。原始煤體經(jīng)過長期的地質(zhì)演化后,其瓦斯含量與壓力是相對平衡的,但煤礦的采掘活動改變了這種相對平衡。暴露煤體表面的瓦斯壓力與井下空間連通,造成瓦斯在內(nèi)部煤體與暴露煤體間產(chǎn)生壓力差,致使瓦斯向采掘空間涌入,繼而使煤體內(nèi)瓦斯流失。一般來說,煤體滲透性越好,瓦斯越易流失,煤體內(nèi)瓦斯含量越低,反之則瓦斯含量越大。正如2.1.1節(jié)所述,煤體瓦斯含量越大,發(fā)生突出的可能性越大,且突出強度也越大,因此,煤體滲透性越好,發(fā)生突出的可能性越小,突出強度越弱。

通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),當煤體透氣性較小時,煤與瓦斯突出所需啟動壓力梯度較小,瓦斯擴散速度較慢,突出破壞以拉伸破壞為主;當煤體透氣性較大時,突出所需啟動壓力梯度相對較大,瓦斯擴散速度較快,突出破壞以剪切破壞為主。而且隨著煤體透氣性的增大,煤體破壞程度降低,產(chǎn)生突出的時間延遲[51]。

2.4.3 煤體煤化程度

煤經(jīng)變質(zhì)作用在煤層內(nèi)產(chǎn)生瓦斯,且煤的變質(zhì)程度決定了瓦斯生成量的大小,一般來說,煤的變質(zhì)程度越高,煤層瓦斯的生成量越大[52]。而煤的變質(zhì)程度可用煤工業(yè)指標中的揮發(fā)分衡量,一般來說煤變質(zhì)程度與揮發(fā)分成反相關(guān)關(guān)系,即煤的揮發(fā)分越低,煤變質(zhì)程度越高。而煤化程度越高,其在煤質(zhì)變化過程中生成的瓦斯越多,煤體內(nèi)部的瓦斯?jié)撃芤簿驮酱?。煤體變質(zhì)程度越高,突出過程中瓦斯的初始放散速度越快[53],瓦斯初始放散速度的快慢表征了突出強度的大小,說明煤體變質(zhì)程度越高,煤與瓦斯突出強度越大。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造

2.5.1 褶皺構(gòu)造

褶皺構(gòu)造是巖層長期受地殼運動擠壓作用而發(fā)生塑性變形后形成的波狀彎曲的構(gòu)造形態(tài),由一系列向、背斜構(gòu)成。一般來說,煤層所受擠壓作用主要來自水平方向,使向、背斜翼部受力大于軸部受力,煤層逐漸從翼部向軸部轉(zhuǎn)移,故向、背斜軸部煤層厚度大于翼部[54-55]。正如2.3.2節(jié)所述,煤層厚度越厚,瓦斯生成量越多,因此向、背斜軸部瓦斯生成量大于翼部。

一般來說,向斜軸部受壓力影響,相比于兩翼形成致密性結(jié)構(gòu),瓦斯不易逸散,易于保存;兩翼則在外力作用下產(chǎn)生張拉裂隙,有利于瓦斯排放,不易保存[56-57]。而背斜軸部地層剝蝕嚴重,產(chǎn)生較多的張拉裂隙,瓦斯封存能力較弱,易于排放,瓦斯含量較低;兩翼地層則破壞較輕,裂隙發(fā)育相對較差,有利于瓦斯保存。研究發(fā)現(xiàn)向、背斜軸部煤的變質(zhì)程度較兩翼更高,且向斜軸部煤變質(zhì)程度高于背斜,使向斜軸部瓦斯含量及壓力大于背斜軸部。因此,相比背斜,向斜構(gòu)造更易發(fā)生煤與瓦斯突出事故[58]。

2.5.2 斷裂構(gòu)造

巖層在地殼運動擠壓作用下會發(fā)生塑性變形,當擠壓力過大超過巖體極限強度時,巖體破裂,使巖層形成斷裂面,表現(xiàn)出不連續(xù)性,以此形成的構(gòu)造形態(tài)稱為斷裂構(gòu)造,其中斷層便是典型的斷裂構(gòu)造。斷層根據(jù)斷面開閉程度,分為封閉性斷層及開放性斷層。一般來說,封閉性斷層因其斷裂不夠發(fā)育,貫通性較差,對瓦斯排放起著阻隔作用,有利于瓦斯保存,且離斷層越近,瓦斯含量越高;而開放性斷層因其斷裂發(fā)育較好,為瓦斯逸散提供了排放通道,有利于瓦斯排放,且離斷層越近,瓦斯含量越低[59-60]。通過對某礦區(qū)斷層帶煤厚及瓦斯含量進行測定,發(fā)現(xiàn)結(jié)果與上述結(jié)論一致。

根據(jù)該礦區(qū)采樣試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)封閉性正斷層附近煤的變質(zhì)程度總體上高于離斷層較遠處的變質(zhì)程度,且在一定范圍內(nèi),離斷層越遠,煤變質(zhì)程度越低;說明封閉性正斷層附近的瓦斯生成量較遠離斷層處更多。而且研究還發(fā)現(xiàn)斷層影響帶內(nèi)應(yīng)力比較集中,增加了突出的危險性[28];因此,斷層影響帶相比非斷層帶更易發(fā)生突出事故。

2.6 其他影響因素

通常情況下,地下水活躍的地區(qū),煤層瓦斯含量較少。尹光志等[61]發(fā)現(xiàn)煤體含水率越高,突出煤量越少(非線性關(guān)系),突出強度越小,突出產(chǎn)生的噴射距離越小,發(fā)生突出的可能性越小,且含水率與突出強度呈二次函數(shù)關(guān)系。煤與瓦斯突出會產(chǎn)生一系列聲發(fā)射事件,而聲發(fā)射事件能量表征了煤體破壞時釋放的能量大小,那么可用聲發(fā)射事件總能量間接反映突出強度。研究發(fā)現(xiàn),聲發(fā)射事件總能量隨煤體含水率的增加而減小。當含水率較低時,聲發(fā)射事件總能量增長較快,在短時間內(nèi)即可達到最大值;而當含水率較高時,聲發(fā)射事件總能量則增長緩慢,需要更多的時間才能達到最大值,如圖8所示[62]。

圖8 不同含水率下聲發(fā)射事件總能量隨時間變化曲線

研究發(fā)現(xiàn),在相同斷裂韌度條件下,煤體顆粒越小,發(fā)生突出所需的最小瓦斯壓力越大。一般粒徑為1 mm 左右的煤體顆粒發(fā)生突出所需的最小瓦斯壓力在0.01～0.98 MPa之間,且隨斷裂韌度的增加而增大;而粒徑小于100μm 的煤體顆粒則需較高的瓦斯壓力才能產(chǎn)生突出。且當煤體粒徑相同時,發(fā)生突出所需的最小瓦斯壓力也隨斷裂韌度的增加而增大,如圖9 所示[63]。說明煤體粒徑越小,發(fā)生突出的可能性相對越小,但突出危險程度越高,突出強度更大[64]。

圖9 不同粒徑煤體突出所需最小瓦斯壓力

事實表明,石門揭煤過程中,因煤體暴露面不同會產(chǎn)生不同程度的突出事故,說明突出口徑大小也是影響突出強度的影響因素。研究發(fā)現(xiàn),突出口徑影響了破裂煤體中的瓦斯逸散,使瓦斯壓力梯度變化不同,從而導(dǎo)致不同程度的突出。一般來說,突出口徑越小,突出持續(xù)時間越長,瓦斯壓力降低越慢,對煤體的破壞越小,從而產(chǎn)生強度更低的突出[65];突出口徑越大,煤體越易破裂而發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

煤層頂?shù)装逋暾砸蛑苯佑绊懲咚挂萆⑦^程,對瓦斯賦存具有較大影響,故而對煤與瓦斯突出影響較大。煤層頂?shù)装鍖ν咚挂萆⒌闹饕绊懼笜藶轫數(shù)装鍑鷰r的滲透性。一般來說,頂?shù)装鍑鷰r完整性越差、貫通性越好,其滲透性越好,繼而為瓦斯排放提供較好的逸散通道,故賦存于煤層內(nèi)的瓦斯含量較少,反之則吸附在煤層上的瓦斯含量較多[66-67]。正如2.1.1節(jié)及2.4.2節(jié)所述,煤體滲透性越好,瓦斯含量越低,發(fā)生突出的可能性越小,突出強度越弱。因此,煤層頂?shù)装逋暾栽胶?滲透性越低,當煤體被揭露時,發(fā)生突出的可能性越大,且突出強度越強。

3 討論

3.1 突出機理及研究手段

根據(jù)收集的較為權(quán)威的期刊文獻[10-32,68-88],對于煤與瓦斯突出機理的研究主要有瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說及綜合作用假說。如圖10所示,瓦斯主導(dǎo)作用假說占8.6%,地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說占36.2%,綜合作用假說占55.2%?？梢娋C合作用假說占據(jù)主導(dǎo)地位,更受廣大研究學(xué)者所認可。

圖10 突出機理假說分布

通過分析以上3種假說可知,瓦斯主導(dǎo)作用假說及地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說只是在強調(diào)瓦斯或地應(yīng)力在煤與瓦斯突出過程中所起的主導(dǎo)作用,并沒有否認煤體物理力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装鍘r性及完整性等其他因素對突出的影響及各因素間的相互影響。例如瓦斯主導(dǎo)作用假說認為,當“瓦斯包”被采掘工作揭穿時,高壓瓦斯便將松軟煤體破碎并拋出,從而產(chǎn)生突出現(xiàn)象。仔細分析這一觀點不難發(fā)現(xiàn),當采掘工作揭穿“瓦斯包”時,其地應(yīng)力必然發(fā)生變化,只是該假說認為瓦斯在突出中的作用最大。再如地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說認為,地應(yīng)力對瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體強度及瓦斯運移有較大影響,高應(yīng)力狀態(tài)增加了瓦斯含量及壓力,降低了煤體強度,使瓦斯突出阻力減小,繼而產(chǎn)生煤與瓦斯突出。該假說也承認了瓦斯與地應(yīng)力的相互作用,只是強調(diào)地應(yīng)力是突出產(chǎn)生的核心主導(dǎo)因素。而綜合作用假說則將各因素的相互作用表達出來,認為突出是高壓瓦斯、地應(yīng)力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装鍘r性及完整性等因素綜合作用的結(jié)果,并沒有指出哪種因素在突出中的貢獻更大。

通過分析以上3種假說可知,各假說都是圍繞煤與瓦斯突出產(chǎn)生的原因、條件及發(fā)生、發(fā)展過程開展學(xué)術(shù)研究。經(jīng)過前人的大量研究,可以大致將突出機理闡述如下:采掘作業(yè)使地應(yīng)力轉(zhuǎn)移并集中,繼而使煤體產(chǎn)生損傷→煤體解吸瓦斯使裂紋擴張→高壓瓦斯通過裂隙向低壓側(cè)采掘空間排放→高壓瓦斯攜帶煤體向低壓側(cè)采掘空間噴出→突出壁產(chǎn)生初始孔洞→孔洞周圍煤體粉化→孔洞周圍煤體產(chǎn)生流變變形→孔洞由小變大、由淺入深逐漸破壞→突出停止。

在綜合作用假說中,學(xué)者們的研究手段可分為模型試驗、數(shù)值模擬及理論分析三大類,部分學(xué)者則采用試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式開展煤與瓦斯突出機理研究。其中模型試驗占59.4%,數(shù)值模擬占25%,理論分析占9.4%,試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合占6.2%,如圖11所示。

圖11 綜合作用假說中研究方法分布

由圖11可知,學(xué)者們更喜愛采用模型試驗方式對煤與瓦斯突出機理開展研究,這是因為計算機技術(shù)在前期不夠發(fā)達(還未進入工程技術(shù)模擬),且模型試驗可以更為直觀地還原現(xiàn)場情況,得出待研究的成果。但模型試驗畢竟是按一定比例還原現(xiàn)場,必然會存在尺寸效應(yīng),其結(jié)果也不能完全還原真實數(shù)據(jù)。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,基于理論分析的數(shù)值模擬也迅速進入煤與瓦斯突出研究工作中,這也是僅次于模型試驗的研究手段。這種手段只需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況,對參數(shù)進行設(shè)置后即可建模以獲得待研究的成果,且該手段還可直觀地反映應(yīng)力場、瓦斯分布的變化,讓研究者更加通俗地明白突出過程。但現(xiàn)場情況復(fù)雜多變,并不能通過修正系數(shù)而完美復(fù)制現(xiàn)場,這必然導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況有一定的出入?；谝陨涎芯渴侄蔚膬?yōu)缺點,少部分學(xué)者則采用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對煤與瓦斯突出開展研究,這種方式雖增加了較多的工作量,但可將試驗結(jié)果與模擬結(jié)果相互驗證,以提高研究成果的可靠度,是一種比較科學(xué)合理的研究手段。

3.2 突出影響因素

通過分析國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,可以發(fā)現(xiàn)對煤與瓦斯突出產(chǎn)生影響的因素主要包括煤體瓦斯、地應(yīng)力、煤層賦存狀態(tài)、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装逋暾?個方面,如圖12所示。從圖12可以看出,6 方面影響因素可細分為14 種影響因素。其中煤體瓦斯包括瓦斯含量及壓力,地應(yīng)力包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及擾動應(yīng)力,煤層賦存狀態(tài)包括煤層厚度、傾角及埋藏深度,煤體物理力學(xué)性質(zhì)包括煤體滲透性、煤化程度及瓦斯吸附/解吸特性,地質(zhì)構(gòu)造包括褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造,除此之外煤體粒徑、含水率及突出口徑也會影響煤與瓦斯突出。

圖12 煤與瓦斯突出影響因素結(jié)構(gòu)

通過總結(jié)前人的研究成果可以發(fā)現(xiàn),在諸多影響因素中,瓦斯含量及壓力、構(gòu)造應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度及埋藏深度等因素被研究較多,而煤體滲透性、煤化程度、煤體瓦斯吸附/解吸特性、煤體粒徑及含水率、突出口徑等因素則相對研究較少,尤其是煤體含水率研究甚少。可見研究學(xué)者們對影響程度較高的因子研究較多,而對影響程度相對較小的因子則研究較少。雖然煤與瓦斯突出影響因素較多,但幾乎沒有研究學(xué)者將眾多影響因素放在一起開展權(quán)重分析,僅有少部分學(xué)者對部分影響因素開展了敏感性分析。分析前人的研究成果可知,突出強度隨瓦斯含量及壓力、地應(yīng)力、煤層埋深及厚度、煤體解吸能力、煤化程度增加而增強,而隨著滲透率的增大而減弱。此外,突出在構(gòu)造帶更易發(fā)生,且強度更強;相比背斜,向斜構(gòu)造更易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

3.3 存在的不足及展望

國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測量等手段對煤與瓦斯突出進行了諸多深入研究,揭示了煤與瓦斯突出的突出機理,找出了對突出造成影響的諸多影響因素,并獲得了各影響因素對突出的影響方向及程度,取得了非常優(yōu)秀的成績,但仍存在一些不足之處。

(1) 針對突出機理,學(xué)者們雖更認同綜合作用假說,但在實際研究中更多是改變某一因素,固定其他因素來進行數(shù)值模擬或試驗研究,而很少將諸多影響因素考慮為一個“整體”,開展耦合作用分析。建議今后重點開展多因素耦合作用下的突出機理研究,并分析各因素間的相互作用關(guān)系,結(jié)合敏感性分析找出各因素對突出影響的主次關(guān)系,為防治措施提供參考。

(2) 對突出過程的研究以宏觀研究為主,通過宏觀現(xiàn)象定性分析突出的啟動、發(fā)展、停止階段,而少有學(xué)者對微觀現(xiàn)象進行深入分析,相比宏觀研究,微觀分析更能反映突出的發(fā)生、發(fā)展過程。建議今后從微觀角度研究突出過程,分析煤巖破碎發(fā)展歷程,找出突出啟動時各影響因素的臨界條件。

(3) 相比非構(gòu)造煤,構(gòu)造煤發(fā)生突出的可能性及危險性更強[89],而目前對構(gòu)造煤的研究相對較少且不夠深入,未能分析構(gòu)造煤體的孔隙結(jié)構(gòu),建議今后對構(gòu)造煤開展宏細觀研究,分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)性質(zhì),研究其低滲透率的形成機制,完善構(gòu)造煤瓦斯吸附/解吸性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

(4) 低參數(shù)條件下也時有發(fā)生煤與瓦斯突出事故[90],這種條件下的發(fā)生條件及判別依據(jù)尚不明確,且該類研究更是少之又少。建議今后對此類突出開展重點研究,查明此類突出的地質(zhì)條件、突出條件以及宏觀判別依據(jù),不可忽視低參數(shù)條件下的突出事故。

(5) 對深部煤層開采利用產(chǎn)生煤與瓦斯突出的研究較少。根據(jù)我國煤層賦存特征及開采利用情況,深部開采煤炭資源是必然趨勢。隨著采深的增加,地應(yīng)力、溫度、瓦斯含量及壓力也會增加,且地質(zhì)情況更加復(fù)雜,發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性及危險性更大。建議今后對深部煤層的煤與瓦斯突出進行深入研究。

4 結(jié)論

(1) 針對煤與瓦斯突出機理,國內(nèi)外學(xué)者對綜合作用假說更加認可,在此基礎(chǔ)上對突出機理的研究更多、更深入,認為突出是煤體內(nèi)高壓瓦斯、地應(yīng)力、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装逋暾缘纫蛩鼐C合作用的結(jié)果。

(2) 影響煤與瓦斯突出的主要因素包括煤體瓦斯(瓦斯含量及壓力)、地應(yīng)力、煤層賦存狀態(tài)(煤層埋深及厚度)、煤體物理力學(xué)性質(zhì)(煤體解吸能力、滲透力及煤化程度)、地質(zhì)構(gòu)造(褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造)、頂?shù)装逋暾浴Ｆ渲型怀鰪姸入S著瓦斯含量及壓力、地應(yīng)力、煤層埋深及厚度、煤體解吸能力、煤化程度的增加而增強,隨著滲透率的增大而減弱;突出在構(gòu)造帶更易發(fā)生,且強度更強;相比背斜,向斜構(gòu)造更易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。