煤与瓦斯突出的研究.docx

煤与瓦斯突出的问题研究1、煤与瓦斯突出及其危害煤与瓦斯突出（简称突出），是一种突发性的、破坏性相当严重的自然现象，往往会导致伤亡惨重的恶性事故，严重威胁煤矿的安全生产。同矿山其它地质现象一样，煤与瓦斯突出也是发生在矿井生产中一种极其复杂的地质动力现象，通常被认为是在地下采掘过程中，在很短的时间内（数分钟），从煤（岩）壁内部向采掘工作空间突然喷出煤（岩）和瓦斯的现象。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，它能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤岩抛出物，造成人员窒息，煤流埋人甚至可引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产中断等，因此它是煤矿生产中最严重的灾害之一。据有关记载，世界上第一次典型的突出是1834年法国鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生的。从那时起到现在，全世界已有20多个国家和地区发生过此类事故，有俄罗斯、中国、法国、波兰、日本、匈牙利、美国、印度、南非等世界产煤大国，突出总次数超过4万次，突出的气体有甲烷、二氧化碳等。突出超过千次的国家有俄罗斯、中国、法国、波兰、日本五国。世界上最大的一次突出发生在1969年7月13日顿巴斯加加林矿井710m水平主石门揭穿厚仅1.03m的煤层时，突出煤量14 000t，瓦斯25万m3以上。而突出瓦斯量最大的一次发生在中国，瓦斯为140万立方米，此次突出煤量为12780吨。我国是煤与瓦斯突出灾害发生最严重的国家之一，高瓦斯和有突出危险的矿井占全国矿井总数的40%以上。湖南、辽宁、四川、山东、河南、安徽等是突出严重的省份。据不完全统计，从建国到现在，全国已有260多个矿井共发生20000余次突出，其中强度超过1000吨的特大型突出已有100多次，最早的记录是1939年11月20日发生在辽源矿物局富国二井，突出煤量7t。近年来，随着开采深度的不断加大，突出的次数不断增多，最大的一次是1975年8月8日四川天府矿物局三江坝一矿主平硐（+280m）震动放炮揭穿6号煤层时发生的，突出煤岩12 780t（煤占60%，矸占40%），CH4140万m3。煤与瓦斯突出事故给我们带来的损失是惨重的，1960年5月14日重庆地区松藻矿务局松藻二井+352m标高石门揭穿K3煤层，发生大型煤与瓦斯突出，突出煤量1 000t，堵塞巷道250m，全井充满瓦斯，瓦斯和煤尘逆风流900多米冲出平硐口，造成125人窒息死亡，伤16人的特大事故，1995年6月，涟邵局利民矿发生突出事故，突出强度为3200吨，瓦斯30万立方米，死亡19人；1998年12月14日，沈阳矿务局红阳二矿发生煤与瓦斯突出，造成包括局通风处多名领导和矿主管掘进、通风、安全的多名副总工程师等14名领导干部在内共28人死亡，给沈阳矿务局和红阳二矿造成了巨大的经济损失和人才损失。到新世纪后，虽然煤与瓦斯突出的预测预报技术有了很大的提高，但仍然发生煤与瓦斯突出事故。2002年4月，淮北煤业集团芦岭矿突出10000吨煤，瓦斯60多万立方米，死亡13人；2002年9月5日湖南省娄底市双峰县秋湖煤矿发生瓦斯突出，33人死亡；2003年1月25日焦作煤业集团朱村矿发生煤与瓦斯突出，造成19人遇难。我国的岩巷掘进中，曾发声过岩石与二氧化碳突出。1975年6月13日，吉林省营城矿五井发生我国第一次岩石与二氧化碳突出，突出沙石，包括砂岩、砂砾岩、安山岩等1005吨，喷出二氧化碳11000立方米，逆风流运行420米。以上仅仅是煤与瓦斯突出和岩石与二氧化碳突出的几个例子，其所造成的损失是巨大的，就我国近几年煤矿突出所造成的损失可达百亿元人民币。因此，如何预防煤与瓦斯突出和岩石与二氧化碳突出，减少经济损失很有必要。2、研究煤与瓦斯突出预测预防的意义煤与瓦斯突出是一种非常复杂的现象，在不同的区域、不同的地质条件、不同类型的矿井均发生过突出。因其所具有的突发性、难以预测性，会造成巨大的人员损失和巨额财产损失。前述可以看到，世界上各国有记录的煤与瓦斯突出就有4万多次，损失量难以计算。但是，煤炭的开采是非常必要的，因为有其非常重要的意义。1）、煤炭的重要性随着世界经济的快速发展，能源的需求越来越大，随着石油的短缺，煤炭的地位愈加显得重要。从18世纪60年代的产业革命时开始，煤炭一直占据着世界一次能源的首位，它作为近代欧美各国工业化的燃料动力基础，对世界经济和社会发展起了举足轻重的作用。1913年世界煤炭产量为13.2亿t，占世界一次能源总产量的92.2%。从上世纪20年代开始，世界能源结构逐步由煤炭转向石油，特别是第二次世界大战之后，石油工业进一步崛起，石油以其廉价、高效、低污染的特点，更能满足现代经济发展的需要，并于本世纪60年代中期在世界一次能源的生产与消费结构中超过了煤炭，居于首位，煤炭退居第二位。尽管如此，煤炭仍然是世界一次能源的重要组成部分。战后近半个世纪以来，煤炭始终保持着稳步发展的态势，总产量从50年代的18.2亿t增长到80年代末的48.66亿t，增长1.67倍，年平均增长率为2.55%。90年代之后虽然有所下降，但发展仍呈回升趋势。 2）、煤炭的贡献 我们可以从以下几个方面来说明：（1）、目前，世界电力45%左右来自燃煤电站，1991年，美国国家用于发电的煤占煤炭总产量的87%，英国为78.3%，加拿大为96.6%，德国为63.5%，法国为43.4%，日本为23.9%；（2）、钢铁、建材、化工等行业对煤炭的需求继续上升；（3）、煤炭出口创汇，一些产煤国家把煤炭出口作为重要的创汇来源。据美国全国煤炭协会1990年提供的资料，煤炭工业对美国经济的直接贡献为每年210亿美元，加上间接贡献，共达每年810亿美元。（4）、煤炭的其它作用，每一个煤炭工业工作岗位可为其它部门提供7个就业机会（90年资料）。煤炭的衍生物可生产25000多种消费品和工业品，在世界经济中占有重要地位。 因此，随着国民经济的快速发展，对煤炭的需求越来越大，随之采用延深扩大老矿井的规模，开发新矿区，建设新矿井，以增加煤炭产量，必定是大势所需。2003年中国的煤炭产量为15.9亿吨，而2004年为19亿吨。采掘规模扩大的同时，突出次数也逐渐增多。今后几年，产量还会增加，开采范围还会增大，开采深度也会加大。这样，煤与瓦斯突出的危险及危害也会增大。因目前对煤与瓦斯突出的机理还未完全清楚，对其预测预防的方法还未完全解决，能否防治煤与瓦斯突出在很大程度上取决于预测的可靠性和准确性，对其进行进一步的研究，寻求解决的新方法、新思路，达到既能够准确预测预报，又能减少经济投入，这对我国煤炭工业的发展、对世界经济的发展均具有重要的意义。3、煤与瓦斯突出解危措施及检测对煤与瓦斯突出危险区进行解危措施，按作用范围来看分区域性措施和局部性措施；按作用效果来看有防止突出发生的措施和突出时保证人员安全的措施；按作用的技术性质看分技术措施和组织管理措施。a. 区域性措施1）开采解放层。开采解放层是预防突出最有效、最经济的措施，也是主要的技术措施。2) 预抽煤层瓦斯。，该方法在没有解放层可采，或单一突出煤层中用，也可和采解放层同时合用。b. 局部性措施针对不同的突出地点采取不同的措施如：煤层注水、超前钻孔、松动放炮、水利冲孔、多排钻孔、震动放炮等。在防突措施实施以后，还要对防突措施的有效性进行检验，主要检验工作面前方煤体的应力或瓦斯状态的改变程度，判断是否已消除了突出危险性。检验方法主要有：（1）按照瓦斯涌出初速度的绝对值检验防突措施；（2）按照瓦斯涌出动态检验防突措施；（3）按照瓦斯涌出初速度和钻粉量检验防突措施。4、煤与瓦斯突出预测预防技术研究现状1）、国外煤与瓦斯突出预测研究现状世界各国对突出预测都非常重视，其预测方法以地应力、瓦斯和煤体结构及力学特征为基础，这方面主要有俄罗斯、波兰、澳大利亚、德国、日本等，其中前苏联的预测方法得到了更多的推广。概括起来分为三个方面：（1）、区域预测在井田的整个勘探阶段和补充勘探阶段，根据研究区域的构造破坏，初步评价煤层和矿井的突出危险性，预测的基础是利用地质和物理资料、煤层和瓦斯资料。预测结果是确定突出矿井和非突出矿井、突出煤层和非突出煤层或突出的危险区域。（2）、局部预测在综合研究开采煤层的性质和开采地质条件以及所查明的规律性基础上，评价矿井内一条或几条巷道中的煤层突出危险性，预测一个采区煤层的突出危险性。局部预测要求有更精确的区域预测资料，预测结果是确定出突出区和非突出区。（3）、日常预测在煤层开采过程中有效预测煤层突出危险程度，在局部预测的基础上，加强对煤层瓦斯、地应力、矿井构造、煤体结构的变形规律研究，并利用各种矿井瓦斯监测与管理手段，根据各种矿井动力现象和突出历史资料进行突出带和突出可能性的制定。关于煤与瓦斯突出的日常预测主要是钻孔预测中测钻粉量、瓦斯流量、瓦斯压力等参数，并配合新方法的应用。上世纪70年代末，日本、澳大利亚、法国、波兰、苏联等国家，先后研制并开发了地音计算机系统，研究了突出前声发射（AE）发生频率的变化规律和声发射与瓦斯浓度的关系。1983年英国对南威尔士煤田的煤与瓦斯突出监测结果表明：微震活动与工作面开采活动和回风巷道中检测到的瓦斯涌出量有关，开发系统1986年正式用于工作面的突出预测预报。2）、国内煤与瓦斯突出预测研究现状我国对煤与瓦斯突出预测研究也很重视。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。（1）、区域预测主要方法、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1。、D、K综合指标法，该法是抚顺煤炭研究分院提出的，其指标是： （1） （2）式中 D煤的突出危险性综合指标之一；K煤的突出危险性综合指标之二；H开采深度，m；f煤层软分层的平均坚固性系数；P煤层瓦斯压力，取两个侧压孔实测瓦斯压力最大值，MPa；P煤层软分层的瓦斯放散速度指标。D、K指标值见表1表1 确定煤层区域突出危险性的综合指标D、KDK区域突出危险性>0.250.25<15突出威胁区0.2515突出危险区、单项指标法见表2表2 预测煤层突出危险性的单项指标煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度P煤的坚固系数煤层瓦斯压力（MPa）突出危险、100.5>0.6无、<10>0.5<0.5、等为煤的破坏类型、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。自“六五”以来，运用该方法在我国华南、西南、华北高瓦斯矿区进行的大量研究和预测取得了非常可喜的成功，同时，预测方法本身也得到了完善和发展，正在逐步实现系统化和标准化。具体就生产矿井的煤与瓦斯突出预测而言，瓦斯地质单元法实际上就是分析煤层、采区、工作面或巷道的地质构造、瓦斯、构造煤等的具体条件，找出它们在时间上和空间上的区别和联系、按照一定的定量指标组合，划分出不同等级的区域或地段，在井田范围内划分出突出煤层或突出区域，在采区或工作面上划分出突出带，进一步确定突出危险点，从而对煤矿生产实行分级管理、区别对待，防止“一刀切”造成人力、物力资源浪费，合理的安排生产进展，保证最大的经济利益。（2）、局部预测主要方法、石门揭煤突出预测；、煤巷掘进工作面突出预测；、回采工作面突出预测。目前，对突出危险性的局部预测，包括传统的D、K综合指标法、R指标法、钻孔瓦斯涌出量法、钻屑指标法等。随着科技的进步和我们对突出机理研究的深入，一些新的方法也取得了进展。如声发射法、图示判别法、采场支撑压力规律预测法、电磁辐射法预测，另外模糊数学、模糊神经网络技术、模式识别、分形理论等一些前沿类的技术理论也应用到突出预测中，并且取得了初步进展。5、基于组合法原理的煤与瓦斯突出机理1）、煤与瓦斯突出的基本规律煤与瓦斯突出是一种非常复杂的现象，在不同的区域、不同的地质条件、不同类型的矿井均发生过突出。总结国内外的经验，可以得到许多规律性的东西。（1）、突出的危险性随采掘深度的增加而增大。要表现在突出次数和强度随深度的增加而增大，在是突出的普遍规律。因随着开采深度的增大，地应力会增大，对围岩的破坏也会加大，同时，瓦斯的含量及涌出量同样会增大，这就增大了煤与瓦斯突出的可能性。如德国的伊本比伦矿，最大采深为1600米，突出问题极其严重。在地质构造遭受破坏的煤层中，虽然瓦斯的含量并不高，原煤中的瓦斯气化能力明显减弱，但开采时瓦斯的释放速度有时却非常大，常常引发突出事故。对每一个矿井而言，其煤层都有一个发生突出的最小深度，当小于该深度时，不会发生突出，此深度称之为始突深度（2）、突出的危险性随煤层厚度的增加而增大。突出煤层越厚，其危险性越大，这表现为突出次数多、强度大、始突深度浅。如抚顺老虎台煤矿，在1997年1998年间，有三次突出均在特厚煤层中。（3）、突出与作业方式有关系。巷道掘进中，因爆破引发的突出约占总突出次数的三分之二，突出的平均强度最大；而由风稿落煤和手稿落煤造成的突出一般只占总突出次数的12%16%。随着采煤机械化程度的提高，因机组采煤而引发的突出已跃居到第二位，占总突出次数的16.4%。（4）、突出大都发生在地质构造带中。在所查阅的上千篇关于煤与瓦斯突出预测预防文献中，85%以上涉及到地质构造。总结其规律，煤与瓦斯突出在以下几种类型的构造中容易发生：向斜轴部地带（流水线）、帚状构造收敛端、煤层扭转区、煤层产状变化区、煤层厚度变化区（特别是厚度急剧变化的鸡窝状、串珠状区域）、煤层分岔带、压性或压扭性断层地带、岩浆岩侵入带。（5）、煤与瓦斯突出前大多数有预兆。这种预兆发生的时间提前量，在不同条件下是不同的，发生的形式也不同，有时是一种，有时是几种。可归纳为两大类：有声预兆和无声预兆。有声预兆如煤体中出现的劈裂声、响炮声、闷雷声等；无声预兆如煤层层理紊乱、煤变软变暗、支架来压、煤壁掉渣、煤面外鼓、片帮、煤壁温度升高或降低、瓦斯浓度突然增大、瓦斯涌出忽大忽小、打钻时发生顶钻、夹钻、钻孔喷孔现象等。2）、煤与瓦斯突出机理及发生条件煤与瓦斯突出机理是指的煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生过程。对这一机理的认识是采取有效措施治理煤与瓦斯突出的理论基础，因此许多国家（包括我国）长期以来对突出机理的研究都非常重视，并进行了大量的工作，但由于突出机理的复杂性，迄今尚未得出一个统一的结论，大部分是根据实际生产现场的统计资料或实验室模拟研究提出的各种假说，一种假说可以解释一种或多种突出现象，或多种假说可以解释一种现象，没有一种假说可以解释所有突出现象。（1）、国外关于煤与瓦斯突出机理研究的现状根据有关文献的介绍和总结，国外关于煤与瓦斯突出的观点可归纳为四类2：、力作用假说这种假说认为在煤体破坏发生煤和瓦斯突出的过程中起主导作用的是地压，是高地应力作用的结果。高地应力包括两个方面，一个是指自重应力和构造应力，另一个指工作面前方存在的集中应力。前苏联的别楚克、法国的莫连、加拿大的伊格那季耶夫和日本的外尾善次郎分别提出了含瓦斯煤体贮存了大量的弹性势能，当工作面接近该区时，高应力区的弹性势能释放使煤体破坏而发生突出。还有学者围绕应力集中，或由于震动产生的应力叠加使煤体破坏而发生的煤与瓦斯突出进行了论述。采用地质动力区划方法、地应力测量顶板监测、地质构造分形理论等方法进行煤与瓦斯突出的预测预报，就是基于这种假说而实施的。、瓦斯作用假说这类假说是上世纪30年代最早提出的突出假说，认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素，这类假说包括前苏联的E.H.沙留金和英国的R.威连姆斯等提出的“瓦斯包”说，认为煤层中存在着高压的“瓦斯包”，当工作面接近该区时，煤壁受到“瓦斯包”的高压瓦斯作用破坏而发生突出，“瓦斯包”是突出的力源。因为此假说可以解释突出时有大量的瓦斯喷出，瓦斯的高压力迅速破坏工作面与高压瓦斯之间的煤层。基于这种假说，人们开始研究煤的结构、煤的裂隙状态、煤的瓦斯含量等，寻找其与突出的关系，将矿井通风系统、矿井瓦斯监测系统等引人防治煤与瓦斯突出的研究中。、化学作用假说这类假说认为煤质在突出中起主导作用，突出是煤和瓦斯在很大的深度内发生变质时发生的化学反应引起的。基于这种假说，人们开始研究煤的化学作用、变质程度与瓦斯突出的关系，并得出结论：随着煤的变质程度增高，煤的透气性呈波浪式下降，而煤的吸附量呈波浪式上升，发生突出的危险性会上升。、综合作用假说该假说最早是由前苏联的聂克拉索夫斯基在上世纪50年代提出的，认为突出是瓦斯、地应力、瓦斯压力、煤的力学性质等综合作用破坏煤体而发生的，是共同作用的结果。以后其他学者又进行了补充，认为突出的发生还要考虑煤的物理力学性质，即在煤体破坏引起突出发生时，瓦斯、地应力和煤的物理力学性质都起到了作用，或者说是在着三个因素综合作用下发生的。综合作用假说以苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫的地应力不均匀假说为主，认为围岩中不均匀分布的地应力、高的瓦斯压力和低透气性、变形、破坏的松软煤体是产生突出的有利条件。应力不均匀分布的主要原因在于围岩中存在着残余构造应力，个别情况下是由采掘过程引起的。应力不均匀假说以现场的研究为基础，能反映一些真实情况，尤其明确了构造应力在突出发生中的作用。该种假说把突出机理的认识趋势是由单因素向多因素发展。目前，大多数关于煤与瓦斯突出预测的研究及防治技术均以综合作用假说为基础。另一种综合作用假说认为，突出是煤的变形潜能和瓦斯内能引起的，在煤层应力状态发生突然变化时，潜能释放引起煤体快速破坏。煤层埋深、瓦斯压力、瓦斯含量、煤的强度等是突出激发和发展的主要因素，采矿因素（应力集中）也有一定的影响。苏联的BB.霍多特是这种假说的倡导者，提出了含瓦斯煤层发生突出的能量条件，可用数学公式表示如下： （3）式中 Wt煤的弹性能；瓦斯的膨胀能；A煤破碎到标志突出特征的粉煤的能量。这种能量观点以实验为基础，并用弹性力学的观点全面系统的阐述了煤和瓦斯突出的原因、准备和发展过程，首次给出了突出发生条件的数学解析式。1969年在联合国西欧经济委员会召开的第二次防止煤与瓦斯突出的国际讨论会上，大多数国家的代表认为突出不是哪个因素起主导作用的结果，而是与煤层的应力状态、煤体内的瓦斯及煤的物理力学性质密切相关，是这些因素综合作用的结果。这已经成为愈来愈多学者的共识，也是突出发生机理研究的发展趋势。但是，仍然有学者对单项因素主导作用的学说继续进行研究，提出新的见解。在21届采矿年会上，日本的氏平增之，采用有限元法进行数值模拟，通过煤壁受瓦斯孔隙压力梯度作用产生的拉伸破裂，说明瓦斯对突出的发生起主导作用。而澳大利亚的哈格里费斯通过物理模拟实验所得到的结果说明突出的发生还是应力起主导作用。（2）、国内煤与瓦斯突出机理的研究情况我国从上世纪50年代起就对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等开展了研究，并根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨，在最近几年，由于研究的深入和新手段越来越先进，发展速度很快，产生了许多新的认识。目前已经对突出发生的原因、条件、能量来源做出了定性的解释和近似的定量计算，为防治措施的选择及效果检验提供了理论依据。主要观点有：、中心扩张学说（于不凡）煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离的地方开始发动的，这一地方叫发动中心，而后向四周扩散，由发动中心周围的煤岩石瓦斯体系提供能量并参与活动。在煤与瓦斯突出地点，地应力场、瓦斯压力场、煤体结构和煤质是不均匀的。煤与瓦斯突出发动中心就处在应力集中点，且该点向各个方向的发展是不均匀的。煤体的低透气性有助于建立大的瓦斯压力梯度。、能量释放学说（李中成）该学说认为突出是煤体盘形拉伸破坏的连锁反应过程，突出过程就是煤体所积存的弹性应变能和瓦斯内能突然释放的过程。在煤层应力状态发生突然变化时,潜能释放引起煤体高速破坏，煤层埋深、瓦斯压力、瓦斯含量、煤的强度等是突出激发和发展的主要因素，采矿外部因素也有一定的作用。 、二相流体假说（李萍丰）该假说认为（1989）：突出不是因瓦斯的膨胀能和煤岩膨胀能的释放造成的，而是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的二相流体，此二相流体受压积蓄能量，卸压膨胀放出能量，从而冲出阻碍区，导致突出。突出的主要动力源是二相流体压缩积蓄，卸压膨胀放出的能量，而不是瓦斯。、流变假说（周世宁和何学秋）该假说认为（1990）：煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后，地应力与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出预发生阶段，含瓦斯煤体在采动影响的区域内就开始了蠕变破坏，使煤体进一步被切割，形成发育的裂隙网。在某区域加速破坏发生时，如果该区域瓦斯能量足够冲跨已遭破坏的煤体，则突出发生、发展，突出过程中的瓦斯气体部分由前一蠕变区域通过发育的裂隙网补给。该观点对延期突出给予了很好的解释。瓦斯在孔隙结构中的流动主要是扩散，符合菲克定律；在煤层裂隙系统的流动属于渗流，符合达西定律。煤层瓦斯的流动决定于裂隙系统的特性，而不决定于孔隙结构。、固流耦合理论（梁冰和章梦涛）该理论（1995）指出：含瓦斯煤体在采掘活动影响下，由瓦斯渗流煤体的相互作用，当存在很大的地应力时，固体的煤和流动的瓦斯两项介质藕合失稳，使局部发生迅猛、突然破坏而产生突出。其最主要的因素有三个：地应力、瓦斯及煤体。采深和瓦斯压力的增加都将使突出的危险性增大。、球壳失稳假说（蒋承林和俞启香）该假说认为（1995）：煤和瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体后煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙进一步扩张并使形成的煤壳失稳破坏，将原来的具有一定支撑作用的表面煤体破坏掉，煤体被抛向巷道，迫使高应力峰值向煤体内部转移并破坏后续煤体这样一个连续发展过程。从整个突出过程来看，突出的发生与发展是以球盖状煤壳的形成、扩展及失稳抛出为主要特点的。这种观点对于解释突出孔洞的形状及形成过程很有帮助。、其他假说有的从力学角度对突出问题进行研究，通过量纲分析给出了突出判据的一般形式，认为高压瓦斯是大型突出所需能量的主要提供源。有的研究了煤在瓦斯渗流作用下持续破坏的机制，提出了持续破坏的模型。另外，一些学者通过理论上的研究，建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程，建立了突出的恒稳推进模型，得出突出一维流动解和启动判据。总结以上诸种观点和方法，可以看出，对煤与瓦斯突出机理的研究主要有三个方面，一是对突出过程及突出特征的解释，如中心扩张学说、能量释放学说、二相流体假说等；第二是对突出的力学性质进行实验研究，如固流耦合理论、球壳失稳假说、流变假说等；第三是用数学力学方法对突出模型的研究，如固流耦合理论和其他的推理及建立的数学模型等。（3）、煤与瓦斯突出的发生条件煤与瓦斯突出是地应力、煤中的瓦斯、煤的力学性质、煤的结构和瓦斯压力等综合作用的一种复杂动力现象。大多数学者认为突出是综合作用的结果，在突出过程中，地应力、瓦斯压力是发动和发展突出的动力，煤体结构，煤的物理力学性质则是阻碍突出发生的因素，不同的因素在突出中的作用不同的。、突出发生的地应力条件地应力对突出主要有三方面的作用：a、围岩或煤体的弹性变形潜能作功，使煤体产生突然破坏和位移；b、地应力场控制瓦斯压力场，促进瓦斯在破坏煤体中的作用；c、围岩中应力增加决定了煤层的低透气性，造成了瓦斯压力梯度增高，煤体一旦破坏就形成对突出有利的条件。可见煤层和围岩具有较高的地应力和瓦斯压力，并在近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化，使潜能有可能突然释放，是煤与瓦斯突出的一个必要和充分条件3。、瓦斯在突出中的作用瓦斯的作用同样有三个方面： a、全面压缩煤的骨架,促使煤体产生潜能，在某些场合，能形成高瓦斯压力梯度带，可单独诱发突出；b、吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起楔子作用,降低煤的强度，瓦斯的解吸使煤的破碎和移动进一步加强；c、发展与实现是突出的主要因素。在突出的发展阶段中，瓦斯压力与地应力配合连续的剥离破碎的煤体使突出向深部传播膨胀着的具有较大压力的瓦斯风暴不断的把破碎的煤体运走，加以粉碎，并使新暴露的突出煤壁附近保持着较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度，为连续剥离煤体准备好必要条件。所以瓦斯的作用称为突出发生的又一个必要和充分条件。、发生突出的煤体结构条件煤体结构破坏程度影响煤层的力学性质和对瓦斯的储集能力，因而不同的煤体结构类型具有不同的突出危险性，国内外对煤体结构进行了广泛的研究。前苏联科学院地质研究所基于对煤中原生与次生节理的变化、微裂隙间距、断口和光泽特征，将煤体结构分为5种类型，并认为IV、V类破坏类型的煤体结构分层是发生煤和瓦斯突出的必要条件。中国矿业大学瓦斯组在此分类基础上，把煤体结构的破坏程度分为甲、乙、丙3类。焦作工学院从瓦斯地质角度出发，根据煤体宏观和微观结构特征，以构造煤的类型为基础，将煤体结构划分为4种类型，指出构造煤是煤和瓦斯突出的必要条件。煤炭工业部颁发的防治煤与瓦斯突出细则以前苏联5类划分为基础，提出了煤体结构破坏类型划分新标准，研究表明随煤体结构破坏类型增加，突出危险性增大。、突出发生的地质条件煤与瓦斯突出是一种与地质条件密切相关的灾害，其发生一定受地质条件控制。彭立世（1984，1985）将煤与瓦斯突出的地质条件分为三个方面：矿井地质构造条件、煤层和围岩条件、煤体结构条件。煤体和围岩为突出提供物质源，地质构造使煤层内瓦斯富集，构造应力为突出补给能量，煤体结构形成突出的有利边界条件。因此，构造煤是煤和瓦斯突出的必要条件。苏联对突出的地质条件进行了最详细的研究，对顿巴斯煤矿的研究表明，突出受地质因素控制，突出的分布具有不均匀分布的规律性，突出与构造复杂程度、煤层围岩、煤的变质程度有关，并提出了确定煤层突出危险性的地质指标。我国对煤与瓦斯突出的地质条件的研究更为广泛。上世纪60年代抚顺煤矿安全研究所就开始了瓦斯赋存地质条件的研究，到70年代四川矿业学院和焦作矿业学院将地质观点用于煤与瓦斯突出分布规律的研究，进入80年代，焦作矿业学院（杨力生1983）领导的瓦斯地质编图组是全国瓦斯地质研究的普及,这样许多学者提出了有价值的观点和理论，如地质条件对煤与瓦斯突出有控制作用，可以用地质观点进行突出预测研究；突出煤层具有某些特征，应对构造煤及突出煤和非突出煤进行了深入的研究，找出规律和特征，进行瓦斯突出的预测和预防等。瓦斯区域论的提出标志着地质条件对煤与瓦斯突出控制理论的形成，阐述了瓦斯分布和突出分布的不均衡性、分区分带性与地质条件有关，并受地质因素制约。另外，煤层中高瓦斯含量是突出的地质基础，构造煤是突出的必要条件，压性和压扭性构造的发育是导致突出的重要因素，它有助于构造煤的形成和在地应力条件下有助于高压瓦斯的聚积。3）、基于组合法的煤与瓦斯突出机理（1）、组合法的提出在研究煤和瓦斯突出机理及其发生条件方面，如前所述，国内外都取得了重大进展，但是由于问题的复杂性及突出特征的多样性，对突出机理的认识研究工作有待进一步深入。概括起来有以下几点：、关于突出机理的认识还存在分歧,对突出中各种现象还不能予以全面解释。概括起来对突出机理的研究主要有3方面：一个是对突出过程及突出特征的解释；第二个是对突出的力学实验研究；三是利用数学力学方法对突出模型的研究。、煤和瓦斯突出是多种因素综合作用的结果，不同的因素有不同的作用方式，不同因素在突出中的作用不同，研究突出的发生条件应当考虑到不同因素的作用过程。加强对突出发生条件的动态研究，才能更有利于把握突出发生的条件，为突出预测提供可靠的理论根据，研究在给定条件下不同因素的相互作用对于判定突出将有重要指导意义。、研究突出机理及其发生条件的目的在于认识突出发生的规律性，最终是预防突出，因此，在进一步研究突出机理及其发生条件中应加强定量研究，加强对突出过程物理特征的研究，为认识突出机理特别是对发生突出的监测和防治提供理论基础。因此将不同方面对煤和瓦斯突出机理的研究统一起来，会使突出机理的认识产生飞跃。组合法就是一种最适宜的方法。组合法是数学方法。在这里，利用此种方法进行煤与瓦斯突出机理的研究，可以把共同点不同点找出，分析其共性异性。前述的煤与瓦斯突出机理的各种假说，无论是起主导作用的“单因素”学说，还是多因素综合作用的假说，最终均未脱离开综合作用学说。因为强调单因素主导作用的学说，也只能说“起主导”作用，还需要有其他辅助条件，这些条件又是必要条件，是不可忽视的。在综合假说中，大多数的观点是“能量释放”、“失稳”，无论是“中心扩张学说”、还是“二相流”、“流变”、“固流耦合”、“球壳失稳”等，均是一种在假设的“介质”条件下，由于综合作用的结果，造成失稳破坏，使能量突然释放，将煤体抛向自由空间，形成煤与瓦斯突出。通过对大量的资料进行分析对比，认为目前具有代表性的假说是“失稳”方面的学说。有“球壳失稳”假说、“固流耦合失稳”假说。（2）、球壳失稳假说通过对突出过程的理论分析和大量的实验室研究，提出了煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。、理论分析）、煤体质点在突出过程中的受力分析 利用相似模拟装置进行煤与瓦斯突出实验，显示了在石门揭煤发生煤与瓦斯突出时，工作面前方的煤体在某一动态应力场作用下发生破坏，煤体和瓦斯不断地飞向自由空间（巷道），突出阵面(即不断形成的新暴露面)快速地深入煤体内部，动态应力峰也移向煤体内部，突出阵面推进过程如图1所示。对于突出阵面经过的煤体中任一煤体质点都将经历以下几个阶段： （）、原始应力阶段。图1 突出阵面推进过程示意图当突出波阵面距该煤体质点尚远而未对其产生应力扰动时，该煤体质点处于原始应力状态。（）集中应力阶段。由于突出波阵面的推进，该煤体质点的两个相互垂直的切向应力不断增加，而径向应力不断降低。到集中应力峰处，切向应力达到最大值，但在此时该煤体质点仍处于弹性应力状态。（）地应力破坏阶段。在该阶段中，煤体质点首先在集中应力峰的作用下破坏，煤体内形成“X”裂纹，然后”“X” 裂纹在残余应力的作用下沿主应力方向扩展，也就是沿切向扩展，形成与暴露面近于平行的“I”型裂纹。（）瓦斯撕裂煤体阶段。在这个阶段，作用在煤体质点上的地应力已经降低到裂隙内的瓦斯压力以下，煤体中与“I”型裂纹相通的小孔隙内游离瓦斯及通道表面煤体吸附的瓦斯向裂纹内释放，“I”型裂纹内存在有压力的瓦斯。如果煤体强度较低，“I”型裂纹将在裂纹内瓦斯压力的作用下沿切向扩展，将相邻的各个“I”型裂纹连通起来形成与暴露面近于平行的大裂缝，即将表面煤体切割成与暴露面同形的球盖状煤壳。（）煤壳失稳抛出阶段。球盖状煤壳形成后，由于大裂缝周围煤体颗粒继续放散瓦斯，煤壳后部的大裂缝内也将保持一定的瓦斯压力。如果这个瓦斯压力足够高(但低于原始瓦斯压力)，而形成的煤壳又足够薄，则这个大煤壳将在大裂缝中瓦斯压力的作用下失稳破坏，抛向巷道，形成突出。（）搬运及静止解吸阶段。煤壳抛出后，在膨胀瓦斯的推动下沿巷道向外搬运。煤壳中的煤体质点由于碰撞破碎，内部的瓦斯也向外涌出，这部分瓦斯也参与了搬运过程。当煤体质点最终落于巷道中的某一点而停止运动后，煤体质点内的瓦斯还将继续向外涌出，但涌出强度逐渐降低。）、突出过程发生的力学条件 煤与瓦斯突出需要以下三个力学条件：（）含瓦斯煤体的初始破坏。在煤层中，含瓦斯煤体的初始破坏是由地应力完成的；地应力作用后，煤体内产生“I”型裂纹。这是发生煤与瓦斯突出的必要条件。（）在地应力作用下，煤体内的裂隙在瓦斯压力的作用下扩展。煤体在地应力作用后，径向应力降到了“I”型裂纹内瓦斯压力以下，并且这些“I”型裂纹处于新暴露面附近，按照平面物体表面附近存在多个平行圆盘形裂纹的情况来考虑，由断裂力学理论进行推导，可得裂纹扩展的条件如下：图2 球盖状煤壳的受力情况 （4）式中：Pif 圆盘形裂纹中积聚的瓦斯压力，；P2 巷道中的大气压力，；K1c 煤体的断裂韧性，；a 裂隙的半径，m； 周围裂纹的影响系数； M1 裂纹深度影响系数。 （）裂缝切割形成的煤壳在瓦斯压力的作用下发生失稳破坏。“I”型裂纹扩展到最后形成一球盖状煤壳，大裂缝切割形成的球盖状煤壳，其受力情况见图2。球盖失稳的发生、失稳破坏产生突出现象的条件为： （5）式中： 球盖状煤壳的边缘与煤壳的曲率中心构成的中心角的一半；E 煤体的弹性模量； 煤壳的厚度，m； 煤壳的曲率半径,m；煤壳后部裂缝内积聚的最大瓦斯压力，；、煤与瓦斯突出过程中煤体质点的能量耗散规律通过实验分析，得到煤与瓦斯突出过程中煤体质点的能量耗散规律：)、突出过程中地层应力产生的弹性潜能只是将煤体质点破碎及提高煤体质点的温度，为煤体内瓦斯能量的释放创造条件。)、煤体质点受地应力破坏后，只有在初时刻向较大的“I”型裂纹内排放的瓦斯能比较大时，裂纹内才有可能积聚起较高的压力撕裂煤体，引起突出，而后来由煤体质点释放的瓦斯能未参与煤体撕裂及抛出过程。将煤体质点在地应力破坏后最先涌出的瓦斯能，称为初始释放瓦斯能；这部分能量越大，突出越容易发生，突出现象也越猛烈。而地应力越大，原始煤体强度越小，地应力作用后煤体内的裂隙就越多；如果原始瓦斯压力也比较大，则初始释放瓦斯能就越大。初始释放瓦斯能的大小综合反映了地应力、瓦斯压力及煤体强度对突出的影响。 )、由煤体中释放出来的初始释放瓦斯能中，只有那些通过膨胀转化为动能的瓦斯能量才能参与煤体的撕裂及抛出过程，这部分能量称之为初始释放瓦斯膨胀能。这部分能量通过膨胀做功转化为煤体的动能和表面能以及自身的动能。由于煤体中初始释放瓦斯能越大，可以参与做功的初始释放瓦斯膨胀也越大。因此，初始释放瓦斯膨胀能也是一个综合反映地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等因素的指标。 、球壳失稳假说根据以上的理论分析说明，煤与瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体、煤体释放瓦斯、瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤壳失稳破坏、将原本具有一定支撑作用的表面破坏煤体抛向巷道、迫使应力峰移向煤体内部继续破坏后续的煤体这样一个连续发展的过程。从整个突出过程来看，突出的发生与发展是以球盖状煤壳的形成、发展及失稳抛出为其特点的。这个对突出过程的描述称为煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。图3 三轴应力状态下钙质泥岩的应力应变拟合曲线-10 0 10 20 30（3）、固流耦合失稳假说煤与瓦斯突出的一个必要条件就是在煤层中，一定含有大量的具有一定压力的瓦斯。因此，必须研