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石門揭煤過程煤與瓦斯延時突出機理及其影響因素分析

文檔作者：葉青馮濤賈真真林柏泉周利華文檔來源： 1．湖南科技大學 2．煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室 3．中國礦業(yè)大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月30日
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第17卷第4期
2008年4月
中 國 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．17，NO．4
April 2008
鬻礦業(yè)縱橫
石門揭煤過程煤與瓦斯延時突出
機理及其影響因素分析
葉 青 ，馮 濤 ，賈真真 ，林柏泉。，周利華
(1．湖南科技大學，湖南湘潭411201；2．煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室，
湖南湘潭411201；3． 中國礦業(yè)大學， 江蘇徐州221OO8)
摘要：本文在綜述煤與瓦斯突出機理的基礎上，分析了石門揭煤過程中，巷道煤與瓦斯延時突出
機理及其影響因素，并闡述了各種因素在延時突出中的作用。從煤巖體流變方面，闡述了延時突出的產(chǎn)
生和停止的原因，并從空間和時間的角度，對石門揭煤過程中巷道煤與瓦斯延時突出整個過程進行了詳
細的描述。煤與瓦斯突出事故原因及理論分析結(jié)果表明，石門揭煤過程中煤與瓦斯延時突出存在兩種現(xiàn)
象，并且都是地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果。研究結(jié)果為石門快速揭煤技術(shù)的研究，提供理論
基礎和技術(shù)支持。
關鍵詞：石門揭煤；延時突出；流變；影響因素
中圖分類號：TD713 、1 文獻標識碼：B 文章編號：1004—4051 (2008)04—0083—03
M echanism and effect factors of gas and coal delay outburst
in uncovering coal seam in cross—cut
YE Qing ，F(xiàn)ENG Tao ，JIA Zhen-zhen ，LIN Bai—quan。，ZHOU Li—hua
(1． Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；
2． Hunan Province Key Laboratory of M ine Safety M ining， Xiangtan 411201， China；
3． China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)
Abstract：Based on the gas and coal outburst mechanism ，the mechanism and effect factors of the gas
and coal delay outburst in uncovering coal seam in cross—cut are analyzed detailedly，its process is also de—
scribed from time and space，and its cause is expatiated from rheology． From the accidents causes and theo—
retical analysis，it is show that the gas and coal delay outburst is the combined action of the geological fac—
tors and non-geological factors and there are tWO phenomena in gas and coal delay outburst．Finally，the ac—
tion of factors in the delay outburst is expatiated detailedly．The results can offer theoretical and technologi—
cal support for fast uncovering coal seam in cross-cut．
Key words：uncovering coal seam in cross-cut； delay outburst； rheology mechanism ； effect factor
在突出礦井中，石門揭煤比煤層平巷、上山、
下山和采煤工作面，更有利于突出的發(fā)生與發(fā)展，
不僅其突出強度大、波及范圍廣，而且發(fā)生概率
大，國內(nèi)外最大的突出均發(fā)生在石門揭煤時，所以
它的危險性最大。石門揭煤時的突出，特別是石門
揭煤延時突出，造成嚴重破壞，致使揭煤工期長、
收稿日期：2007—12—11
基金項目： 國家自然科學基金重點項目(50674047，50534090，
50574093)； 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2005cb221506)； 國家科
技支撐計劃項目(2006BAK03B0403)資助
作者簡介：葉青(1975一)，男，江西鷹潭人，講師。
成本高，嚴重影響了礦井和采區(qū)的順利接替，嚴重
威脅著礦井安全生產(chǎn)，因此它一直是防突研究的重
點?？偟目磥?，我國在石門揭煤過程中一直存在兩
大難題：一個是傳統(tǒng)揭煤技術(shù)側(cè)重于安全角度，而
導致揭煤速度慢、揭煤時間長；另一個是預測準確
性不高、防突措施不到位，而導致安全性不夠。研
究石門揭煤過程中煤與瓦斯延時突出機理及其影響
因素的目的，就是在于認識它發(fā)生的規(guī)律性，最終
采取預防延時突出措施。因此，對石門揭煤過程煤
與瓦斯延時突出機理及其影響因素分析，是研究技
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84 中國礦業(yè) 第17卷
術(shù)可行、經(jīng)濟合理的快速安全揭煤技術(shù)的理論根據(jù)
和技術(shù)基礎。
1 煤與瓦斯延時突出機理分析
根據(jù)煤與瓦斯突出機理的假說 ]，揭露煤體
后或在煤層中進行采掘工作是否會發(fā)生突出，主要
取決于煤層內(nèi)儲存的彈性潛能、瓦斯內(nèi)能及煤巖自
重位能，能否克服煤層強度的阻力、破碎煤體并將
破碎的煤體拋出，即原始煤體的平衡狀態(tài)是否被破
壞。如果石門揭開煤層后沒有發(fā)生突出，這說明原
始煤體的平衡狀態(tài)沒有被破壞，或盡管破壞了原始
煤體的平衡狀態(tài)，但煤體及其中的瓦斯又處于新的
平衡狀態(tài)，將不會發(fā)生突出。如果受外界因素影
響，如支護不及時或支護質(zhì)量差引起高冒垮落，高
冒垮落后破壞了煤體及新的平衡狀態(tài)，激發(fā)了煤層
內(nèi)儲存能的釋放；同時垮落后又破壞了煤層的完整
性，降低了煤層中煤體的強度，導致突出發(fā)生，這
就是延時突出，揭露煤層后至高冒垮落引起突出前
這段時間即為延時。所以煤與瓦斯延時突出具有以
下特征：延時時間不定，最短的幾分鐘，最長的幾
天；突出臨界指標偏低；部分延時突出預兆不明
顯；延時突出對人身安全和生產(chǎn)的威脅性極大，容
易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。
從以上分析可以看出，煤與瓦斯延時突出有
兩種情況：一是巷道進入煤體或揭露煤體后，當時
未發(fā)生突出，在無外界因素影響的前提下，經(jīng)過一
段時間后再發(fā)生突出，其間隔時間不定，又無一定
規(guī)律，且無法預測是否突出；二是巷道進入煤體或
揭露煤體后，當時未發(fā)生突出，煤體及煤體中的瓦
斯處于新的平衡狀態(tài)，但經(jīng)過一段時間后， 由于外
界因素的影響，破壞了這個新的平衡狀態(tài)而導致突
出。第一種情況時，其突出機理確實極為復雜，現(xiàn)
有關突出機理的種種假說都難以解釋，防治這類突
出發(fā)生的確是無從人手，屬一種不可抗拒的自然災
害。第二種情況時，只要巷道進入煤體或石門揭露
煤體前采取預防措施，之后及時支護，借助于支護
的作用防止煤巖的高冒垮落，使煤體及煤體中的瓦
斯處于新的平衡狀態(tài)，這類延時突出是完全可以防
治的。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，煤與瓦斯延時突出往往
屬于第二種情況。
2 煤與瓦斯延時突出的影響因素分析
煤與瓦斯突出的影響因素非常多，也非常復
雜，既包括各種地質(zhì)因素，又包括各種非地質(zhì)因
素?？偟膩碚f，影響因素主要包括四個方面 ]：
①煤層的地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造是控制煤與瓦斯突出
發(fā)生的主導地質(zhì)因素，地質(zhì)構(gòu)造類型、規(guī)模、性
質(zhì)、疏密程度、排列組合以及構(gòu)造部位等的差異，
對煤與瓦斯突出均有不同程度的影響。②煤層因素
及瓦斯參數(shù)。煤層因素包括煤層厚度、煤層傾角、
軟分層厚度和煤層埋藏深度。③礦區(qū)或煤層所處的
地應力條件。地應力由巖層自重應力和構(gòu)造應力組
成。④ 礦山開采的工程因素。其主要有爆破、采
掘、外界擾動激發(fā)、支護等。在上述四方面因素
中，地質(zhì)構(gòu)造因素是影響煤與瓦斯突出的地質(zhì)背
景，煤與瓦斯則是突出發(fā)生的物質(zhì)基礎，礦區(qū)或煤
層所處的地應力狀態(tài)則是發(fā)生煤與瓦斯突出的動力
條件，爆破及外界擾動激發(fā)等工程因素則是煤與瓦
斯突出的誘導條件，而巷道支護等工程因素是煤與
瓦斯突出的抑制條件。顯然，煤與瓦斯突出是上述
各種因素的綜合作用結(jié)果。如果說地質(zhì)因素是煤與、
瓦斯突出產(chǎn)生的必然條件，那么非地質(zhì)因素則是其
充分條件，通過控制非地質(zhì)因素能降低煤與瓦斯突
出的危險程度，這是目前煤與瓦斯突出工程防治方
面考慮較多的措施。煤與瓦斯延時突出，也是突
出，所以煤與瓦斯延時突出，也是上述各種因素綜
合作用的結(jié)果。
3 煤與瓦斯延時突出分析
(1)石門揭煤延時突出流變分析
煤與瓦斯延時突出的顯著特點是它的延時性。
大量實驗研究與現(xiàn)場實例分析表明，任何巖石包括
硬煤和軟煤都具有流變特性，延時突出的延時性與
含瓦斯煤巖的流變特性有關。由流變試驗結(jié)果可
知，煤體產(chǎn)生流變現(xiàn)象是有條件的，只有當施加的
應力大于并接近它的臨界值時，流變現(xiàn)象才能顯現(xiàn)
出來。當應力小于或遠大于它的臨界值時，流變現(xiàn)
象將不會發(fā)生。煤巖類材料流變的特性，按時間順
序可劃分為三個階段_8]：不穩(wěn)定流變階段(流變開
始階段)；穩(wěn)態(tài)流變階段(流變速率保持常量)；加
速流變階段，流變速率在該階段迅速增加，其特點
是煤體將迅速地發(fā)生破壞。具有突出危險的軟煤強
度很低，而發(fā)生突出的地點地應力都比較大，所以
一般不可能由軟煤自身產(chǎn)生幾秒鐘到幾個小時以上
的延時破壞現(xiàn)象 ]。
(2)石門揭煤延時突出能量分析
在地應力的作用下，煤層積蓄了相當大的儲存
能。在應力狀態(tài)變化時，釋放出來的能量能否破壞
煤體，在很大程度上取決于煤體的物理力學性質(zhì)。
從能量的觀點來看，只有釋放的能量達到使煤體破
碎的某一最小能量時，才能實現(xiàn)煤與瓦斯突出。煤
層的儲存能和圍巖的動能，是煤體狀態(tài)改變或完全
破碎的能量源泉。在巷道推進過程中，由于放炮或
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第4期 葉青等：石門揭煤過程煤與瓦斯延時突出機理及其影響因素分析 85
煤層中硬包裹體的破碎，煤層應力狀態(tài)可能突然改
變，它可以引起煤中儲存能的大量釋放，突然釋放
的大量儲存能可轉(zhuǎn)化為煤體的破碎功和移動功，導
致了延時突出的發(fā)生。
(3)石門揭煤延時突出全過程分析
在石門揭煤時，如果掘進工作面距煤層較遠，
由于巖石體的強度較高，以致前方的煤層也難以向
外變形，這時的應力分布與均質(zhì)巖石體的應力分布
幾乎是一樣的。當掘進工作面接近煤層時，前方巖
體逐漸變薄，應力逐漸轉(zhuǎn)向煤層的煤體上，煤層承
受不了這樣大的應力，便推動巖體變形，這樣應力
便集中在這個逐漸變薄的巖體上。隨著掘進工作的
進行，巖體越薄，其上集中的切向應力和徑向應力
就越大，薄巖體發(fā)生加速流變直到這個薄巖體被破
壞，這樣具有突出危險的煤層突然暴露， 以致發(fā)生
突出，而此時的突出是在薄巖體發(fā)生流變后才產(chǎn)生
的，即發(fā)生延時突出。在石門揭煤后，由于卸壓帶
的阻擋和支撐，卸壓帶之外具有突出危險的煤體不
能暴露，也不會發(fā)生突出。如果石門揭煤后，不能
及時支護，巷道周圍的部分破碎帶就會在地應力的
作用下逐漸破壞，失去支撐作用，發(fā)生突然性的冒
落。如果這種冒落導致具有突出危險的煤層突然暴
露，就會發(fā)生延時突出 ]。由此可以看出，延時是
由于具有突出危險的煤層前的部分巖石或硬煤阻擋
層發(fā)生流變破壞，或是卸壓帶的煤體阻擋層逐漸失
去支撐力、突然冒落造成的。通常在石門揭煤前，
一般都采取了打鉆孔抽放瓦斯等措施，將巷道周邊
煤體內(nèi)一定范圍的瓦斯抽排掉，使之失去突出危
險，所以在突出指標預測時，煤層中的瓦斯含量及
瓦斯內(nèi)能較小，從而導致所測的突出指標偏低。當
在放炮后，瓦斯內(nèi)能不足以沖垮前方煤巖體，從而
使煤體進入流變階段，在集中應力作用下，從穩(wěn)定
流變階段進入加速破壞的失穩(wěn)流變階段，或由于前
方煤體的側(cè)向應力，使瓦斯內(nèi)能聚積達到足以沖垮
并拋出煤體時，延時突出便隨即發(fā)生，當以上兩個
條件都不滿足時，就不會發(fā)生煤與瓦斯的延時突
出。
4 結(jié)論
(1)煤與瓦斯延時突出的影響因素非常多，
也非常復雜，既包括各種地質(zhì)因素，又包括各種非
地質(zhì)因素。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，而其突出過程經(jīng)歷的時間
很短，過程非常復雜， 以致對其機理的認識還存在
分歧，對各種突出現(xiàn)象不能進行全面準確地解釋，
所以需要進行深入研究。
(2)煤與瓦斯延時突出，是由地應力、煤體
中的瓦斯、煤的物理力學性質(zhì)及工程因素等因素綜
合作用產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。前兩因素是發(fā)動突出的動
力，后者是阻礙突出的阻力。當動力大于阻力時，
突出就可能發(fā)生。
(3)含瓦斯煤巖的流變特征，是煤與瓦斯延
時突出發(fā)生的主要原因之一；石門揭煤體后的延時
突出原因，是具有突出危險的煤體未能及時支護，
逐漸破壞后發(fā)生冒落，導致具有突出危險的煤層突
然暴露造成的。
(4)煤與瓦斯延時突出，不但與卸壓區(qū)、應
力集中區(qū)的強度、長度有關，而且與作用在煤體上
的應力峰值和瓦斯壓力等因素有關。
(5)研究突出機理及其影響因素的目的，在
于認識突出發(fā)生的規(guī)律性，最終防治突出。因此，
在進一步研究延時突出機理及其發(fā)生條件中，應加
強定量研究，加強對突出過程物理特征的研究，為
認識延時突出機理、監(jiān)測和防治提供理論基礎。
—■■
參考文獻
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