煤與瓦斯突出機理及主要影響因素研究現狀*

楊秀貴,潘昌樹,陳云

(1.重慶市高新工程勘察設計院有限公司,重慶 401120;2.重慶國際復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過程中產生的一種極為復雜的動力現象,是礦井災害的典型類型之一,嚴重制約著井下煤炭的安全生產。自1834年在法國發生了世界上第一次煤與瓦斯突出事故以來,許多國家也相繼發生了突出事故,目前累計約有20個國家發生過煤與瓦斯突出事故,而中國記載的第一次突出事故發生于1950年,且中國是發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。據統計,2001 至2020年這20年間,煤與瓦斯突出次數雖呈下降趨勢,但死亡人數在礦難死亡人數中卻呈波動性增長,說明煤與瓦斯突出事故在礦井災害中仍占較高水平[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,近幾年則尤其側重于煤與瓦斯突出防治理論技術的綜合分析?；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,國內外諸多專家學者針對煤與瓦斯突出機理進行了深入研究,并根據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作用假說、地應力主導作用假說、化學本質作用假說及綜合作用假說[5-7]。認可度較高的為瓦斯主導作用假說、地應力主導作用假說及綜合作用假說[8]。而從力學角度分析,可認為煤與瓦斯突出是一個力學作用過程,先后需要經歷準備、啟動、發展和終止等4個階段,如圖1所示[9]。

圖1 煤與瓦斯突出的力學作用過程描述

1.1 瓦斯主導作用假說

俞啟香[10]認為煤層中存在瓦斯含量及壓力比相鄰區域高很多的煤窩,即“瓦斯包”。煤層質地相對較軟、裂隙相對發育,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,從而產生煤與瓦斯突出現象。

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,在有限空間內致使瓦斯壓力增大,最后導致煤體破壞產生突出。而部分學者[12-13]還發現,突出過程中瓦斯內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],發現瓦斯涌出量、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。

通過分析以上學者的研究成果可以發現,“瓦斯包”是煤與瓦斯突出的動力源;瓦斯內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作用;因此,專家學者認為煤與瓦斯突出是煤體內高壓瓦斯起主導作用而產生的動力現象。

1.2 地應力主導作用假說

韓軍等[15]通過測量淮南、平頂山、阜新等地區多個煤與瓦斯突出礦井的地應力,發現突出區地應力遠高于非突出區,且最大主應力約為最小主應力的2倍,認為地應力是突出產生的核心主導因素。

LITWINISZYN[16]及PATERSON[17]認為在振動作用下瓦斯由吸附態轉變為游離態,形成較大的應力變化,而高梯度的壓力使煤體發生破壞,繼而產生煤與瓦斯突出。而且在不同應力狀態下,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],可以發現采掘擾動改變了煤巖體的應力、應變情況,使煤巖體產生裂隙為瓦斯運移提供通道,繼而在斷層上下盤產生瓦斯壓力差,當此壓力差達到斷層面的極限強度后,便會產生突出事故。

通過分析以上學者的研究成果可以發現,地應力對瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體強度及瓦斯運移有較大影響,高應力狀態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,繼而產生煤與瓦斯突出。因此,認為煤與瓦斯突出是地應力(包括自重應力、構造應力及擾動應力)起主導作用而產生的結果。

1.3 綜合作用假說

尹永明等[20]通過現場調查及理論分析,利用層次分析法結合模糊綜合評價法,分析了沖擊型煤與瓦斯突出的突出機理,發現煤與瓦斯突出是瓦斯、應力及煤體物理力學性質綜合作用的結果,是煤巖體彈性勢能及瓦斯內能綜合作用轉化為煤巖體動能的結果[21]。蔡成功[22]利用自行研制的試驗裝置,研究了瓦斯壓力、煤體強度及三向應力對突出強度的影響,并根據試驗結果對數據進行擬合,建立了突出強度與瓦斯壓力、煤體強度及三向應力的組合模型;而部分學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,可發現地應力引起的煤體彈性潛能使煤體破碎,僅為突出創造條件,而決定煤與瓦斯是否突出的關鍵因素是瓦斯膨脹能[25-26]。從巖石破裂過程分析,也可發現突出事故是地應力、煤體力學性質及瓦斯壓力綜合作用的結果,且不管是延期突出還是瞬時突出,均先后經歷4個階段,即應力集中階段、開采擾動誘發煤巖破裂階段、瓦斯壓力驅動裂隙擴展階段及突出階段[27]。

通過數值分析研究斷層活化誘導煤與瓦斯突出的作用機理,發現煤與瓦斯突出是開采擾動、瓦斯壓力及地應力共同作用的結果,且擾動應力是誘發斷層活化、使煤巖體破裂,為瓦斯運移創造運輸通道、產生煤與瓦斯突出的主要原因[28]。同時還發現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],發現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,裂紋數量在短時間內急劇上升,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變化不大,但達到最大裂紋數所需時間差異較大。當瓦斯壓力較大時,裂紋數達到最大值所需時間較短,如圖3所示[30]。

圖2 微裂紋數目隨時間變化曲線

圖3 不同瓦斯壓力下總裂紋數目隨時間變化曲線

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

通過分析以上學者的研究成果可以發現,在準備至發動前期階段地應力起主導作用,而在發動后期至發展階段瓦斯起主導作用;地應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高壓瓦斯、地應力、煤體物理力學性質、頂底板巖性及完整性等因素綜合作用的結果。

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、地應力、煤層賦存狀態、煤體物理力學性質、地質構造、頂底板完整性等6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?；诖?王漢鵬等[33]研究發現,瓦斯含量越多,突出煤粉質量及瞬時速度越大,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據,也證明此結論合理[34]。

2.1.2 煤體瓦斯壓力

研究發現煤與瓦斯突出發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,煤體發生塑性破壞區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,煤體發生塑性破壞區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,但并非呈正相關關系;在巷道末端(遠離突出面)瓦斯壓力對沖擊力峰值影響較大,呈正相關關系,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與瓦斯排放時間關系

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,沖擊力在短時間內會先后出現兩個峰值,且第二個峰值小于第一個峰值,而后隨突出繼續發展而逐漸減小。出現第二個峰值的原因是突出過程中煤體內部因高壓瓦斯引起第一次突出后產生新的弱面,并在新的弱面處發生二次突出。說明瓦斯壓力較小時,煤體僅產生一次突出,甚至不發生突出;瓦斯壓力較大時,煤體將產生2次甚至多次突出,從而在沖擊力曲線上呈現兩個甚至多個峰值。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生的復合性突出。

圖6 不同瓦斯壓力下突出沖擊力隨時間變化曲線

2.2 地應力

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

研究發現水平應力及垂直應力均與煤體突出距離、突出強度呈正相關關系,但不是呈線性增長關系,而是冪指數增長關系[41]。即隨著水平應力及垂直應力增大,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力的增加而增強[42]。

2.3 煤層賦存狀態

2.3.1 煤層埋藏深度

隨著煤層埋深增加,瓦斯壓力、地應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,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。研究還發現,突出發生后的持續時間、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。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,繼而產生強度更大的突出事故[48]。

2.4 煤體物理力學性質

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,使得采掘空間內的瓦斯涌出產生顯著差異。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

在同一地質構造單元,煤體可近似地認為是一多孔介質,不僅可以吸附大量瓦斯,也可成為瓦斯流通的通道,幫助瓦斯從高應力區向低應力區流動,這種流動現象稱為瓦斯在煤體內的滲透現象。礦井瓦斯涌出得以持續、近乎無限向采掘空間涌入,其主要原因在于煤體的滲透性。原始煤體經過長期的地質演化后,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,造成瓦斯在內部煤體與暴露煤體間產生壓力差,致使瓦斯向采掘空間涌入,繼而使煤體內瓦斯流失。一般來說,煤體滲透性越好,瓦斯越易流失,煤體內瓦斯含量越低,反之則瓦斯含量越大。正如2.1.1節所述,煤體瓦斯含量越大,發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,發生突出的可能性越小,突出強度越弱。

通過數值模擬研究發現,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,產生突出的時間延遲[51]。

2.4.3 煤體煤化程度

煤經變質作用在煤層內產生瓦斯,且煤的變質程度決定了瓦斯生成量的大小,一般來說,煤的變質程度越高,煤層瓦斯的生成量越大[52]。而煤的變質程度可用煤工業指標中的揮發分衡量,一般來說煤變質程度與揮發分成反相關關系,即煤的揮發分越低,煤變質程度越高。而煤化程度越高,其在煤質變化過程中生成的瓦斯越多,煤體內部的瓦斯潛能也就越大。煤體變質程度越高,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,說明煤體變質程度越高,煤與瓦斯突出強度越大。

2.5 地質構造

2.5.1 褶皺構造

褶皺構造是巖層長期受地殼運動擠壓作用而發生塑性變形后形成的波狀彎曲的構造形態,由一系列向、背斜構成。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移,故向、背斜軸部煤層厚度大于翼部[54-55]。正如2.3.2節所述,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構,瓦斯不易逸散,易于保存;兩翼則在外力作用下產生張拉裂隙,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,裂隙發育相對較差,有利于瓦斯保存。研究發現向、背斜軸部煤的變質程度較兩翼更高,且向斜軸部煤變質程度高于背斜,使向斜軸部瓦斯含量及壓力大于背斜軸部。因此,相比背斜,向斜構造更易發生煤與瓦斯突出事故[58]。

2.5.2 斷裂構造

巖層在地殼運動擠壓作用下會發生塑性變形,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,表現出不連續性,以此形成的構造形態稱為斷裂構造,其中斷層便是典型的斷裂構造。斷層根據斷面開閉程度,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]。通過對某礦區斷層帶煤厚及瓦斯含量進行測定,發現結果與上述結論一致。

根據該礦區采樣試驗結果,發現封閉性正斷層附近煤的變質程度總體上高于離斷層較遠處的變質程度,且在一定范圍內,離斷層越遠,煤變質程度越低;說明封閉性正斷層附近的瓦斯生成量較遠離斷層處更多。而且研究還發現斷層影響帶內應力比較集中,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,煤層瓦斯含量較少。尹光志等[61]發現煤體含水率越高,突出煤量越少(非線性關系),突出強度越小,突出產生的噴射距離越小,發生突出的可能性越小,且含水率與突出強度呈二次函數關系。煤與瓦斯突出會產生一系列聲發射事件,而聲發射事件能量表征了煤體破壞時釋放的能量大小,那么可用聲發射事件總能量間接反映突出強度。研究發現,聲發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,聲發射事件總能量增長較快,在短時間內即可達到最大值;而當含水率較高時,聲發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 不同含水率下聲發射事件總能量隨時間變化曲線

研究發現,在相同斷裂韌度條件下,煤體顆粒越小,發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生突出。且當煤體粒徑相同時,發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。研究發現,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,從而導致不同程度的突出。一般來說,突出口徑越小,突出持續時間越長,瓦斯壓力降低越慢,對煤體的破壞越小,從而產生強度更低的突出[65];突出口徑越大,煤體越易破裂而發生煤與瓦斯突出事故。

煤層頂底板完整性因直接影響瓦斯逸散過程,對瓦斯賦存具有較大影響,故而對煤與瓦斯突出影響較大。煤層頂底板對瓦斯逸散的主要影響指標為頂底板圍巖的滲透性。一般來說,頂底板圍巖完整性越差、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節及2.4.2節所述,煤體滲透性越好,瓦斯含量越低,發生突出的可能性越小,突出強度越弱。因此,煤層頂底板完整性越好,滲透性越低,當煤體被揭露時,發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

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

圖10 突出機理假說分布

通過分析以上3種假說可知,瓦斯主導作用假說及地應力主導作用假說只是在強調瓦斯或地應力在煤與瓦斯突出過程中所起的主導作用,并沒有否認煤體物理力學性質、頂底板巖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,從而產生突出現象。仔細分析這一觀點不難發現,當采掘工作揭穿“瓦斯包”時,其地應力必然發生變化,只是該假說認為瓦斯在突出中的作用最大。再如地應力主導作用假說認為,地應力對瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體強度及瓦斯運移有較大影響,高應力狀態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,繼而產生煤與瓦斯突出。該假說也承認了瓦斯與地應力的相互作用,只是強調地應力是突出產生的核心主導因素。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、地應力、煤體物理力學性質、頂底板巖性及完整性等因素綜合作用的結果,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生的原因、條件及發生、發展過程開展學術研究。經過前人的大量研究,可以大致將突出機理闡述如下:采掘作業使地應力轉移并集中,繼而使煤體產生損傷→煤體解吸瓦斯使裂紋擴張→高壓瓦斯通過裂隙向低壓側采掘空間排放→高壓瓦斯攜帶煤體向低壓側采掘空間噴出→突出壁產生初始孔洞→孔洞周圍煤體粉化→孔洞周圍煤體產生流變變形→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,學者們的研究手段可分為模型試驗、數值模擬及理論分析三大類,部分學者則采用試驗及數值模擬相結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%,數值模擬占25%,理論分析占9.4%,試驗及數值模擬相結合占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在前期不夠發達(還未進入工程技術模擬),且模型試驗可以更為直觀地還原現場情況,得出待研究的成果。但模型試驗畢竟是按一定比例還原現場,必然會存在尺寸效應,其結果也不能完全還原真實數據。隨著計算機技術的不斷發展,基于理論分析的數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現場實際情況,對參數進行設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。但現場情況復雜多變,并不能通過修正系數而完美復制現場,這必然導致模擬結果與實際情況有一定的出入?；谝陨涎芯渴侄蔚膬炄秉c,少部分學者則采用模型試驗與數值模擬相結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,但可將試驗結果與模擬結果相互驗證,以提高研究成果的可靠度,是一種比較科學合理的研究手段。

3.2 突出影響因素

通過分析國內外學者的研究成果,可以發現對煤與瓦斯突出產生影響的因素主要包括煤體瓦斯、地應力、煤層賦存狀態、煤體物理力學性質、地質構造、頂底板完整性6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,地應力包括自重應力、構造應力及擾動應力,煤層賦存狀態包括煤層厚度、傾角及埋藏深度,煤體物理力學性質包括煤體滲透性、煤化程度及瓦斯吸附/解吸特性,地質構造包括褶皺構造及斷裂構造,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構

通過總結前人的研究成果可以發現,在諸多影響因素中,瓦斯含量及壓力、構造應力、地質構造、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?？梢娧芯繉W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,但幾乎沒有研究學者將眾多影響因素放在一起開展權重分析,僅有少部分學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,突出在構造帶更易發生,且強度更強;相比背斜,向斜構造更易發生煤與瓦斯突出事故。

3.3 存在的不足及展望

國內外學者通過理論分析、模型試驗、數值模擬、現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,取得了非常優秀的成績,但仍存在一些不足之處。

(1) 針對突出機理,學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系,結合敏感性分析找出各因素對突出影響的主次關系,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,通過宏觀現象定性分析突出的啟動、發展、停止階段,而少有學者對微觀現象進行深入分析,相比宏觀研究,微觀分析更能反映突出的發生、發展過程。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) 相比非構造煤,構造煤發生突出的可能性及危險性更強[89],而目前對構造煤的研究相對較少且不夠深入,未能分析構造煤體的孔隙結構,建議今后對構造煤開展宏細觀研究,分析其孔隙結構特征及力學性質,研究其低滲透率的形成機制,完善構造煤瓦斯吸附/解吸性質與孔隙結構的關系。

(4) 低參數條件下也時有發生煤與瓦斯突出事故[90],這種條件下的發生條件及判別依據尚不明確,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條件、突出條件以及宏觀判別依據,不可忽視低參數條件下的突出事故。

(5) 對深部煤層開采利用產生煤與瓦斯突出的研究較少。根據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,地應力、溫度、瓦斯含量及壓力也會增加,且地質情況更加復雜,發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 結論

(1) 針對煤與瓦斯突出機理,國內外學者對綜合作用假說更加認可,在此基礎上對突出機理的研究更多、更深入,認為突出是煤體內高壓瓦斯、地應力、煤體本身物理力學性質、頂底板完整性等因素綜合作用的結果。

(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)、地應力、煤層賦存狀態(煤層埋深及厚度)、煤體物理力學性質(煤體解吸能力、滲透力及煤化程度)、地質構造(褶皺構造及斷裂構造)、頂底板完整性。其中突出強度隨著瓦斯含量及壓力、地應力、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;突出在構造帶更易發生,且強度更強;相比背斜,向斜構造更易發生煤與瓦斯突出事故。