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石門揭煤過程煤與瓦斯延時(shí)突出機(jī)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(lái)源： 1．湖南科技大學(xué) 2．煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年08月30日
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第17卷第4期
2008年4月
中 國(guó) 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(shí)突出
機(jī)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(xué)，湖南湘潭411201；2．煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，
湖南湘潭411201；3． 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 江蘇徐州221OO8)
摘要：本文在綜述煤與瓦斯突出機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了石門揭煤過程中，巷道煤與瓦斯延時(shí)突出
機(jī)理及其影響因素，并闡述了各種因素在延時(shí)突出中的作用。從煤巖體流變方面，闡述了延時(shí)突出的產(chǎn)
生和停止的原因，并從空間和時(shí)間的角度，對(duì)石門揭煤過程中巷道煤與瓦斯延時(shí)突出整個(gè)過程進(jìn)行了詳
細(xì)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(shí)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(chǔ)和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：石門揭煤；延時(shí)突出；流變；影響因素
中圖分類號(hào)：TD713 、1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(qiáng)度大、波及范圍廣，而且發(fā)生概率
大，國(guó)內(nèi)外最大的突出均發(fā)生在石門揭煤時(shí)，所以
它的危險(xiǎn)性最大。石門揭煤時(shí)的突出，特別是石門
揭煤延時(shí)突出，造成嚴(yán)重破壞，致使揭煤工期長(zhǎng)、
收稿日期：2007—12—11
基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50674047，50534090，
50574093)； 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2005cb221506)； 國(guó)家科
技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAK03B0403)資助
作者簡(jiǎn)介：葉青(1975一)，男，江西鷹潭人，講師。
成本高，嚴(yán)重影響了礦井和采區(qū)的順利接替，嚴(yán)重
威脅著礦井安全生產(chǎn)，因此它一直是防突研究的重
點(diǎn)?？偟目磥?lái)，我國(guó)在石門揭煤過程中一直存在兩
大難題：一個(gè)是傳統(tǒng)揭煤技術(shù)側(cè)重于安全角度，而
導(dǎo)致揭煤速度慢、揭煤時(shí)間長(zhǎng)；另一個(gè)是預(yù)測(cè)準(zhǔn)確
性不高、防突措施不到位，而導(dǎo)致安全性不夠。研
究石門揭煤過程中煤與瓦斯延時(shí)突出機(jī)理及其影響
因素的目的，就是在于認(rèn)識(shí)它發(fā)生的規(guī)律性，最終
采取預(yù)防延時(shí)突出措施。因此，對(duì)石門揭煤過程煤
與瓦斯延時(shí)突出機(jī)理及其影響因素分析，是研究技
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84 中國(guó)礦業(yè) 第17卷
術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的快速安全揭煤技術(shù)的理論根據(jù)
和技術(shù)基礎(chǔ)。
1 煤與瓦斯延時(shí)突出機(jī)理分析
根據(jù)煤與瓦斯突出機(jī)理的假說 ]，揭露煤體
后或在煤層中進(jìn)行采掘工作是否會(huì)發(fā)生突出，主要
取決于煤層內(nèi)儲(chǔ)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(qiáng)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(huì)發(fā)生突出。如果受外界因素影
響，如支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)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(chǔ)存能的釋放；同時(shí)垮落后又破壞了煤層的完整
性，降低了煤層中煤體的強(qiáng)度，導(dǎo)致突出發(fā)生，這
就是延時(shí)突出，揭露煤層后至高冒垮落引起突出前
這段時(shí)間即為延時(shí)。所以煤與瓦斯延時(shí)突出具有以
下特征：延時(shí)時(shí)間不定，最短的幾分鐘，最長(zhǎng)的幾
天；突出臨界指標(biāo)偏低；部分延時(shí)突出預(yù)兆不明
顯；延時(shí)突出對(duì)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(cái)產(chǎn)損失。
從以上分析可以看出，煤與瓦斯延時(shí)突出有
兩種情況：一是巷道進(jìn)入煤體或揭露煤體后，當(dāng)時(shí)
未發(fā)生突出，在無(wú)外界因素影響的前提下，經(jīng)過一
段時(shí)間后再發(fā)生突出，其間隔時(shí)間不定，又無(wú)一定
規(guī)律，且無(wú)法預(yù)測(cè)是否突出；二是巷道進(jìn)入煤體或
揭露煤體后，當(dāng)時(shí)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(shí)間后， 由于外
界因素的影響，破壞了這個(gè)新的平衡狀態(tài)而導(dǎo)致突
出。第一種情況時(shí)，其突出機(jī)理確實(shí)極為復(fù)雜，現(xiàn)
有關(guān)突出機(jī)理的種種假說都難以解釋，防治這類突
出發(fā)生的確是無(wú)從人手，屬一種不可抗拒的自然災(zāi)
害。第二種情況時(shí)，只要巷道進(jìn)入煤體或石門揭露
煤體前采取預(yù)防措施，之后及時(shí)支護(hù)，借助于支護(hù)
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(shí)突出是完全可以防
治的。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中，煤與瓦斯延時(shí)突出往往
屬于第二種情況。
2 煤與瓦斯延時(shí)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(fù)
雜，既包括各種地質(zhì)因素，又包括各種非地質(zhì)因
素。總的來(lái)說，影響因素主要包括四個(gè)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(dǎo)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(duì)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(yīng)力條件。地應(yīng)力由巖層自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)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(dòng)激發(fā)、支護(hù)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(chǔ)，礦區(qū)或煤
層所處的地應(yīng)力狀態(tài)則是發(fā)生煤與瓦斯突出的動(dòng)力
條件，爆破及外界擾動(dòng)激發(fā)等工程因素則是煤與瓦
斯突出的誘導(dǎo)條件，而巷道支護(hù)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(xiǎn)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(shí)突出，也是突
出，所以煤與瓦斯延時(shí)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(shí)突出分析
(1)石門揭煤延時(shí)突出流變分析
煤與瓦斯延時(shí)突出的顯著特點(diǎn)是它的延時(shí)性。
大量實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)突出的延時(shí)性與
含瓦斯煤巖的流變特性有關(guān)。由流變?cè)囼?yàn)結(jié)果可
知，煤體產(chǎn)生流變現(xiàn)象是有條件的，只有當(dāng)施加的
應(yīng)力大于并接近它的臨界值時(shí)，流變現(xiàn)象才能顯現(xiàn)
出來(lái)。當(dāng)應(yīng)力小于或遠(yuǎn)大于它的臨界值時(shí)，流變現(xiàn)
象將不會(huì)發(fā)生。煤巖類材料流變的特性，按時(shí)間順
序可劃分為三個(gè)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(diǎn)
是煤體將迅速地發(fā)生破壞。具有突出危險(xiǎn)的軟煤強(qiáng)
度很低，而發(fā)生突出的地點(diǎn)地應(yīng)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(gè)小時(shí)以上
的延時(shí)破壞現(xiàn)象 ]。
(2)石門揭煤延時(shí)突出能量分析
在地應(yīng)力的作用下，煤層積蓄了相當(dāng)大的儲(chǔ)存
能。在應(yīng)力狀態(tài)變化時(shí)，釋放出來(lái)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(xué)性質(zhì)。
從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，只有釋放的能量達(dá)到使煤體破
碎的某一最小能量時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出。煤
層的儲(chǔ)存能和圍巖的動(dòng)能，是煤體狀態(tài)改變或完全
破碎的能量源泉。在巷道推進(jìn)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(shí)突出機(jī)理及其影響因素分析 85
煤層中硬包裹體的破碎，煤層應(yīng)力狀態(tài)可能突然改
變，它可以引起煤中儲(chǔ)存能的大量釋放，突然釋放
的大量?jī)?chǔ)存能可轉(zhuǎn)化為煤體的破碎功和移動(dòng)功，導(dǎo)
致了延時(shí)突出的發(fā)生。
(3)石門揭煤延時(shí)突出全過程分析
在石門揭煤時(shí)，如果掘進(jìn)工作面距煤層較遠(yuǎn)，
由于巖石體的強(qiáng)度較高，以致前方的煤層也難以向
外變形，這時(shí)的應(yīng)力分布與均質(zhì)巖石體的應(yīng)力分布
幾乎是一樣的。當(dāng)掘進(jìn)工作面接近煤層時(shí)，前方巖
體逐漸變薄，應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)向煤層的煤體上，煤層承
受不了這樣大的應(yīng)力，便推動(dòng)巖體變形，這樣應(yīng)力
便集中在這個(gè)逐漸變薄的巖體上。隨著掘進(jìn)工作的
進(jìn)行，巖體越薄，其上集中的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力
就越大，薄巖體發(fā)生加速流變直到這個(gè)薄巖體被破
壞，這樣具有突出危險(xiǎn)的煤層突然暴露， 以致發(fā)生
突出，而此時(shí)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(shí)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(xiǎn)的煤體不
能暴露，也不會(huì)發(fā)生突出。如果石門揭煤后，不能
及時(shí)支護(hù)，巷道周圍的部分破碎帶就會(huì)在地應(yīng)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(dǎo)致具有突出危險(xiǎn)的煤層突然暴
露，就會(huì)發(fā)生延時(shí)突出 ]。由此可以看出，延時(shí)是
由于具有突出危險(xiǎn)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(xiǎn)，所以在突出指標(biāo)預(yù)測(cè)時(shí)，煤層中的瓦斯含量及
瓦斯內(nèi)能較小，從而導(dǎo)致所測(cè)的突出指標(biāo)偏低。當(dāng)
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(jìn)入流變階段，在集中應(yīng)力作用下，從穩(wěn)定
流變階段進(jìn)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(yīng)力，使瓦斯內(nèi)能聚積達(dá)到足以沖垮
并拋出煤體時(shí)，延時(shí)突出便隨即發(fā)生，當(dāng)以上兩個(gè)
條件都不滿足時(shí)，就不會(huì)發(fā)生煤與瓦斯的延時(shí)突
出。
4 結(jié)論
(1)煤與瓦斯延時(shí)突出的影響因素非常多，
也非常復(fù)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(shí)間
很短，過程非常復(fù)雜， 以致對(duì)其機(jī)理的認(rèn)識(shí)還存在
分歧，對(duì)各種突出現(xiàn)象不能進(jìn)行全面準(zhǔn)確地解釋，
所以需要進(jìn)行深入研究。
(2)煤與瓦斯延時(shí)突出，是由地應(yīng)力、煤體
中的瓦斯、煤的物理力學(xué)性質(zhì)及工程因素等因素綜
合作用產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象。前兩因素是發(fā)動(dòng)突出的動(dòng)
力，后者是阻礙突出的阻力。當(dāng)動(dòng)力大于阻力時(shí)，
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(shí)突出發(fā)生的主要原因之一；石門揭煤體后的延時(shí)
突出原因，是具有突出危險(xiǎn)的煤體未能及時(shí)支護(hù)，
逐漸破壞后發(fā)生冒落，導(dǎo)致具有突出危險(xiǎn)的煤層突
然暴露造成的。
(4)煤與瓦斯延時(shí)突出，不但與卸壓區(qū)、應(yīng)
力集中區(qū)的強(qiáng)度、長(zhǎng)度有關(guān)，而且與作用在煤體上
的應(yīng)力峰值和瓦斯壓力等因素有關(guān)。
(5)研究突出機(jī)理及其影響因素的目的，在
于認(rèn)識(shí)突出發(fā)生的規(guī)律性，最終防治突出。因此，
在進(jìn)一步研究延時(shí)突出機(jī)理及其發(fā)生條件中，應(yīng)加
強(qiáng)定量研究，加強(qiáng)對(duì)突出過程物理特征的研究，為
認(rèn)識(shí)延時(shí)突出機(jī)理、監(jiān)測(cè)和防治提供理論基礎(chǔ)。
—■■
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