瓦斯的噴出和突出

1、第四章第四章 瓦斯的噴出和突出瓦斯的噴出和突出山東科技大學山東科技大學4 1煤煤(巖巖)與瓦斯突出概況與瓦斯突出概況 煤礦地下來掘過程中，在很歷時間煤礦地下來掘過程中，在很歷時間( (數(shù)分鐘數(shù)分鐘) )內(nèi)，從煤內(nèi)，從煤( (巖巖) )壁內(nèi)部向采掘工作空間突然噴川照壁內(nèi)部向采掘工作空間突然噴川照( (巖巖) )和瓦斯的現(xiàn)象，和瓦斯的現(xiàn)象，人們稱為煤人們稱為煤( (肖肖) )與瓦斯突出，簡稱與瓦斯突出，簡稱瓦斯突出或突出瓦斯突出或突出。 它是一種伴有聲響和猛烈力能效應的動力現(xiàn)象，它能摧它是一種伴有聲響和猛烈力能效應的動力現(xiàn)象，它能摧毀井巷設施、破壞礦井通風系統(tǒng)使井巷充滿瓦斯和煤毀井巷設施、破壞礦井

2、通風系統(tǒng)使井巷充滿瓦斯和煤( (巖巖) )拋拋出物，能造成人員窒息、煤流埋入，甚至可能引起瓦斯爆炸出物，能造成人員窒息、煤流埋入，甚至可能引起瓦斯爆炸與火災事故，導致生產(chǎn)中斷等，因此它是煤礦最嚴重的災害與火災事故，導致生產(chǎn)中斷等，因此它是煤礦最嚴重的災害之一。之一。 4 24 2礦井瓦斯突出的分類及其一般規(guī)律礦井瓦斯突出的分類及其一般規(guī)律v4.2.1 4.2.1 煤煤( (巖巖) )瓦斯突出的分類及其危險程度的劃分瓦斯突出的分類及其危險程度的劃分 人們把礦井中有瓦斯參與拋出煤巖的現(xiàn)象稱為人們把礦井中有瓦斯參與拋出煤巖的現(xiàn)象稱為煤煤( (巖巖) )瓦斯突瓦斯突出出，它包括，它包括v 煤與瓦斯突出

3、煤與瓦斯突出( (簡稱突出簡稱突出) )；v 煤體壓出并伴隨大量瓦斯涌出煤體壓出并伴隨大量瓦斯涌出( (簡稱壓出簡稱壓出) )；v 煤體傾出稱傾出煤體傾出稱傾出) )；v 巖石與瓦斯突出等巖石與瓦斯突出等 根據(jù)煤根據(jù)煤( (巖巖) )瓦斯突出的動力現(xiàn)象的力危險程度的不同，可分瓦斯突出的動力現(xiàn)象的力危險程度的不同，可分別進行分類。別進行分類。1)1)按動力現(xiàn)象的力學按動力現(xiàn)象的力學( (能源能源) )特征分類特征分類 根據(jù)動力現(xiàn)象的力學根據(jù)動力現(xiàn)象的力學(能源能源)特征不同可分為特征不同可分為突出、壓出與傾突出、壓出與傾出三類，出三類，各類動力現(xiàn)象的特征及其鑒別指標見表各類動力現(xiàn)象的特征及其鑒別

4、指標見表421。v發(fā)動突出的主要作用力發(fā)動突出的主要作用力是地應力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通是地應力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通常以地應力為主，瓦斯壓力為輔重力不起決定作用。常以地應力為主，瓦斯壓力為輔重力不起決定作用。v實現(xiàn)突出的基本能源實現(xiàn)突出的基本能源是煤內(nèi)積蓄的高壓瓦斯?jié)撃?、因此突出是煤?nèi)積蓄的高壓瓦斯?jié)撃?、因此突出的各基本特征也絳于此。的各基本特征也絳于此。 v發(fā)動與實現(xiàn)壓出的主要作用力發(fā)動與實現(xiàn)壓出的主要作用力是地應力，瓦斯壓力與煤的自是地應力，瓦斯壓力與煤的自重是次要因素重是次要因素v壓出的基本能源壓出的基本能源是煤巖所積蓄的彈性變形能。是煤巖所積蓄的彈性變形能。 這就構成了壓出的各主

5、要特征。這就構成了壓出的各主要特征。v發(fā)動傾出的主要因素發(fā)動傾出的主要因素是地應力、即結構松軟、含有瓦斯致使是地應力、即結構松軟、含有瓦斯致使內(nèi)聚力降低的煤，在較高地應力作用下，突然破壞、失去平內(nèi)聚力降低的煤，在較高地應力作用下，突然破壞、失去平衡，為其位能的釋放創(chuàng)造了條件。衡，為其位能的釋放創(chuàng)造了條件。v實現(xiàn)傾出的主要力實現(xiàn)傾出的主要力是失穩(wěn)煤的自重，因此，呈現(xiàn)出傾出的各是失穩(wěn)煤的自重，因此，呈現(xiàn)出傾出的各主要特征。主要特征。2)2)按動力現(xiàn)象的強度分類按動力現(xiàn)象的強度分類 強度強度是指每次動力現(xiàn)象拋出的煤是指每次動力現(xiàn)象拋出的煤( (巖巖) )的數(shù)量的數(shù)量( (以以t t或或mm為單為單位

6、位) )和瓦斯量和瓦斯量( (以以mm為單位為單位) )。 由于在動力現(xiàn)象發(fā)生過程中瓦斯量的計量工作尚存在一些技由于在動力現(xiàn)象發(fā)生過程中瓦斯量的計量工作尚存在一些技術問題術問題( (如自動記錄儀表，統(tǒng)一計算標準等如自動記錄儀表，統(tǒng)一計算標準等) )，現(xiàn)在分類主要，現(xiàn)在分類主要依據(jù)拋出的煤依據(jù)拋出的煤( (巖巖) )重量，據(jù)此可分為；重量，據(jù)此可分為；v小型突出：小型突出：強度強度50t50t次次( (突出后，經(jīng)過幾十分鐘瓦斯?jié)舛韧怀龊?，?jīng)過幾十分鐘瓦斯?jié)舛瓤苫謴驼？苫謴驼? )；v中型突出：中型突出：強度強度5050一一99t99t次次( (突出后，經(jīng)過一個工作班以上突出后，經(jīng)過一個工作班

7、以上瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼Ｍ咚節(jié)舛瓤芍鸩交謴驼? )v次大型突出：次大型突出：強度強度100一一499t次次(突出后，經(jīng)過一天以上瓦突出后，經(jīng)過一天以上瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼Ｋ節(jié)舛瓤芍鸩交謴驼?；v大型突出：大型突出：強度強度500一一999?次次(突出后，經(jīng)過幾天回風系突出后，經(jīng)過幾天回風系統(tǒng)瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼＝y(tǒng)瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼?；v 特大型突出：特大型突出：強度強度1000t次次(突出后，經(jīng)過長時間誹放瓦突出后，經(jīng)過長時間誹放瓦斯，回風系統(tǒng)瓦斯?jié)舛炔呕炙?，回風系統(tǒng)瓦斯?jié)舛炔呕?復正常復正常)。3)突出危險程度的劃分突出危險程度的劃分 根據(jù)根據(jù)防治煤與瓦斯突出細則防治煤與瓦斯突

8、出細則(以下簡稱以下簡稱防突細則防突細則)(煤煤炭工業(yè)部炭工業(yè)部1995年制定年制定)對于突出危險程度的劃分規(guī)定如下：對于突出危險程度的劃分規(guī)定如下：v (1)突出礦井與突出煤層突出礦井與突出煤層：礦井在采掘過程中只要發(fā)生過一礦井在采掘過程中只要發(fā)生過一次煤與瓦斯突出。該礦井即定為突出礦井，發(fā)生突出的煤層次煤與瓦斯突出。該礦井即定為突出礦井，發(fā)生突出的煤層即定為突出煤層。即定為突出煤層。v (2)突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)和元突出危險區(qū)：突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)和元突出危險區(qū)：突出煤層經(jīng)突出煤層經(jīng)區(qū)域預測可劃分為突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)印元突出危險區(qū)。區(qū)域預測可劃分為突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)印元突出危險

9、區(qū)。v (3)突出危險工作面與無突出危險工作面：突出危險工作面與無突出危險工作面：在突出危險區(qū)在突出危險區(qū)內(nèi)工作面進行采掘作業(yè)前應進行工作面預測。采掘工作內(nèi)工作面進行采掘作業(yè)前應進行工作面預測。采掘工作面經(jīng)預測后，可劃分為突出危險工作面和無突出危險工作面。面經(jīng)預測后，可劃分為突出危險工作面和無突出危險工作面。v 422 煤與瓦斯突出發(fā)生的一般規(guī)律煤與瓦斯突出發(fā)生的一般規(guī)律 根據(jù)我國主要突出礦區(qū)如天府、南桐、里王廟、焦作、六枝根據(jù)我國主要突出礦區(qū)如天府、南桐、里王廟、焦作、六枝等的統(tǒng)計資料表明突出發(fā)生的一般規(guī)律有：等的統(tǒng)計資料表明突出發(fā)生的一般規(guī)律有：v 1)突出發(fā)生在一定的深度上見表突出發(fā)生在

10、一定的深度上見表422。開始發(fā)生突出。開始發(fā)生突出的最淺深度稱為始突深度、一般它比瓦斯風比帶的深度探一的最淺深度稱為始突深度、一般它比瓦斯風比帶的深度探一倍以上。隨著深度的增加突出的危險性增高，這表現(xiàn)突出倍以上。隨著深度的增加突出的危險性增高，這表現(xiàn)突出的次數(shù)增多、突出的強度增大、突出煤層數(shù)增加、突出危險的次數(shù)增多、突出的強度增大、突出煤層數(shù)增加、突出危險區(qū)域擴大區(qū)域擴大(從點突出發(fā)展到多點突出甚至再發(fā)展到幾乎點點突從點突出發(fā)展到多點突出甚至再發(fā)展到幾乎點點突出出)。始突深度標志著突出需要起碼的地應力與瓦斯壓力。始突深度標志著突出需要起碼的地應力與瓦斯壓力。v 2)突出的次數(shù)和強度隨著煤層厚度

11、持別是軟分層的厚度的增突出的次數(shù)和強度隨著煤層厚度持別是軟分層的厚度的增加而增多。突出最嚴重的煤層一般是最厚的主采煤層。因此加而增多。突出最嚴重的煤層一般是最厚的主采煤層。因此突出對礦井的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益有重大影響。突出對礦井的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益有重大影響。v 3)突出的氣體種類主要是甲烷，個別礦井突出的氣體種類主要是甲烷，個別礦井(吉林營城、甘肅吉林營城、甘肅窯街窯街)突出二氧化碳突出煤層的瓦斯含量、開采時的相對瓦突出二氧化碳突出煤層的瓦斯含量、開采時的相對瓦斯涌出量都在斯涌出量都在I o m八以上，即突出都發(fā)生在高瓦斯礦井內(nèi)。八以上，即突出都發(fā)生在高瓦斯礦井內(nèi)。 同一煤層，其瓦斯壓力越高

12、，突出危險性越大。發(fā)生突出的同一煤層，其瓦斯壓力越高，突出危險性越大。發(fā)生突出的瓦斯壓力最小值可用以下統(tǒng)計公式估算：瓦斯壓力最小值可用以下統(tǒng)計公式估算： AminA01十十BVf) (4-21) 式中式中 vAmin煤層發(fā)生突出瓦斯壓力是小值，煤層發(fā)生突出瓦斯壓力是小值，MPa；v f一軟煤分層的堅固性系數(shù)；一軟煤分層的堅固性系數(shù)；v v軟煤分層的揮發(fā)分含量，軟煤分層的揮發(fā)分含量，v A.B一統(tǒng)計常數(shù)據(jù)我國一統(tǒng)計常數(shù)據(jù)我國26個礦井始突深度位置的統(tǒng)計資料，個礦井始突深度位置的統(tǒng)計資料，A5，jo017v 4)突出煤層的持點是煤的力學強度低突出煤層的持點是煤的力學強度低(fo8)而且變化大；而且

13、變化大；透氣性差透氣性差(透氣性系數(shù)透氣性系數(shù)10 m“MPa2d)；瓦斯放散初速；瓦斯放散初速度高度高p15)；濕度小；層理紊亂、遭受過地質(zhì)構造力嚴重破；濕度小；層理紊亂、遭受過地質(zhì)構造力嚴重破壞的壞的“構造煤構造煤”。v 5)突出危險區(qū)呈帶狀分布這是因為影響突出的主要因素突出危險區(qū)呈帶狀分布這是因為影響突出的主要因素受地質(zhì)構造控制的緣故、而地質(zhì)構造具有帶狀分布的特征。受地質(zhì)構造控制的緣故、而地質(zhì)構造具有帶狀分布的特征。向斜軸部地區(qū)、向斜構造中局部隆起地區(qū)、向斜油部與斷層向斜軸部地區(qū)、向斜構造中局部隆起地區(qū)、向斜油部與斷層或沼曲交匯地區(qū)、火成巖侵入形成交質(zhì)煤與非變質(zhì)煤交混或或沼曲交匯地區(qū)、火

14、成巖侵入形成交質(zhì)煤與非變質(zhì)煤交混或鄰近地區(qū)、煤層扭轉地區(qū)、煤層傾角驟變、走向拐彎、變厚鄰近地區(qū)、煤層扭轉地區(qū)、煤層傾角驟變、走向拐彎、變厚持別是軟分層變厚地區(qū)，壓性、壓扭性斷層地帶、煤層構造持別是軟分層變厚地區(qū)，壓性、壓扭性斷層地帶、煤層構造分岔、項、底板階梯狀凸起地區(qū)等都是突出點密集地區(qū)，也分岔、項、底板階梯狀凸起地區(qū)等都是突出點密集地區(qū)，也是大型甚至特大型突出地區(qū)。是大型甚至特大型突出地區(qū)。v7)7)采掘工作往往可激發(fā)突出，持別是落煤與震動作業(yè)，不采掘工作往往可激發(fā)突出，持別是落煤與震動作業(yè)，不僅可引起應力狀態(tài)的變化而且可使動載荷作用在新暴露僅可引起應力狀態(tài)的變化而且可使動載荷作用在新暴露

15、煤體上造成煤的突然破碎。例如，據(jù)我國煤體上造成煤的突然破碎。例如，據(jù)我國77657765次突出的統(tǒng)次突出的統(tǒng)計資料，放炮計資料，放炮5g5g起的突出為起的突出為42434243次，占次，占5555；打鉆；打鉆55起的起的突出為突出為197197次，占次，占2 25 5；風動工具引起的突出；風動工具引起的突出602602次占次占7 78 8；手鎬作業(yè)的突出為；手鎬作業(yè)的突出為979979次。占次。占12126 6；水力落煤；水力落煤的突出的突出111111次，占次，占1 14 4；機組采煤的突出；機組采煤的突出6262次，占次，占o o，8 8( (以上落煤作業(yè)總計達以上落煤作業(yè)總計達61946

16、194次，占次，占8080) )；作；作! !貶情況記錄不貶情況記錄不祥的的突出祥的的突出I 338I 338次，占次，占17172 2；其他作業(yè)的突出；其他作業(yè)的突出177177次、次、占占2 23 3；突出前沒有作業(yè)的僅；突出前沒有作業(yè)的僅5656次占次占o o7 7。其中放。其中放炮誘導突出作用最強因為它既有炮誘導突出作用最強因為它既有“探捐探捐”停用、又產(chǎn)生停用、又產(chǎn)生較大的震動作用。前者使內(nèi)部煤體突然解除約束，變?yōu)楸磔^大的震動作用。前者使內(nèi)部煤體突然解除約束，變?yōu)楸砻鏍顟B(tài)，導致其破碎；后者的動應力與靜應力疊加，故加面狀態(tài)，導致其破碎；后者的動應力與靜應力疊加，故加重其破碎，引起的突出

17、強度大大增加。重其破碎，引起的突出強度大大增加。由此可見，采掘作由此可見，采掘作業(yè)引起煤體的應力狀態(tài)變化越劇烈，突出強度就可能越大。業(yè)引起煤體的應力狀態(tài)變化越劇烈，突出強度就可能越大。v 6)6)受煤自重影響，由上前方向巷道方向的突出占大多數(shù)，從受煤自重影響，由上前方向巷道方向的突出占大多數(shù)，從 下方向巷道的突出為數(shù)極少。突出的次數(shù)有隨著煤層傾角增大下方向巷道的突出為數(shù)極少。突出的次數(shù)有隨著煤層傾角增大 而增多的趨勢而增多的趨勢v(8)(8)絕大多數(shù)突出都有預兆。它是突出準備階段的外部表現(xiàn)。絕大多數(shù)突出都有預兆。它是突出準備階段的外部表現(xiàn)。預兆大體可分為三個方面：地壓顯現(xiàn)方面的預兆有，煤炮聲、

18、預兆大體可分為三個方面：地壓顯現(xiàn)方面的預兆有，煤炮聲、支架聲響、掉昨、巖煤開裂、底鼓、巖與煤自行剝落、煤壁支架聲響、掉昨、巖煤開裂、底鼓、巖與煤自行剝落、煤壁外鼓、來壓、煤壁顫動、鉆孔變形、垮孔頂鉆、夾鉆桿、鉆外鼓、來壓、煤壁顫動、鉆孔變形、垮孔頂鉆、夾鉆桿、鉆粉量增大、鉆機過負荷等。瓦斯涌出方面的預兆有，瓦斯涌粉量增大、鉆機過負荷等。瓦斯涌出方面的預兆有，瓦斯涌出異常、瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?、煤塵增大、氣溫與氣味異常、出異常、瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?、煤塵增大、氣溫與氣味異常、打鉆噴瓦斯、噴煤、哨聲、蜂鳴聲等。煤力學性能與結構方打鉆噴瓦斯、噴煤、哨聲、蜂鳴聲等。煤力學性能與結構方面的預兆有，層理紊亂、煤強

19、度松軟或軟硬不均、煤暗淡無面的預兆有，層理紊亂、煤強度松軟或軟硬不均、煤暗淡無光澤、煤厚變化大、傾角變陡、波狀隆起、格曲、頂、底板光澤、煤厚變化大、傾角變陡、波狀隆起、格曲、頂、底板階狀凸起、斷層、煤干燥等等。例如，據(jù)里王廟煤礦統(tǒng)階狀凸起、斷層、煤干燥等等。例如，據(jù)里王廟煤礦統(tǒng)計在計在6161次突出中，僅發(fā)現(xiàn)瓦斯與地壓預兆次突出中，僅發(fā)現(xiàn)瓦斯與地壓預兆110110次、平均每次、平均每次突出預兆有次突出預兆有2 2種，僅有種，僅有6 6次突出未發(fā)現(xiàn)瓦斯與地壓預兆。在次突出未發(fā)現(xiàn)瓦斯與地壓預兆。在預兆中出現(xiàn)煤炮最多達預兆中出現(xiàn)煤炮最多達5050次，掉砟次，掉砟2020次，底鼓次，底鼓7 7次，其它

20、次，其它地壓預兆地壓預兆1212次。在瓦斯預兆中以瓦斯?jié)舛茸兓A兆最多達次。在瓦斯預兆中以瓦斯?jié)舛茸兓A兆最多達1414次噴瓦斯次噴瓦斯6 6次合計次合計2020次。次。v9)9)突出危險性隨著有硬而厚的圍巖突出危險性隨著有硬而厚的圍巖( (硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖等硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖等) )存在存在而增高。而增高。 v10)10)從巷邁類型與突出危險性的關系上看以石門為最危險，從巷邁類型與突出危險性的關系上看以石門為最危險，見表見表424424。它的平均突出強度都在數(shù)百噸以上，瓦斯噴。它的平均突出強度都在數(shù)百噸以上，瓦斯噴出量超過數(shù)萬立方米，波及范圍廣，易造成非常嚴重的重大出量超過數(shù)萬立方米，波及范圍廣，

21、易造成非常嚴重的重大事故。而且從石門工作面距煤層事故。而且從石門工作面距煤層2m2m起至穿過煤層全厚而進入起至穿過煤層全厚而進入頂板或底板頂板或底板2m2m止，整個揭穿過程都有危險，也曾發(fā)生過僅止，整個揭穿過程都有危險，也曾發(fā)生過僅2m2m厚煤層在石門揭穿過程中突出兩次的實例。厚煤層在石門揭穿過程中突出兩次的實例。4 3 煤與瓦斯突出機理煤與瓦斯突出機理431 煤與瓦斯突出機理研究概況煤與瓦斯突出機理研究概況 煤與瓦斯突出給煤礦煤與瓦斯突出給煤礦安全生產(chǎn)，特別是井下人員的生命財安全生產(chǎn)，特別是井下人員的生命財產(chǎn)安全造成了極其嚴重的威脅。為了防止這類災害事故的發(fā)產(chǎn)安全造成了極其嚴重的威脅。為了防

22、止這類災害事故的發(fā)生，保障煤礦井下安全生產(chǎn)世界上各主要產(chǎn)煤國均投入了生，保障煤礦井下安全生產(chǎn)世界上各主要產(chǎn)煤國均投入了大量納入力、物力研究煤與瓦斯突出機理以便為突出危險大量納入力、物力研究煤與瓦斯突出機理以便為突出危險性預測和防突措施的制定與實施提供科學依據(jù)。但是，迄今性預測和防突措施的制定與實施提供科學依據(jù)。但是，迄今為止，人們對于突出過程中煤巖體破壞與發(fā)展機制的認識還為止，人們對于突出過程中煤巖體破壞與發(fā)展機制的認識還停留在定性與假說性階段，對于突出過程中哪些因素起主要停留在定性與假說性階段，對于突出過程中哪些因素起主要作用以及與其它因素間的作用機理還把握不準，故而只能對作用以及與其它因素

23、間的作用機理還把握不準，故而只能對某些突出現(xiàn)象給予解釋，還不能形成統(tǒng)一完整的理論體系。某些突出現(xiàn)象給予解釋，還不能形成統(tǒng)一完整的理論體系。 目前這些關于煤與瓦斯突出機理的假說，歸納起來主要有如目前這些關于煤與瓦斯突出機理的假說，歸納起來主要有如下幾類：下幾類：4311 單因素作用假說單因素作用假說 v單因素作用假說主要有：瓦斯主導作用假說，地壓主導作單因素作用假說主要有：瓦斯主導作用假說，地壓主導作用假說以及化學本質(zhì)作用假說，而主要特點是強調(diào)單因素用假說以及化學本質(zhì)作用假說，而主要特點是強調(diào)單因素起主導作用。起主導作用。 1)瓦斯主導作用假說：瓦斯主導作用假說：以瓦斯為主導作用的假說。主要有；

24、以瓦斯為主導作用的假說。主要有； “瓦斯包瓦斯包”說說 、粉煤帶說、煤孔隙結構不均勻說、突出波、粉煤帶說、煤孔隙結構不均勻說、突出波說、裂縫堵塞說、閉合空隙瓦斯釋放說、瓦斯膨脹說、卸說、裂縫堵塞說、閉合空隙瓦斯釋放說、瓦斯膨脹說、卸壓瓦斯說、火山瓦斯說、地質(zhì)破壞帶說、瓦斯解吸說壓瓦斯說、火山瓦斯說、地質(zhì)破壞帶說、瓦斯解吸說 2)地壓主導作用假說：地壓主導作用假說：以地壓為主導作用的假說。主要有：以地壓為主導作用的假說。主要有： 巖石變形潛能說、應力集中說、塑性變形說、沖擊式移近巖石變形潛能說、應力集中說、塑性變形說、沖擊式移近說、拉應力波說、應力疊加說、放炮突出說、頂板位移不說、拉應力波說、應

25、力疊加說、放炮突出說、頂板位移不均勻說均勻說 3)化學本質(zhì)作用假說：化學本質(zhì)作用假說：以化學本質(zhì)為作用的假說。主要有：以化學本質(zhì)為作用的假說。主要有： 瓦斯水化物說、地球化學說、硝基化合物說。瓦斯水化物說、地球化學說、硝基化合物說。4312綜合作用假說綜合作用假說 綜合作用假說認為：煤與瓦斯突出是由地應力、包含在煤綜合作用假說認為：煤與瓦斯突出是由地應力、包含在煤體中的瓦斯以及煤體自身物理力學體中的瓦斯以及煤體自身物理力學t質(zhì)三者綜合作用的結質(zhì)三者綜合作用的結果。持綜合作用假說觀點的學者都承認，煤與瓦斯突出是綜果。持綜合作用假說觀點的學者都承認，煤與瓦斯突出是綜合因素作用的結果，但對各種因素在

26、突出中所起的作用卻說合因素作用的結果，但對各種因素在突出中所起的作用卻說法不一。法不一。 例如，法國學者入伯蘭等認為瓦斯因素是主要的；而前蘇聯(lián)例如，法國學者入伯蘭等認為瓦斯因素是主要的；而前蘇聯(lián)學者學者B比霍多持、日本學者肌部俊郎等許多學者則認為地比霍多持、日本學者肌部俊郎等許多學者則認為地應力是主要的，即地應力是發(fā)動突出、發(fā)展突出的主要因素，應力是主要的，即地應力是發(fā)動突出、發(fā)展突出的主要因素，瓦斯是幫助突出發(fā)展的因素。瓦斯是幫助突出發(fā)展的因素。 目前，具有代表性的綜合作用假說主要有：目前，具有代表性的綜合作用假說主要有：振動說、分層分振動說、分層分離說、破壞區(qū)說、游離瓦斯壓力說。離說、破壞

27、區(qū)說、游離瓦斯壓力說。 上述的綜合假說比前面的單向因素的假說大大進了一步，它上述的綜合假說比前面的單向因素的假說大大進了一步，它們能解釋的突出現(xiàn)象也比其它各種單項因素的假說多。但是，們能解釋的突出現(xiàn)象也比其它各種單項因素的假說多。但是，還有其它一些突出現(xiàn)象不能解釋、加：還有其它一些突出現(xiàn)象不能解釋、加：v 1.突出的區(qū)域性分布；突出的區(qū)域性分布；v 2.石門的自行揭開；石門的自行揭開；v 3.過煤門時的大強度突出；過煤門時的大強度突出；v 4.震動放炮揭開煤層時的延期突出；震動放炮揭開煤層時的延期突出；v 5.突出時瓦斯噴出量超過煤層的瓦斯含量幾十倍甚至幾百倍突出時瓦斯噴出量超過煤層的瓦斯含量

28、幾十倍甚至幾百倍 由于煤于瓦斯突出是極其復雜的動力現(xiàn)象，故而對突出機理由于煤于瓦斯突出是極其復雜的動力現(xiàn)象，故而對突出機理的認識目前仍然處于定性綜合作用假說階段，即煤與瓦斯突的認識目前仍然處于定性綜合作用假說階段，即煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)三者綜合作用的結果，出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)三者綜合作用的結果，是聚集在圍巖和媒體中大量潛能的高速釋放，并認為高壓瓦是聚集在圍巖和媒體中大量潛能的高速釋放，并認為高壓瓦斯在突出的發(fā)展過程中起決定性的作用地應力是激發(fā)突出斯在突出的發(fā)展過程中起決定性的作用地應力是激發(fā)突出的因素，而煤的物理力學性質(zhì)則是阻礙突出的因素。的因素，而煤的物

29、理力學性質(zhì)則是阻礙突出的因素。4.3.2 突出的發(fā)展過程及各因轟的作用突出的發(fā)展過程及各因轟的作用4.321 突出的發(fā)展過程突出的發(fā)展過程 突出煤體經(jīng)歷著能量的積聚過程，使之逐漸發(fā)展到臨界破壞突出煤體經(jīng)歷著能量的積聚過程，使之逐漸發(fā)展到臨界破壞甚至過載的脆弱平衡狀態(tài)。突出的發(fā)展過程一般可劃分為四甚至過載的脆弱平衡狀態(tài)。突出的發(fā)展過程一般可劃分為四個階段，即：個階段，即： (1)準備階段準備階段 該階段的特點是：在工作面附近的煤壁內(nèi)形成該階段的特點是：在工作面附近的煤壁內(nèi)形成高的地應力與瓦斯壓力梯度。即在有利的約束條件高的地應力與瓦斯壓力梯度。即在有利的約束條件(石門巖石門巖柱，煤巷的硬煤包裹體

30、柱，煤巷的硬煤包裹體)下，媒內(nèi)地應力梯度急劇增高，能下，媒內(nèi)地應力梯度急劇增高，能夠疊加著各種地應力，形成很高的應力集中，積聚著很大的夠疊加著各種地應力，形成很高的應力集中，積聚著很大的變形能；同時由于孔隙裂隙的壓縮，使瓦斯壓力增高瓦斯變形能；同時由于孔隙裂隙的壓縮，使瓦斯壓力增高瓦斯內(nèi)能也增大。在這個階段，會顯現(xiàn)多種有聲的與無聲的突出內(nèi)能也增大。在這個階段，會顯現(xiàn)多種有聲的與無聲的突出預兆。準備階段的時間可在很大范圍內(nèi)變化，也可在幾秒鐘預兆。準備階段的時間可在很大范圍內(nèi)變化，也可在幾秒鐘內(nèi)完成內(nèi)完成(如在震動放炮或頂板動能沖擊條件下如在震動放炮或頂板動能沖擊條件下)。v (2)激發(fā)階段激發(fā)階

31、段 該階段的特點是地廢力狀態(tài)突然改變，即極該階段的特點是地廢力狀態(tài)突然改變，即極限應力狀態(tài)的部分煤體突然破壞，卸載限應力狀態(tài)的部分煤體突然破壞，卸載(卸壓卸壓)并發(fā)生巨響和并發(fā)生巨響和沖擊；向巷道方向作用的瓦斯壓力的推力由于煤體的破裂，沖擊；向巷道方向作用的瓦斯壓力的推力由于煤體的破裂，頓時增加幾倍到十幾倍，伴隨著裂隙的生成與擴張，膨脹瓦頓時增加幾倍到十幾倍，伴隨著裂隙的生成與擴張，膨脹瓦斯流開始形成大量吸附瓦斯進入解吸過程而參與突出。大斯流開始形成大量吸附瓦斯進入解吸過程而參與突出。大量的突出實例表明，工作面的多種作業(yè)都可以引起應力狀態(tài)量的突出實例表明，工作面的多種作業(yè)都可以引起應力狀態(tài)的突

32、變而激發(fā)突出。例如各種方式的落煤、打眼、刨柱窩、的突變而激發(fā)突出。例如各種方式的落煤、打眼、刨柱窩、修整工作面煤壁等都可以人為激發(fā)突出，而且統(tǒng)計表修整工作面煤壁等都可以人為激發(fā)突出，而且統(tǒng)計表Bj，應，應力狀態(tài)變化越劇烈，突出的強度越大。因此，震動放炮、一力狀態(tài)變化越劇烈，突出的強度越大。因此，震動放炮、一般爆破是員易引發(fā)突出的工序。般爆破是員易引發(fā)突出的工序。v (3)發(fā)展階段發(fā)展階段 該階段具有兩個互相關聯(lián)的特點，一是突出該階段具有兩個互相關聯(lián)的特點，一是突出從激發(fā)點起向內(nèi)部連續(xù)剝離并破碎煤體，二是破碎的煤在不從激發(fā)點起向內(nèi)部連續(xù)剝離并破碎煤體，二是破碎的煤在不斯膨脹的承壓瓦斯風暴中邊運送

33、邊粉碎。前者是在地應力斯膨脹的承壓瓦斯風暴中邊運送邊粉碎。前者是在地應力 與瓦斯壓力共同作用下完成的，后者主要是瓦斯內(nèi)能作功的與瓦斯壓力共同作用下完成的，后者主要是瓦斯內(nèi)能作功的過程。煤的粉化程度、游離瓦斯含量、瓦斯放散初速度、過程。煤的粉化程度、游離瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸的瓦斯量以及突出孔周圍的卸壓瓦斯流，對瓦斯風暴解吸的瓦斯量以及突出孔周圍的卸壓瓦斯流，對瓦斯風暴的形成與發(fā)展起著決定作用。在該階段中媒的剝離與破碎的形成與發(fā)展起著決定作用。在該階段中媒的剝離與破碎不僅具有脈沖的特征面且有時是客輪回的過程。這可以不僅具有脈沖的特征面且有時是客輪回的過程。這可以從突出物的多輪回從突出物的

34、多輪回5B積特征中得到證實，也可以從突出過積特征中得到證實，也可以從突出過程實測記錄中找到依據(jù)。圖程實測記錄中找到依據(jù)。圖431是頓巴斯是頓巴斯“紅十月紅十月”礦礦m：煤層采煤工作面一次突出的震動波圖與突出孔的形成過：煤層采煤工作面一次突出的震動波圖與突出孔的形成過程。突出發(fā)生在倒臺階工作面的一個隅角、這次突出由四程。突出發(fā)生在倒臺階工作面的一個隅角、這次突出由四個輪回組成。如果認為備輪的破碎煤量與該輪的震動波持個輪回組成。如果認為備輪的破碎煤量與該輪的震動波持續(xù)時間成正比、則四個輪回的持續(xù)時間依次為續(xù)時間成正比、則四個輪回的持續(xù)時間依次為28s、64s、5o s和和28s，則備輪的破碎煤量相

35、應為，則備輪的破碎煤量相應為7t、15t、11t和和7t，各輪回之間的間歇時間為，各輪回之間的間歇時間為o一一5s。 造成脈沖與輪回性的原因主要是地應力、瓦斯壓力與煤的強造成脈沖與輪回性的原因主要是地應力、瓦斯壓力與煤的強度的不均勻分布等所致。連續(xù)剝商并破碎煤體以及突出度的不均勻分布等所致。連續(xù)剝商并破碎煤體以及突出7L周周圍的卸壓瓦斯流是產(chǎn)生瓦斯風暴的前提而瓦斯風暴連續(xù)不圍的卸壓瓦斯流是產(chǎn)生瓦斯風暴的前提而瓦斯風暴連續(xù)不斷地把破碎的煤及時運走，是使剝商與破碎媒體連續(xù)向內(nèi)部斷地把破碎的煤及時運走，是使剝商與破碎媒體連續(xù)向內(nèi)部發(fā)展的必要條件，因為這樣才能使突出孔壁近處煤體?？嬷l(fā)展的必要條件，因

36、為這樣才能使突出孔壁近處煤體?？嬷粋€較高的地應力梯度和瓦斯壓力梯度。一個較高的地應力梯度和瓦斯壓力梯度。v (4)終止階段終止階段 突出的終止有以下兩種情況：突出的終止有以下兩種情況：v一是在剝離和破碎媒體的擴展中遇到了較硬的煤體或地應力一是在剝離和破碎媒體的擴展中遇到了較硬的煤體或地應力與瓦斯壓力降低不足以破壞媒體；與瓦斯壓力降低不足以破壞媒體；v二是突出二是突出ZL道被堵塞其道被堵塞其ZL壁由突出物支撐建立起新的供壁由突出物支撐建立起新的供平衡或孔洞瓦斯壓力因其被堵塞而升高、地應力與瓦斯壓力平衡或孔洞瓦斯壓力因其被堵塞而升高、地應力與瓦斯壓力梯度不足以別離和破碎煤體。梯度不足以別離和破碎

37、煤體。但是，這時突出雖然停止了，而突出孔周圍的卸壓區(qū)與突出的但是，這時突出雖然停止了，而突出孔周圍的卸壓區(qū)與突出的煤涌出瓦斯的過程并沒有停止，異常的瓦斯涌出還要持續(xù)相當煤涌出瓦斯的過程并沒有停止，異常的瓦斯涌出還要持續(xù)相當長時間。長時間。 43. 22 突出發(fā)展過程中各因素的作用突出發(fā)展過程中各因素的作用 地應力、瓦斯壓力和煤強度在突出過程中各個階段所起地應力、瓦斯壓力和煤強度在突出過程中各個階段所起的作用可以是不同的。在通常情況下，突出的激發(fā)階段，破的作用可以是不同的。在通常情況下，突出的激發(fā)階段，破碎煤體的主導力是地應力碎煤體的主導力是地應力(包括重力應力、地質(zhì)構造應力、包括重力應力、地質(zhì)

38、構造應力、采動引起的集中應力以及煤吸附瓦斯引起的附加應力等采動引起的集中應力以及煤吸附瓦斯引起的附加應力等)。因為地應力的大小，通常比瓦斯壓力高幾倍；而在突出的發(fā)因為地應力的大小，通常比瓦斯壓力高幾倍；而在突出的發(fā)展階段，剝離媒體靠地應力與瓦斯壓力的聯(lián)合作用，運送與展階段，剝離媒體靠地應力與瓦斯壓力的聯(lián)合作用，運送與粉碎煤炭是靠瓦斯內(nèi)能。粉碎煤炭是靠瓦斯內(nèi)能。 根據(jù)對若干典型突出實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算。在突出根據(jù)對若干典型突出實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算。在突出過程中瓦斯提供的能量比地應力彈性能高過程中瓦斯提供的能量比地應力彈性能高36借以上。壓出借以上。壓出和傾出時煤體的最初破碎的主導力也是地應力

39、。在極少數(shù)突和傾出時煤體的最初破碎的主導力也是地應力。在極少數(shù)突出實例中也可以看到瓦斯壓力為主導力發(fā)動突出的現(xiàn)象，這出實例中也可以看到瓦斯壓力為主導力發(fā)動突出的現(xiàn)象，這時需要很大的瓦斯壓力梯度與非常低的煤強度。時需要很大的瓦斯壓力梯度與非常低的煤強度。 突出煤的重要力學特征是強度低和具有揉皺破碎結構、即所突出煤的重要力學特征是強度低和具有揉皺破碎結構、即所謂謂“構造煤構造煤”。這種煤處于約束狀態(tài)時可以儲存較高的能量，。這種煤處于約束狀態(tài)時可以儲存較高的能量，并使透氣性銳減形成危險的瓦斯壓力梯度；而當處于表而狀并使透氣性銳減形成危險的瓦斯壓力梯度；而當處于表而狀態(tài)時，它極易破壞粉碎，放散瓦斯的韌

40、速度高、釋放能量的態(tài)時，它極易破壞粉碎，放散瓦斯的韌速度高、釋放能量的功率大因此當應力狀態(tài)突然改變或者從約束狀態(tài)突然變?yōu)楣β蚀笠虼水攽顟B(tài)突然改變或者從約束狀態(tài)突然變?yōu)楸砻鏍顟B(tài)時容易激發(fā)突出。表面狀態(tài)時容易激發(fā)突出。 地壓力在突出過程中的主要作用有三：地壓力在突出過程中的主要作用有三：u 一是激發(fā)突出；一是激發(fā)突出；u 二是在發(fā)展階段中與瓦斯壓力梯度聯(lián)合作用對煤體進行剝二是在發(fā)展階段中與瓦斯壓力梯度聯(lián)合作用對煤體進行剝 離、破碎；離、破碎；u 三是影吶媒體內(nèi)部裂隙系統(tǒng)的閉合程度稿生成新的裂隙、三是影吶媒體內(nèi)部裂隙系統(tǒng)的閉合程度稿生成新的裂隙、控制著瓦斯的流動、卸壓瓦斯流和瓦斯解吸過程，當煤體

41、突然控制著瓦斯的流動、卸壓瓦斯流和瓦斯解吸過程，當煤體突然破壞時，伴隨著卸壓過程、新舊裂隙系統(tǒng)連通起來并處于開放破壞時，伴隨著卸壓過程、新舊裂隙系統(tǒng)連通起來并處于開放狀態(tài)，頓時顯現(xiàn)卸壓流動效應，形成可以攜帶破碎煤的有壓頭狀態(tài)，頓時顯現(xiàn)卸壓流動效應，形成可以攜帶破碎煤的有壓頭的膨脹瓦斯風暴。的膨脹瓦斯風暴。 瓦斯在突出過程中的主要作用有三：瓦斯在突出過程中的主要作用有三：一是在某些場合，當能形成高瓦斯壓力棵度一是在某些場合，當能形成高瓦斯壓力棵度(例如例如2MPacm)時，瓦斯可獨立激發(fā)突出，在自然條件下，由于有時，瓦斯可獨立激發(fā)突出，在自然條件下，由于有地應力配合可以不需要這樣高的瓦斯壓力梯度

42、就可地應力配合可以不需要這樣高的瓦斯壓力梯度就可以激發(fā)突出以激發(fā)突出52是發(fā)展與實現(xiàn)突出的主要因素。是發(fā)展與實現(xiàn)突出的主要因素。二是在突出的發(fā)展階段中、瓦斯壓力與地皮力配合連續(xù)地二是在突出的發(fā)展階段中、瓦斯壓力與地皮力配合連續(xù)地剝離破碎煤體使突出向探部傳播；剝離破碎煤體使突出向探部傳播；三是膨脹著的具有壓頭的瓦斯風暴不斷地把破碎的煤運走、三是膨脹著的具有壓頭的瓦斯風暴不斷地把破碎的煤運走、加以粉碎，并使新暴露的突出孔壁附近保持著較高的地應力加以粉碎，并使新暴露的突出孔壁附近保持著較高的地應力梯度與瓦斯壓力梯度為連續(xù)別離煤體準備好必要條件。就梯度與瓦斯壓力梯度為連續(xù)別離煤體準備好必要條件。就這個

43、意義上說突出的發(fā)展或終止將取決于破碎煤炭被運出這個意義上說突出的發(fā)展或終止將取決于破碎煤炭被運出突出孔的程度，及時而沉楊的運走突出物會促進突出的發(fā)展、突出孔的程度，及時而沉楊的運走突出物會促進突出的發(fā)展、反之突出孔被堵塞時，突出孔壁的瓦斯壓力梯度驟降，可以反之突出孔被堵塞時，突出孔壁的瓦斯壓力梯度驟降，可以阻止突出的發(fā)展以致使突出停止下來。阻止突出的發(fā)展以致使突出停止下來。 43 .3 煤巷卸壓帶對煤與瓦斯突出的作用機理煤巷卸壓帶對煤與瓦斯突出的作用機理 實踐表明實踐表明f煤與瓦斯突出和工作面前方卸壓區(qū)的大小有關，煤與瓦斯突出和工作面前方卸壓區(qū)的大小有關，一般情況下，當卸壓區(qū)縮短、且煤面附近存

44、在高壓瓦斯時，一般情況下，當卸壓區(qū)縮短、且煤面附近存在高壓瓦斯時，就會引起突出。煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤強度三音就會引起突出。煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤強度三音相互作用的結果。相互作用的結果。 而實際上，在礦井中并不是只要滿足地應力、瓦斯和煤而實際上，在礦井中并不是只要滿足地應力、瓦斯和煤強度三吉的關系就會發(fā)生突出倘若高的地應力、瓦斯壓力強度三吉的關系就會發(fā)生突出倘若高的地應力、瓦斯壓力和低的煤強度所處位置遠離采掘工作面，則理所當然就不會和低的煤強度所處位置遠離采掘工作面，則理所當然就不會引起突出。反之，在采掘工作面附近，就會引起突出也就引起突出。反之，在采掘工作面附近，就會引起突出

45、也就是說，和工作面前方的卸壓區(qū)有關。是說，和工作面前方的卸壓區(qū)有關。4331 煤體作為連續(xù)性介質(zhì)的條件煤體作為連續(xù)性介質(zhì)的條件 物質(zhì)是有結構的，結構體間聯(lián)結本質(zhì)決定著物質(zhì)的物理物質(zhì)是有結構的，結構體間聯(lián)結本質(zhì)決定著物質(zhì)的物理力學性質(zhì)。通常把結構體間直接由分子引力或離子引力聯(lián)結力學性質(zhì)。通常把結構體間直接由分子引力或離子引力聯(lián)結起來的物質(zhì)視為連續(xù)介質(zhì)，這種物質(zhì)變形前是連續(xù)的，變形起來的物質(zhì)視為連續(xù)介質(zhì)，這種物質(zhì)變形前是連續(xù)的，變形過程中仍然保持為連續(xù)。但是，對煤體而言，上述假設很難過程中仍然保持為連續(xù)。但是，對煤體而言，上述假設很難無條件成立，其原因為：無條件成立，其原因為：v 大多數(shù)煤大多數(shù)煤

46、(巖巖)體都存在裂隙。體都存在裂隙。v 組成煤組成煤(巖巖)體的基本結構單元間的聯(lián)結強度較低，在不體的基本結構單元間的聯(lián)結強度較低，在不太大的應力作用下即可遭到破壞，即使變形前是連續(xù)的，變太大的應力作用下即可遭到破壞，即使變形前是連續(xù)的，變形過程中往往就變?yōu)椴贿B續(xù)的。形過程中往往就變?yōu)椴贿B續(xù)的。v 物體連續(xù)性的重要標志之一是，其泊松比小于物體連續(xù)性的重要標志之一是，其泊松比小于o5，而煤而煤(巖巖)體的泊松比有的大于體的泊松比有的大于o5，這表明這類煤，這表明這類煤(巖巖)體是體是不連續(xù)的。不連續(xù)的。 但是，在理論研究和實際工作中，為了能夠應用連續(xù)介但是，在理論研究和實際工作中，為了能夠應用連

47、續(xù)介質(zhì)力學理論的成果，往往把煤質(zhì)力學理論的成果，往往把煤(巖巖)體看作是連續(xù)介質(zhì)煤體看作是連續(xù)介質(zhì)煤(巖巖)體來加以研究，這種假設在一定條件下是允許的、一般認為體來加以研究，這種假設在一定條件下是允許的、一般認為在下列情況下煤在下列情況下煤(巖巖)體具有連續(xù)介質(zhì)的特征：體具有連續(xù)介質(zhì)的特征：v 結構而不連續(xù)延展，切割不成分離的物體，而具有完整結構而不連續(xù)延展，切割不成分離的物體，而具有完整結構的煤結構的煤(巖巖)休。休。v 在較高的圍巖壓力作用下，結構面閉合，在摩擦力作用在較高的圍巖壓力作用下，結構面閉合，在摩擦力作用下，使煤下，使煤(巖巖)體在傳遞應力或變形破壞過程中，結構而不起體在傳遞應力

48、或變形破壞過程中，結構而不起主導作用。主導作用。v 在人工改造作用下，使煤在人工改造作用下，使煤(巖巖)體結構而人工愈合，而使體結構而人工愈合，而使煤煤(巖巖)體變?yōu)橥暾Y構煤體變?yōu)橥暾Y構煤(巖巖)體。體。 在圍壓作用下、形成煤在圍壓作用下、形成煤(巖巖)體連續(xù)性有兩種情況體連續(xù)性有兩種情況:v 其一是：在結構而摩擦力作用下、且在一定的應力范圍其一是：在結構而摩擦力作用下、且在一定的應力范圍內(nèi)，巖體內(nèi)應力傳遞具有連續(xù)性。在這種情況下，研究煤內(nèi)，巖體內(nèi)應力傳遞具有連續(xù)性。在這種情況下，研究煤(巖巖)體變形時可以作為連續(xù)介質(zhì)。體變形時可以作為連續(xù)介質(zhì)。v 其二是其二是13圍壓繼續(xù)增高時，結構而力

49、學效應完全消失，圍壓繼續(xù)增高時，結構而力學效應完全消失，結構面不僅在應力傳播上不起作用面且在巖體破壞方面也結構面不僅在應力傳播上不起作用面且在巖體破壞方面也不起作用，構成了破壞機制的轉化這種轉化受兩種重要成不起作用，構成了破壞機制的轉化這種轉化受兩種重要成分控制，即巖性和地應力。分控制，即巖性和地應力。綜上所述，連續(xù)性介質(zhì)煤綜上所述，連續(xù)性介質(zhì)煤(巖巖)體有兩種基本類型：體有兩種基本類型：v 元裂隙的連續(xù)性介質(zhì)煤元裂隙的連續(xù)性介質(zhì)煤(巖巖)體，或是煤體，或是煤(巖巖)體內(nèi)裂隙小相體內(nèi)裂隙小相對較小的煤塊中才能存在。對較小的煤塊中才能存在。v 有裂隙的連續(xù)性介質(zhì)煤有裂隙的連續(xù)性介質(zhì)煤(巖巖)體。

50、可忽略，這種情況一般只體?？珊雎裕@種情況一般只在在 這兩種連續(xù)介質(zhì)煤這兩種連續(xù)介質(zhì)煤(巖巖)體的重要區(qū)別之一是它受力作用體的重要區(qū)別之一是它受力作用時，煤時，煤(巖巖)體內(nèi)部應力分布狀態(tài)有所差別。體內(nèi)部應力分布狀態(tài)有所差別。v 無裂隙的連續(xù)介質(zhì)煤無裂隙的連續(xù)介質(zhì)煤(巖巖)體受力時很少出現(xiàn)高水平的應體受力時很少出現(xiàn)高水平的應力集中，或者說其所產(chǎn)生的應力集中不足以影響煤力集中，或者說其所產(chǎn)生的應力集中不足以影響煤(巖巖)體體的力學性質(zhì)。此外，在這種煤的力學性質(zhì)。此外，在這種煤(巖巖)體內(nèi)由于成分不均一，以體內(nèi)由于成分不均一，以及形狀效應等也存在有應力集中，但其應力集中水平也不高；及形狀效應等也存

51、在有應力集中，但其應力集中水平也不高；v 在有裂隙的連續(xù)介質(zhì)煤在有裂隙的連續(xù)介質(zhì)煤(巖巖)體內(nèi)，在型隙的終端經(jīng)常形成體內(nèi)，在型隙的終端經(jīng)常形成有高度的應力集中，造成了煤有高度的應力集中，造成了煤(巖巖)體破壞的突破點使煤體破壞的突破點使煤(巖巖)體的強度大大降低。此外，煤體內(nèi)體的強度大大降低。此外，煤體內(nèi)(其中包括煤塊其中包括煤塊)總是或多總是或多或少存在有裂隙它決定了其力學試驗結果總是存在有分散或少存在有裂隙它決定了其力學試驗結果總是存在有分散性，而分散性的大小則主要決定于煤體內(nèi)裂隙存在狀況。性，而分散性的大小則主要決定于煤體內(nèi)裂隙存在狀況。 43 . 32 巷道煤層區(qū)域中應力分布狀態(tài)及其劃

52、分巷道煤層區(qū)域中應力分布狀態(tài)及其劃分 煤礦井下來礦作業(yè)破壞了原始地層的應力平衡狀態(tài)，使煤礦井下來礦作業(yè)破壞了原始地層的應力平衡狀態(tài)，使煤體中的應力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較煤體中的應力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應力短時間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應力(又稱支承壓力又稱支承壓力)，當集中應力值達到媒體的強度極限后該，當集中應力值達到媒體的強度極限后該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應力向煤體深部傳播，部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應力向煤體深部傳播，經(jīng)過一定時間后，形成卸壓區(qū)經(jīng)過一定時間后，形成卸壓區(qū)(應力

53、松弛區(qū)應力松弛區(qū))、應力集中區(qū)和、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)、如圖原始應力區(qū)、如圖432所示，在這三個區(qū)中，媒體所受所示，在這三個區(qū)中，媒體所受應力和變形性質(zhì)各有差異。應力和變形性質(zhì)各有差異。 （1）卸壓區(qū)：）卸壓區(qū)：由于集中應力由于集中應力(或支承壓力或支承壓力)的作用，使煤體邊的作用，使煤體邊緣首先被壓酥，形成裂隙，造成煤體強度顯著降低，只能緣首先被壓酥，形成裂隙，造成煤體強度顯著降低，只能承受低于原巖應力的載荷，故稱之為卸壓區(qū)承受低于原巖應力的載荷，故稱之為卸壓區(qū)(或應力降低或應力降低區(qū)區(qū))如圖如圖432所示。由于煤體被壓酥使集中應力的作所示。由于煤體被壓酥使集中應力的作用點向煤體深部轉移。

54、據(jù)用點向煤體深部轉移。據(jù)1956年原蘇聯(lián)礦業(yè)研究所的資料，年原蘇聯(lián)礦業(yè)研究所的資料，卸壓區(qū)的寬度為卸壓區(qū)的寬度為3m左右。我國研究人員研究表明：卸壓區(qū)左右。我國研究人員研究表明：卸壓區(qū)的寬度可變化在的寬度可變化在z一一5之間，主要與集中應力的大小、煤層之間，主要與集中應力的大小、煤層采高和煤層軟硬有關。一般認為，集中應力越大、煤層厚采高和煤層軟硬有關。一般認為，集中應力越大、煤層厚和煤質(zhì)軟，則卸壓區(qū)的寬度也越大。和煤質(zhì)軟，則卸壓區(qū)的寬度也越大。(2)集中應力區(qū)：集中應力區(qū)：集中應力區(qū)又可分為塑性變形區(qū)和彈性變集中應力區(qū)又可分為塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。如圖形區(qū)。如圖432中中X0Xi為塑性變形區(qū)

55、，在這一區(qū)為塑性變形區(qū)，在這一區(qū)域，由于煤層與頂?shù)装逯g摩棕力逐漸增加，使煤體所受域，由于煤層與頂?shù)装逯g摩棕力逐漸增加，使煤體所受的水平擠壓力增大此時，煤體受力狀態(tài)為雙向乃至三向的水平擠壓力增大此時，煤體受力狀態(tài)為雙向乃至三向受力狀態(tài)，其強度增大。所受壓力逐漸增高直至集中應力受力狀態(tài)，其強度增大。所受壓力逐漸增高直至集中應力峰值。峰值。 理論和實踐表明理論和實踐表明: 塑性區(qū)寬度大小取決于煤層開采深度、塑性區(qū)寬度大小取決于煤層開采深度、煤層厚度、煤層性質(zhì)及其頂?shù)装鍘r性等。從峰值應力再深向煤層厚度、煤層性質(zhì)及其頂?shù)装鍘r性等。從峰值應力再深向煤體，集中應力隨著遠離煤壁而逐漸衰減，該階段煤體由于煤

56、體，集中應力隨著遠離煤壁而逐漸衰減，該階段煤體由于所受應力未達到屈服值，煤體基本上處于彈性變形階段，故所受應力未達到屈服值，煤體基本上處于彈性變形階段，故而稱之為而稱之為彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)。 (3)原始應力區(qū)：原始應力區(qū)：該階段煤體由于遠離采掘空間，不受采動壓該階段煤體由于遠離采掘空間，不受采動壓力的影響，故而，媒體所受應力仍處于原巖應力狀態(tài)。力的影響，故而，媒體所受應力仍處于原巖應力狀態(tài)。 綜上所述，由于塑性區(qū)和卸壓區(qū)中的媒體經(jīng)受了峰值應綜上所述，由于塑性區(qū)和卸壓區(qū)中的媒體經(jīng)受了峰值應力的作用，超過了煤體的最大承載能力，在這一區(qū)域內(nèi)的力的作用，超過了煤體的最大承載能力，在這一區(qū)域內(nèi)的煤體處

57、于極限應力狀態(tài)。而處于極限應力狀態(tài)的煤體通常煤體處于極限應力狀態(tài)。而處于極限應力狀態(tài)的煤體通常只能承擔一部分策中應力，在大多數(shù)情況下緊靠采掘空只能承擔一部分策中應力，在大多數(shù)情況下緊靠采掘空間的卸壓區(qū)中的煤體甚至連集中應力區(qū)以外，一般的原巖間的卸壓區(qū)中的煤體甚至連集中應力區(qū)以外，一般的原巖應力也擔負不了，而只能擔負低于原巖應力的部分。在含應力也擔負不了，而只能擔負低于原巖應力的部分。在含瓦斯煤休中瓦斯煤休中 極限狀態(tài)區(qū)煤體中的應力狀態(tài)、瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)極限狀態(tài)區(qū)煤體中的應力狀態(tài)、瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)的長短及其承載能力，對煤與瓦斯突出有很大影響。的長短及其承載能力，對煤與瓦斯突出有很

58、大影響。 實踐表明：倘若在采掘工作面前方始終存在一定寬度的實踐表明：倘若在采掘工作面前方始終存在一定寬度的卸壓區(qū)，則不會發(fā)生突出現(xiàn)象；否則，就容易發(fā)生煤與瓦斯卸壓區(qū)，則不會發(fā)生突出現(xiàn)象；否則，就容易發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。突出現(xiàn)象。4.3.3.3 極限平衡區(qū)中煤層界面的應力分布狀態(tài)及其分析極限平衡區(qū)中煤層界面的應力分布狀態(tài)及其分析 煤層巷道開挖以后，巷道周圍附近圍巖應力、瓦斯壓力將煤層巷道開挖以后，巷道周圍附近圍巖應力、瓦斯壓力將重新分布，煤體邊緣部分將首先遭到破壞，產(chǎn)生卸壓，并逐重新分布，煤體邊緣部分將首先遭到破壞，產(chǎn)生卸壓，并逐漸向深部擴展，形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)。在漸向深部擴展

59、，形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)。在正常情況下可以認為卸壓區(qū)和集中應力區(qū)的塑性變形區(qū)中正常情況下可以認為卸壓區(qū)和集中應力區(qū)的塑性變形區(qū)中的煤體應力處于極限平衡狀態(tài)。的煤體應力處于極限平衡狀態(tài)。 由于媒體的泊松比大于其頂?shù)装鍘r石由于媒體的泊松比大于其頂?shù)装鍘r石(軟煤分層的泊訟比軟煤分層的泊訟比也大于硬煤分層也大于硬煤分層)，加之煤層與頂?shù)装宓慕唤缑?，加之煤層與頂?shù)装宓慕唤缑?簡稱煤層界面簡稱煤層界面)處，由于巖性變化而造成強度削弱，因而，此處煤體的粘聚處，由于巖性變化而造成強度削弱，因而，此處煤體的粘聚力和內(nèi)摩擦角比煤體內(nèi)部的粘聚力和內(nèi)摩擦角低力和內(nèi)摩擦角比煤體內(nèi)部的粘聚力和內(nèi)摩擦角低(煤層

60、內(nèi)存在煤層內(nèi)存在軟弱分層除外軟弱分層除外)。 所以在不合瓦斯的煤層中，巷道開挖以后，煤層界面或軟弱所以在不合瓦斯的煤層中，巷道開挖以后，煤層界面或軟弱夾層處將首先出現(xiàn)塑性變形和破壞，應力極限平衡區(qū)中的煤夾層處將首先出現(xiàn)塑性變形和破壞，應力極限平衡區(qū)中的煤體員容易從頂?shù)装鍘r石問或軟弱夾層處擠出并在煤層界而體員容易從頂?shù)装鍘r石問或軟弱夾層處擠出并在煤層界而上伴隨有剪應力上伴隨有剪應力c”產(chǎn)生，媒體中應力分布狀態(tài)如圖產(chǎn)生，媒體中應力分布狀態(tài)如圖432所示。所示。4.3.3.4 瓦斯壓力分布及其在突出過雀中的作用瓦斯壓力分布及其在突出過雀中的作用1)極限平衡區(qū)中瓦斯壓力的分布狀態(tài)極限平衡區(qū)中瓦斯壓力的