煤与瓦斯的突出场研究及应用实践

穆 敏

（桐梓县应急管理局）

煤与瓦斯突出的地域性很强，不同区域突出的强度和危险性各不相同。贵州煤炭储量丰厚，瓦斯地质赋存条件复杂，煤层瓦斯含量高，区域煤与瓦斯突出危险性较其他省份偏高。突出的影响因素在实际生产中较多，突出有其自身的特殊性，引起突出发生的具体原因也不尽相同［1-2］。突出的主导因素随着采掘活动的变化而改变。研究认为，煤与瓦斯突出的影响因素中瓦斯压力、瓦斯含量作用较突出［3-4］，而煤与瓦斯突出不仅具有区域性，而且具有差异性，存在煤与瓦斯“突出场”。为此，分析研究煤与瓦斯的突出机理及“突出场”影响因素的构成等，对提高煤矿瓦斯的防治能力及瓦斯灾害预报预警水平意义重大。

1 煤与瓦斯突出机理

瓦斯灾害中突出占很大比例，主要由地应力和瓦斯压力要素构成，而煤体抵抗破坏的能力是阻碍突出的因素，研究地应力、瓦斯压力和煤的力学性能对进一步提高防治煤与瓦斯突出的综合能力，做好煤矿安全监管工作具有很强的现实意义。

（1）地应力。地应力指煤体受到的地层应力。由于煤体中瓦斯使煤体产生膨胀变形而产生附加的应力，地应力随着瓦斯释放逐渐下降，煤与瓦斯突出动力从而得以减弱。

（2）瓦斯压力。煤层瓦斯压力是瓦斯分子热运动撞击产生的作用力表现，煤层透气性系数与瓦斯压力大小成反比。研究认为，地应力在突出过程中的作用主要是破碎煤体，煤层瓦斯才是突出的主要动力来源［5］。

（3）煤的物理力学性质［5］。地应力和瓦斯压力能够从软煤分层开始破坏煤体，从而引发突出，而阻碍煤体被破坏是煤体的力学性决定的，瓦斯含量越大，煤体的强度越低。

2 煤与瓦斯“突出场”影响因素

“突出场”模型构建是依据煤层突出危险性大小而提出的，即在煤矿井下一定的采掘条件下，采场周围区域发生煤与瓦斯突出及瓦斯动力现象可能性大小的集合，反映了有无煤与瓦斯突出性和突出危险性的大小。瓦斯、煤体性质、地质作用和采掘扰动等相互作用的复杂物理现象引发煤与瓦斯突出［6-8］，此处对应为“瓦斯场”、“煤体特征场”、“地质作用场”和“扰动场”，为一级影响因素场。瓦斯动力由瓦斯场表征，由煤层瓦斯压力和瓦斯含量、瓦斯放散初速度等因素构成；煤体抵抗突出本能由煤体特征场表征，包括煤的坚固性系数、透气性等；地应力由地质作用场表征，主要包括煤体产状和构造应力、地应力等；扰动场影响因素有采掘活动、大地运动等，主要是扰动触发突出发生，为“突出场”次级因素。

3 煤与瓦斯“突出场”模型构建

煤层突出危险性的强度取决于瓦斯场、煤体特征场、地质作用场和扰动场之间的相互耦合，可按下式进行表达，“突出场”随着瓦斯场、地质作用场和扰动场增大和煤体特征场减少而变大。

式中，Tm为“突出场”内某点突出危险性大小；Wm为瓦斯场；Mm为煤体特征场；Dm为地质作用场；Rm为扰动场。

瓦斯场为瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯放散初速度相互耦合，瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯放散初速度越大，瓦斯场越大；煤体特征场由煤体坚固性系数和煤层透气性系数相互作用影响，与两者关系成正比；地质作用场受煤层倾角、地质构造应力和地应力因素影响，煤层倾角越大，构造应力和地应力越强，地质作用场越大；而扰动场与井下区域内采掘具体工艺方式、天地运动以及其他干扰因素息息相关。

4 煤与瓦斯“突出场”模型的实践应用

为验证上述所构建模型的科学性，将构建的煤与瓦斯“突出场”的模型在同德煤矿进行了初步实践。同德煤矿设计生产能力15 万t/a，煤与瓦斯突出矿井水文地质类型中等，可采煤层有C6、C5 和C1，平均厚度分别为1.7，1.5，1.4 m，煤层平均倾角35°，三层煤自燃倾向性为不易自燃，均无爆炸性，C6 与C5 煤层间距8 m，C5与C1煤层间距45 m。

C6 煤层经鉴定具有煤与瓦斯突出的危险性，实践区域为10602工作面，倾向长105 m，走向长215 m。当回采至65 m 时，经钻孔探测正前方遇地质构造（正断层），测定瓦斯压力为0.24 MPa，瓦斯含量3.1 m3/t，采取钻屑指标法预测得出K1值为0.3 mL（/g·min1/2），钻屑量S值为3.2 kg/m，较以往平均值偏高，煤层突出危险性（突出场）变大；当工作面推进15 m 后，测定瓦斯压力为0.14 MPa，瓦斯含量2.5 m3/t，采取钻屑指标法预测得出K1值为0.1 mL（/g.min1/2），钻屑量S值为2.3 kg/m，回归日常平均值，煤层突出危险性（突出场）较小；结果表明，该工作面局部区域在煤体坚固性的系数和透气性系数相同的情况下，瓦斯压力、瓦斯含量越大，则煤层突出危险性（突出场）越大。

5 结语

该研究结果说明，煤层突出危险性的可能性和强度取决于瓦斯场、煤体特征场、地质作用场和扰动场之间的相互耦合，但由于煤与瓦斯突出的机理错综复杂，不同区域煤与瓦斯突出的影响因素不尽相同，很难用一个固定的函数关系来计算所有煤与瓦斯“突出场”的大小。所以，不同地区、不同矿井煤与瓦斯“突出场”关系式的确立应依据实际影响因素间的作用进行具体完善，这样才能确保利用“突出场”模型更好地指导煤与瓦斯突出的防治工作。