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浅析煤与瓦斯突出的演化过程程力学毕业论文

2013-07-11 01:19 煤与瓦斯突出是矿井最常见、最主要、最严重的自然灾害，所谓煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯在极短的时间内，从煤（岩）体内突然向采掘空间大量喷出的异常动力现象。煤与瓦斯突出不仅可以摧毁井巷设施，破坏矿井通风系统和地质结构，甚至充塞巷道，产生瓦斯爆炸，造成极大地人员伤亡和财产损失。对此，本文简要剖析了影响煤与瓦斯突出的地质条件，瓦斯的形成，以及突出的预兆、过程、力能计算、机理以及规律，以便各矿井根据自身情况，做好煤与瓦斯突出的防治工作。

  0. 引言
煤是工业的粮食，改革开放以来，在我国的能源结构中煤炭约占70%到75%[1]，以煤为主的格局在今后几十年不会发生根本改变。近年来，随着对煤炭开采力度的加大，开采深度不断增加，煤层赋存条件复杂多变，矿井灾害屡见不鲜，而由煤与瓦斯突出引起的事故更是时有发生，例如，2009年的鹤岗新兴煤矿事故；2008年的辽宁法库“8.18”事故：2005年辽宁阜新孙家湾“2.14”事故等，毋庸置疑，这些事故造成了严重的人员伤亡和财产损失，因此，全面了解煤与瓦斯突出的演化过程对矿井生产具有重大的科学意义。
1. 地质构造对煤与瓦斯突出的影响
1.1地质构造与煤与瓦斯突出的关系
提到煤与瓦斯突出，就不得不考虑地质构造，因为不同的矿井有不同的地质构造，不同的地质构造对煤与瓦斯突出有不同的影响。大量的研究成果表明突出与构造有直接的关系，如山西阳泉80%以上的突出发生在构造区[2]，开滦矿区60%的突出发生在以断层为主的构造附近，四川芙蓉矿47次的突出都发生在断层和褶皱构造附近[3]，安徽淮南矿区85%以上的突出与以断层为主的构造有关，河南平顶山矿区、江苏省含煤矿区的突出也与构造有关[4]。 （转载自http://zw.nseac.coM科教作文网）
突出不仅需要良好的瓦斯形成和保存的地质条件，还需要具备瓦斯突出的地质条件。瓦斯的形成和保存奠定了突出发生的物质基础，地质构造因素则是发生瓦斯突出的必要条件。综合分析各方面的研究成果，从地质力学的角度来看，构造区内突出危险性相对较大的部位是:构造体系的复合部位、弧形构造的弧顶部位、褶曲构造的褶扭部位、多种构造体系的交汇部位、压扭性断裂所夹的断块，以及旋转构造的收敛端和断层的尖灭端等[5]。
1.2煤层厚度对煤与瓦斯突出的影响
研究表明突出点常分布在煤层厚度大和煤层厚度变化大的部位，见表1，突出危险程度的差异与煤厚及其变化的关系有以下几种[4]:
1)煤层厚度较稳定的多煤层矿井:各煤层的突出危险性决定于煤层的厚度，随着煤层厚度的增加,突出危险程度增加。
2)煤层厚度变化大的矿井:突出多发生在厚煤地段和煤厚变化带。透镜状煤包和被薄煤带包围的厚煤带的突出危险性大.
3)煤层厚度变化大的多煤层矿井:不同煤层相比较,煤厚变化大的地段比煤厚变化小的地段突出危险性大。煤层厚度变化造成了瓦斯分布上的差异性，煤厚变化的梯度在一定程度上反映了瓦斯变化的梯度，造成了瓦斯突出点分布的不均衡性。
[6]
2.瓦斯的形成
瓦斯是一种很复杂的混合气体，其主要成分是甲烷和一氧化碳（CO），少量二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，微量的烃类气体，如：乙烷、丙烷、硫化氢（H2S）等。
2.1瓦斯成因
煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的[7]。它包含两个阶段：
（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）
4C6H10O5 → 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O 反映条件：空气隔绝，微生物作用。
特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。
（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）
泥炭 　 褐煤 　烟煤 　 无烟煤
如： 4C16H18O5 → C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O
（泥炭 ） （褐煤）
C57H56O10 → C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O
（褐煤） （烟煤）
C54H42O5 → C13H4 + 2CH4 + H2O
（烟煤） （无烟煤）
特点：（1）碳化过程生成的大量气体。
（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；
（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量[8]
3.煤与瓦斯突出的预兆
突出煤层开采多年实践表明，大多数突出前都会有有声或无声预兆，可以被人明显感觉到，利用所掌握的预兆知识，避免不必要的人身伤亡事故，对于减少突出危害，保证人身安全以及避免突出灾害的发生都有着十分重要的现实意义。
其中，有声预兆：俗称响煤炮，通常在煤体深处打闷雷声（放炮声），劈啪声（枪声），霹雳声，嘈杂声，沙沙声以及气体穿过含水裂缝时的吱吱声等。声音由远到近，由小到大，有短暂的，有连续的，时间间隔长短也不一致。煤壁发生震动和冲击，顶板来压，支架发出折裂声。
无声预兆：煤变软，光泽变暗，掉渣和小块煤剥落，煤面轻微颤动，支架压力增加，瓦斯涌出量增高或者忽大忽小，煤面温度或气温降低等。此外，煤壁被挤压，顶板下沿或底板鼓起，煤层层理紊乱、煤壁发凉，打钻时有顶钻、卡钻、喷瓦斯等现象。
　　井下工作人员发现上述预兆后，应立即向有关部门报告，及时采取措施。情况严重时，应立即停止作业，迅速迎着风流撤出。[9] [10]
4.煤与瓦斯突出的各阶段过程。
煤与瓦斯突出共分为有四个阶段，即：准备阶段、激发阶段、发展阶段、终止阶段。
(1)准备阶段:在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。煤体内地应力梯度急剧增高，形成很高的应力集中，积聚着很大的变形能；同时由于孔隙裂隙的压缩，使瓦斯压力增高，瓦斯内能增大。在这个阶段，会显现多种有声的与无声的突出预兆。 （科教作文网http://zw.ΝsΕac.cOM编辑）

(2)激发阶段:极限应力状态下的部分煤体突然破坏，卸载(卸压)并发生巨响和冲击；由于煤体的破裂，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出
。
(3)发展阶段:在地应力与瓦斯压力共同作用下，突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体;由于是瓦斯膨胀作功，破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯气流中边运送边粉碎。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流对瓦斯风暴的形成与发展起决定作用。

(4)终止阶段:突出的终止有两种情况，一是在剥离和破碎煤体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低到不足以破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞。虽然这时突出停止了，而突出孔周围的卸压区与突出的煤涌出瓦斯的过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长时间[11]。


突出停止后，碎煤及粉煤沉降，其中的瓦斯继续解吸并涌向巷道。同时，由于煤的喷出，在媒体中新年工程某种特殊形状空洞。空洞壁与洞口间的瓦斯压力梯度，虽然不能把煤抛出，但可以使空洞周围参与的煤体继续破碎，加剧瓦斯放散，这就是突出以后相当长按一段实际内还存在瓦斯大量涌出的原因。
突出过程中，煤体变形变化的延续时间为0.1~ 64s,一般只有几秒钟。瓦斯压力延续时间一般只有2~7s。因此，煤与瓦斯突出的全过程，一般只延续几十秒，少数达1~ 2.5分钟。突出后，突出空洞周围的煤体由于受到残余弹性潜能及瓦斯膨胀能的作用，继续破坏并发生变形，使空洞压缩、体积变小，甚至堆满碎煤，直到空洞避建立了新的应力平衡[12]。
4. 煤与瓦斯突出力能计算
4.1 地应力
煤体内存在着地应力（自重应力、地质构造力和采动集中应力）、瓦斯压力和煤的自重重力。 （转载自http://zw.nseac.coM科教作文网）
自重应力：铅垂方向

水平方向

地质构造应力： 水平方向

采动集中应力: 铅垂方向

煤的自重力: 铅垂方向 


一般地， , [13]，通常地应力在数值上为瓦斯压力的几倍到几十倍，突出过程中破碎煤体的主导力是地应力，特别是存在地质构造应力时，尤其如此。

4.2 煤体弹性潜能
单向应力状态：


三向应力状态：



式中 wt----煤的弹性变形潜能，mj/m3；
σ----煤的平均应力,Mpa；
σ1 、σ2、 σ3----分别为三个方向的主应力，Mpa；
μ、E----分别为煤的泊松比和弹性模量。
4.3 瓦斯内能
作用：破碎煤体；搬运突出物；使突出不断向煤体深部扩展。
热力学变化过程：突出瞬间，膨胀瓦斯属于等温过程；破碎煤脱离煤体后，属于多变过程；最后接近绝热过程。
根据热力学，可推得一吨煤瓦斯膨胀内能计算式为：


式中 v1----吨煤瓦斯涌出量；
P0、P1----突出前后，煤层瓦斯压力；n ----过程指数[8]。
5.引起煤与瓦斯突出的原因分析
5.1 思想因素分析
引起瓦斯爆炸事故的根源在于思想上认识不足，没有真正树立安全第一的思想[14]，特别是在近两年煤炭行情利好的情况下，许多煤炭企业一味的扩大生产能力，增加煤炭产量，而不能够正确处理安全与生产，安全与效益的关系。“安全第一”的观念淡化，是当前煤矿安全生产的最大隐患。
5.2 技术因素分析
随着以高产高效为基本特征的集约化生产技术的采用，已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效地控制矿井重大瓦斯灾害事故的发生[15]。主要原因：①瓦斯灾害防治技术分散，没有形成完整系统的体系；②瓦斯灾害防治技术缺乏相应的装备支撑；③还有很多需要解决的共性关键技术问题，特别是运用于集约化生产技术条件下的共性关键技术问题。 （转载自科教范文网http://fw.nseac.com）
5.3 管理因素分析
煤矿的安全管理方式滞后，“三违”现象时有发生。瓦斯爆炸事故的发生与安全管理方式有一定的直接关系，对瓦斯的管理很多情况下往往是靠人的主观和经验。随着煤矿开采深度的不断增加，瓦斯地质条件越来越复杂多变，再加上这种传统的安全管理方式受到人的经验、知识和责任心的限制，所以管理因素也是瓦斯事故多发的原因之一。
5.4 安全投入因素分析
安全投入对搞好煤矿安全来说是至关重要的。在前几年，由于煤矿的经济效益不好，煤矿职工的生活都很难维持的情况下，许多煤矿企业降低了安全投入，安全欠账较多。许多矿存在不同程度的通风系统及配套设施不完善、“一通三防”监测系统不完善和设备设施老化等问题。以1999的统计数据为例，全国大中型煤矿中只有191座有安全科研投入，仅占大中型煤矿总数的36.77%，安全科研投入总计5878万元，平均每矿10万元左右。美国2002年职业安全健康监察局经费预算总额为4.26亿美元，矿山安全健康监察局为2.46亿美元。合计6.72亿美元，我国在这方面的经费预算无法相比，如同年我国煤矿安全监察局的经费预算仅是美国的1/60，而煤矿数量约是美国的300倍[16]。近两年煤矿效益好转的情况下，许多企业只注重生产投入，安全投入仍然存在严重不足，安全生产条件没有得到明显改善[17]。

6.煤与瓦斯突出的规律
（1）突出与地质构造的关系,突出多发生在地质构造带内，如断层、褶曲和火成岩侵入区附近。
（2）突出与瓦斯的关系,煤层中的瓦斯压力与含量是突出的重要因素之一。一般说来，瓦斯压力和瓦斯含量越大，突出的危险性越大。但突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间，没有固定的关系。瓦斯压力低、含量小的煤层可以发生突出；反之，瓦斯压力高，含量大的煤层也可能不突出，因为突出是多种因素综合作用的结果。 （科教作文网http://zw.NSEaC.com编辑发布）
（3）突出与地压的关系,地压愈大，突出的危险性愈大。当深度增加时，突出的次数和强度都可能增加；在集中压力区内突出的危险性增加。
（4）突出与煤层构造的关系,煤层构造主要指煤的破坏类型和煤的强度。一般情况下煤的破坏类型愈高强度愈小，突出的危险性愈大。故突出多发生在软煤层或软分层中。
（5）突出与围岩性质的关系,若煤层顶底板为坚硬而致密的岩层且厚度较大时，其集中应力较大，瓦斯不易排放，故突出危险性愈大；反之则小。若顶底板中具有容易风化和遇水变软的岩层时，将减少突出危险性。
（6）突出与水文地质的关系,实践表明，煤层比较湿润，矿井涌水量较大，则突出危险性较小；反之则大，这是由于地下水流动，可带走瓦斯，溶解某些矿物，给瓦斯流动创造了条件。
（7）突出具有延期性突出的延期性变化就是震动放炮后没有诱导突出而相隔一段时间后才发生突出。其延迟时间从几分钟到几小时。[7] [18] [19]
7.突出机理的研究
我国根据现场资料和试验研究对突出机理进行了探讨[20] [21]，提出了新的见解和观点，特别是近几年随着研究的深人及新技术手段的应用，产生了许多新认识。目前已能对突出发生的原因、条件、能量来源作出定性的解释和近似的定量计算，为防治措施选择及效果检验提供理论依据。概括起来主要有以下几方面:中心扩张学说[22]、流变假说、二相流体假说、固流耦合失稳理论[23]、球壳失稳观点。此外，前苏联学者霍多特还提出“能量假说”[24] ，国外关于煤与瓦斯突出机理的认识可归为4种观点:地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说[25]。
对于煤与瓦斯突出的机理，目前还没有统一的见解和定论，假说很多。多数人认为，突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果。 您可以访问中国科教评价网（www.NsEac.com）查看更多相关的文章。
8.结论
矿井煤与瓦斯突出是复杂的动力学现象，存在突发性和不完全预知性，了解煤与瓦斯突出的突发过程及演化机理对提高矿井产量，减少财产损失和人员伤亡具有重大的科学意义，虽然目前突出机理还未有统一的定论，但通过我们对煤与瓦斯的现有认识，加深对煤与瓦斯突出的理性思考，积极做好防御工作，就可以减少甚至避免这种灾难性事故的发生。


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关键字：煤与瓦斯突出，地质构造，预兆，瓦斯形成，突出过程，力能计算，