瓦斯地质学考试资料

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1、2,煤与瓦斯突出分类及其特征按动力现象的力学（能量）特征分类煤与瓦斯突出可分为突出、压出与倾出三类。（1）发动突出的主要作用力是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力为主，瓦斯压力 为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。（2）发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本 能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。（3）发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地 应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出的主要力是失稳煤 的自重。按动力现象的强度分类（1）小型突出：强度50t/次（突出后

2、，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常）；（2）中型突出：强度5099t/次（突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常）；（3）次大型突出：强度100499t/次（突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常）；（4）大型突出：强度500999t/次（突出后，经过几天回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）；（5）特大型突出：强度1000t/次（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢 复正常）。突出特点：煤与瓦斯突出的主要特点是：（1）煤与瓦斯突出后，会喷出大量的瓦斯和煤尘，突出时间极短，一般持续几分钟或几秒钟。（2）破碎的煤（或岩石）常常被抛出一定的距离。使突出地点人员窒息死亡或被掩埋、卷

3、走，巷道被堵塞或冲垮。（3）突出后在煤（岩）体内，往往形成大小不同、开关不一的孔洞。（4）突出时，常常伴有猛烈响声和强大的动力效应。 所谓动力效应，就是突出所形成的冲击波能破坏支架、推倒矿车、移动巨石等的一种动力现象。（5）喷出的瓦斯量大大超过煤层的瓦斯含量，往往有几千到几万甚至几百万立方米。（6）突 出过程中，不但能顺风流向回风方向冲击，而县常常发生瓦斯逆流现象，即瓦斯流沿着通风相 反方向流动。有的逆流很远，可达几百米甚至上千米；冲击波能破坏通风系统，改变风流方向 造成通风混乱，不利于人员的撤退和救灾。 （7）煤与瓦斯突出后的高浓度瓦斯，开始不会 立即爆炸，但在一定供氧条件下，遇火则能引起燃

4、烧；待降到爆炸界限内，遇火源就会爆炸。 因此，突出矿井的火源管理非常重要。（8）煤与瓦斯突出后，可能在同一地点发生第二次、 第三次突出。突出规律：(1) 突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深度称为始突深度，一般它比瓦斯风化 带的深度深一倍以上。(2) 突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。突出最严重的煤层 一般是最厚的主采煤层。(3) 突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、甘肃窑街)突出二氧化碳。(4) 突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大；透气性差(透气性系数10m2 / (Mpa2.d)；瓦斯放散初速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破

5、坏的“构造煤”。(5) 突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质 构造具有带状分布的特征。向斜轴部地区、向斜构造中局部隆起地区、向斜轴部与断层或褶曲 交汇地区、火成岩侵入形成变质煤与非变质煤交混或邻近地区、煤层扭转地区、煤层倾角骤变、 走向拐弯、变厚特别是软分层变厚地区、压性、压扭性断层地带、煤层构造分岔、顶、底板阶 梯状凸起地区等都是突出点密集地区、也是大型甚至特大型突出地区。(6) 受煤自重影响，自上前方向巷道的突出占大多数，从下方向巷道的突出为数极少。突出 的次数有随着煤层倾角增大而增多的趋势。(7) 采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅

6、可引起应力状态的变化，而且 可使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。(8) 绝大多数突出都有预兆。(9) 突出危险性随着有硬而厚的围岩(硅质灰岩、沙岩等)存在而增高.(10 )煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石门突出强度最大。5. 煤与瓦斯突出机理及发生条件研究现状突出机理：1. 瓦斯作用说瓦斯作用说认为煤与瓦斯突出的主要动力来源于高压瓦斯，即认为煤与瓦斯突 出是因为采掘工作接近或沟通存储有大量高压瓦斯的区域(或地点)时，高压瓦斯突然喷出造 成的。2. 地压作用说 地压用途说认为煤与瓦斯突出是地压作用的结果。地压包括岩石静压力、地质 构造力和采掘过程中形成的集中压力等。在地压作用下，

7、煤层处于弹性变形状态，积蓄着很大 的弹性潜能，当采掘工作接近或进入这些区域（或地点）时，弹性潜能突然释放，使煤体破碎、 抛出而发生突出。3. 综合作用说 综合作用说认为煤与瓦斯突出是地压、瓦斯（包括瓦斯压力、含量和吸附瓦斯 瞬时解吸速度等）、重力（主要指急倾斜煤层）和煤的物理性质（包括煤的强度和破坏类型） 综合作用的结果。目前国内外大多数学者认为综合作用说更切合初阶。10.地质因素对瓦斯涌出量的影响见论文。12.煤与瓦斯突出预测指标研究新进展见论文。19.提高煤层瓦斯抽采率的方法6. 煤与瓦斯突出预测方法目前对煤与瓦斯突出的预测方法1）、微震技术预测突出危险性研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发

8、生破裂和震动，当从震源传出震波或声波的强度和 频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出。突出是由连续的多起断裂引起的， 而且异常的微震发射通常在断裂之前545s内产生，故微震法作为突出预报方法，有其广阔 的应用前景。俄罗斯在地震声学预测方法中取得了较好的研究成果。2）、煤层温度状况预测突出的危险性温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低 越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。国外对采掘工作面近工作面地段的煤体温度状况进行了考察研究，用于突出危险性日常预 测，并对掘进中发生的6次突出全部作出了预报。原苏联学者，采用近工作面地带的温度与

9、煤 体原始温度之差作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。3）、煤层中涌出的氦或氡浓度的变化预测突出研究表明在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。前苏联学者考察了顿涅 茨煤田中2个不突出煤层和4个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦 斯压力也相应的高。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标，该项目正在继续进行。4) 、电磁辐射强度预测突出危险电磁辐射(EME)是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象，与煤 岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关。采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的优点是：电磁 辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动

10、力现象的主要影响因素；可实现真正的非接触预 测，无需打钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影 响；可实现动态连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的 突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。目前岩石破裂电磁辐射效应的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤岩层受力变形 破坏过程中会产生电磁辐射，电磁辐射强度取决于所受力的大小和煤岩层的物理力学性质。煤 炭科学研究总院重庆分院利用这一原理研制的煤与瓦斯突出危险探测仪，在四川芙蓉矿务局进 行了实际应用，取得了较好的效果。5) 、神经网络方法进行突出预测煤与瓦斯突出，其发生是

11、由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤 体结构及围岩特征诸多因素决定的。突出灾害的发生是极不规则的，其所处的系统是一个不断 变化的系统，各种力学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。18.煤层增透技术研究现状归纳分类主要包括以下几类：钻孔卸压增透法、高能液体扰动卸压增透法和爆生气体扰动卸压增透法钻孔 卸压增透法，从各大科研院所高等院校的专职研究人员到多个生产矿井的工程技术人员均采用密集钻孔、 网格式抽采、交叉、迎面斜交等方法进行了较为广泛的研究。余长林根据煤层瓦斯流动方程及井下实测钻 孔瓦斯流量数据，提出对于单一低透气性、高瓦斯煤层，改变钻孔的布置方式充

12、分利用工作面回采产生的 自我卸压效应，采用斜交和垂直工作面布孔方式，提高边采边抽效果，是提高瓦斯抽采率，大幅度降低工 作面瓦斯涌出量的有效途径高能液体扰动卸压增透技术的研究主要包括水力割缝、水力压裂、煤层注水、 水力掏槽、水力扩孔、水力冲孔、水力挤出、以及近几年刚刚兴起的高压磨料射流割缝等。关于水力割缝技术的理论及实验研究，邹忠有通过水力冲割煤层卸压抽采瓦斯技术的试验研究，发现水力 冲割煤层孔比普通钻孔的抽采瓦斯量可以提高79%以上。赵岚等人研究了在固一气耦合作用下，通过水力 割缝释放低渗透煤层的部分有效体积应力，使部分煤层在割缝后发生垮落应力场重新分布，煤层内的裂缝 和裂隙的数量、长度和张开

13、度均得到增加，增大了煤层内裂缝、裂隙和孔隙的连通面积，从而增大了低渗透 煤层的渗透性。2002年，段康廉介绍了特大煤样采用水力割缝提高瓦斯渗透率的实验研究。王婕、林柏泉运用岩石破裂分析系统(RFPA2DFlow)模拟了割缝排放低透气性煤层内瓦斯的过程验证了割 缝排放煤层内瓦斯是降低低透气性煤层煤与瓦斯突出危险的有效方式。唐建新、贾剑青，针对矿井煤层瓦 斯抽采及防突中煤层透气性差，瓦斯抽采率低等问题，按照高压水射流技术应用的原理，设计了应用于抽 采钻孔中切割煤体的高压水射击流装置，并在现场对喷嘴和射流器进行了试验。李晓红等人提出了利用高 压脉冲水射流钻孔、切缝以提高松软煤层透气性和瓦斯抽采率的新

14、思想。基于岩石动态损伤模型，理论分析 和数值模拟高压脉冲水射流瞬时动载荷、柔性撞击作用下煤体的动态损伤特性及裂隙场的变化规律.。结果 表明，高压脉冲水射流的冲击效应、剥蚀效应以及震动效应等冲击荷载作用可有效破碎煤体增大煤体裂隙 率和裂隙连通率，提高煤层的透气性。余海龙等研究了水力疏松对工作面回风风流瓦斯浓度以及钻屑指标 的影响林柏泉等人通过分析煤层巷道煤与瓦斯突出机理，提出了整体卸压的理念，开发了高压磨料射流割缝防突 技术并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用水力压裂李同林证实了试验区目的层煤岩弹性模量低，泊松比高，脆性大，易破碎，易压缩，文章还得出了目的层 煤岩断裂准则二次抛物线型包络线，煤

15、层水压致裂裂缝形式判断，裂缝开裂角方位的计算公式以及相关结 论，李安启等人在理论和实践结合的基础上，阐述了由于煤岩特性对煤层水力压裂缝发育的影响，并结合国 内煤层水力裂缝监测结果进行了分析评估，提出适合模拟煤层水力裂缝几何尺寸的模型，特别是在煤层形 成复杂裂缝系统时的一些新观点.赵阳升基于实验、理论与数值分析，论述了水力压裂技术在改造低渗透煤 层过程中的局限性，其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝，而且在压裂裂缝周围还会产 生应力集中区，该区事实上成为煤层气开采的屏障区煤层注水聂百胜等人探讨了磁化水的性质、磁场作用机理以及磁技术在煤层注水方面的应用前景。研究结果表明， 必须在合适的

16、磁场作用下水的表面张力才能降低到最小；磁处理后，可以明显减少水中的某些元素，这对 于减少矿井水对管道的腐蚀具有重要意义；磁化水能够增加煤岩体的饱和吸水量，增加水在煤岩介质中的 渗透性水力掏槽李学臣等人的试验研究证明，水力掏槽措施卸压范围广、防突效果显著，同时水力掏槽掘进工艺实现了操 作过程无人值守，同时还提高了掘进过程的安全性爆生气体扰动卸压增透技术的研究主要包括深孔控制爆破和松动爆破两个方面石必明运用岩石断裂力学和爆炸力学理论分析了在高瓦斯低透气性有突出危险的煤层中进行深孔预裂控制 松动爆破时，煤与瓦斯耦合作用的爆生裂隙形成机理，得出了爆破过程中煤体贯通裂隙形成的条件及爆破 孔与控制孔孔间距

17、确定的依据.蔡峰、刘泽功针对高瓦斯低透气性煤层，采用Taylor方法建立了一个新的LS -DYNA3D爆破损伤模型，对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究再现了爆破过程中，动压冲击震裂、应力波 传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响 郑福良通过在单一低透气性煤层中采取深孔预裂爆破措施，大大增加了煤体内裂隙的数量，从而提高了煤 层透气性和抽采率樊少武为提高煤化程度高、低透气性难抽采的焦煤瓦斯抽采率，研究应用水压致裂和爆 破致裂技术，实验发现钻孔周围的裂纹数目、几何形态、连通状况等与致裂压力、煤岩体力学性质、应力 11分布、钻孔直径和周围介质中膨胀波

18、传播速度等相关，借助钻孔水压致裂和爆破致裂技术可以提高煤层 的透气性增加煤层透气性主要是增加煤层瓦斯的自由流动通道及裂隙，便于瓦斯的抽采。为了有效抽采煤层中的瓦 斯，对煤层进行人为强化增透卸压，改变煤体的结构煤层瓦斯压力梯度以及地应力梯度，使突出危险性大 大降低在矿井开采煤层群时，一般先开采非突出或突出危险程度低的煤层，即保护层的开采，也就是对突 出煤层进行层外卸压，开采保护层具有方法简单经济和卸压范围大等特点，现为国内外普遍应用；对于单一 煤层的开采，主要采取层内卸压的方法，比如水力冲孔水力割缝水力挤出水力压裂爆破法密集交叉钻孔法 等增透技术为了达到煤层卸压抽采瓦斯而防治突出，可以用相反的思

19、维考虑，利用煤与瓦斯突出来进行煤层卸压为了 保障在发生煤与瓦斯突出时的安全，同时也为了控制连续突出在小流量的状态下发生，以及突出后煤与瓦 斯分离处理20。瓦斯地质研究对瓦斯抽采的作用瓦斯地质学是研究煤层瓦斯的形成、赋存和运移以及瓦斯地质灾害防治理论的交叉学科。研究的内容包括: 煤层瓦斯的形成过程研究或者说煤层瓦斯组成与煤级的关系研究；瓦斯在煤层内的赋存与运移；煤与瓦斯 突出机理研究；构造煤特征研究；地质构造控制煤与瓦斯突出理论；煤与瓦斯突出预测方法与控制措施； 瓦斯资源地面开发；瓦斯地质图编制。17.构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用，主要表现为以下几个方面：（1）从煤体特征方面看，构造煤的空 隙

20、率一般较高，因而可以保存更多的游离瓦斯；同时，构造煤的透气性一般较小，因而构造煤一般能够保 持相对较高的瓦斯压力。因此，这两方面促成了煤与瓦斯突出所需要的动力条件，是煤与瓦斯突出发生的 内因。（2）构造煤遭受地质构造相关作用后，结构遭受不同程度破坏，裂隙、揉皱密布，滑面发育，外形呈碎粒和粉状，抵御外力作用的能力大大降低，形成了有利于煤与瓦斯突出事件发生的外部条件，即外 因。（3）构造煤中的吸附层，削弱了煤分子之间的相互作用力，起着一定的“分隔”作用；而构造煤中 的游离瓦斯，在煤体发生破碎作用时充当着“气垫”作用。这两方面的因素，一是造成了煤体强度明显降 低；二是有利于煤体颗粒相对移动，煤与瓦斯

21、突出抛出煤体，大大促进了突出作用持续、迅速地发生与发 展。 （4）由于构造煤的强度低，所以其发生变形的幅度差异和关系更敏感。这就是说，在煤层采掘后， 由于集中应力的作用，构造煤压缩变形的幅度较原生结构煤更大；反之，在卸压作用条件形成时，构造煤 伸张变形幅度也较大，甚至可以形成一些新的裂隙，为瓦斯的迅速解吸、放散和快速流动创造条件。因而， 更有利于煤与瓦斯突出的发生。（5）一定厚度的构造煤的存在是煤与瓦斯突出发生的必要条件。主要原 因有：突出准备阶段的一切必要条件，如能量积聚、大的集中压力的形成，瓦斯正常排放的受阻及自由 瓦斯聚集带的生成等，都只有借助于构造煤的存在才能满足。突出发生阶段所要求的

22、局部煤体的高速破 坏和大量吸附瓦斯的解吸等条件，也只有构造煤才能满足。正是由于构造煤薄弱分层或“通道层”的存在， 为上述过程的初始爆发和持续发展奠定了基础。大量观察和现场研究均揭示出：突出往往是从构造煤分层 开始发生的；一定厚度（0.20.5m）的构造煤分层的存在是煤与瓦斯突出发生的“源头”。突出扩展 阶段的煤体破碎作用与煤体解吸过程虽然涉及范围较大，但其扩展的“突破点”仍是构造煤。突出抛出 阶段所表现的分选现象，是突出强度由强到弱，煤体破坏程度由高到低的一个直观“映射”；而突出中大 量的“狂粉”的存在，一是原本破碎的构造煤在突出抛出阶段较大能量的作用下进一步破碎的结果；二是 抛出细粒物“尘扬

23、”的结果。在瓦斯压力、煤层厚度、围岩条件等相近的条件下，构造煤分层厚度越大， 煤与瓦斯突出的危险性越大。构造煤分层厚度及其变化，影响和制约着煤与瓦斯突出的强度和分布。即 构造煤分层厚度较大且变化明显区域，一般发生煤与瓦斯突出的频率较高，突出强度较大；而在构造煤分 层厚度较小且变化不明显的区域，一般发生煤与瓦斯突出的频率较低，突出强度较小。煤与瓦斯突出是 瓦斯压力、煤体特征及围岩条件等多种因素综合影响、综合制约的一种地质灾害现象。也就是说，一定厚 度的构造煤的存在虽然是煤与瓦斯突出的必要条件，但并非是煤与瓦斯突出的充分条件，所以不能仅凭构 造煤来预测煤与瓦斯突出分布规律或判断煤与瓦斯突出事件是否发生，以免在实际工作中犯片面性的错误