看点导读
01 综合作用假说与“四阶段”过程
综合作用假说认为煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯和煤体抵抗强度三者的综合作用下发生的，在高地应力下，煤体受压变形削弱强度，同时瓦斯压力增加了内在破坏能，当煤体抵抗能力不足时，瓦斯快速释放，导致突出[1]。这三者相互影响，共同决定突出的发生。如图1所示。
图1 煤与瓦斯突出的三要素[2]
煤与瓦斯突出过程可划分为4个阶段：准备阶段、发动阶段（激发阶段）、发展阶段和终止阶段[3-4]。其中，准备阶段积蓄能量，为突出做准备，这一部分能量主要为煤岩弹性能；发动阶段和发展阶段是煤与瓦斯突出的主要阶段，在这2个阶段里，突出的能量主要由煤中瓦斯的瓦斯膨胀能提供，煤层中煤在瓦斯的带动下向工作面抛出，如图2所示。
图2 煤与瓦斯突出“四阶段”力学作用过程描述
02 构造煤变形能及在瓦斯突出中的作用
尽管突出的综合作用假说已被广泛认可，相比于瓦斯膨胀能，煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略，程远平与王成浩[5]发表了题为《构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用》的学术论文，对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论，认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心，而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。
图3 霍多特和郑哲敏的变形能理论
大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中，为揭示构造煤变形能在突出中的贡献，开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验。揭示了构造煤变形能的形成与释放特征：构造煤具有高变形能的原因是地质构造改变了煤体结构。类散体的结构决定了构造煤在无应力条件下孔隙率高、高应力下产生压缩大变形的特征，进而导致构造煤的储能强于原生煤。换言之，构造煤变形能的形成与地质构造运动密切相关。变形能释放主要通过改变孔隙率控制游离瓦斯膨胀能，通过改变粒度分布与热力学能控制潜在解吸瓦斯膨胀能。
图4 煤体变形能释放对瓦斯膨胀能的控制作用
构建了突出过程中煤体变形能与瓦斯膨胀能释放模型，如图 5 所示。地质孕育阶段,形成了具有高突出危险性的构造煤体, 煤层中应力与瓦斯含量升高，为突出激发提供了必要条件。在采掘扰动孕育阶段，受应力扰动或流变作用影响，煤体卸压，变形能释放，煤壁向自由面或自由空间移动。煤中孔隙率增大，当变形能释放区的瓦斯流入量 (包含解吸瓦斯与煤层瓦斯补充) 大于瓦斯流出量，游离瓦斯膨胀能上升。游离瓦斯膨胀能达到突出阈值时，突出被激发。随后，粉化的构造煤在游离瓦斯的挟裹下，在巷道中以两相流形式向外界传输, 工作面前方煤体的不断释放变形能和瓦斯膨胀能，在煤层中以层裂形式向内传递，即突出连续发展阶段。层裂煤体在被抛出前,均经历了煤体变形能释放、游离瓦斯膨胀能聚集的过程。
图5 煤与瓦斯突出能量释放时空演化概念模型
03 软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据
为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况，卢守青，张永亮，撒占友等[6]发表了题为《软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据》的学术论文，采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究。
图6 数值模拟几何模型与边界条件
主要结论：巷道开挖后，构造煤的渗透率会骤增使得原来积聚大量的瓦斯突然间释放出来；构造煤分层还会通过界面应力诱发邻近的原生煤塑性体积和塑性变形最大值增加，促进原生煤内部的瓦斯的释放；初始瓦斯压力为0.74MPa时，单位体积构造煤的突出能量约为原生煤的3倍，构造煤的突出耗散能量却仅是原生煤的0.11倍；构造煤的突出失稳判据大于1，而原生煤的突出失稳判据要小于1。原生煤和构造煤组合体的弹性能、解吸瓦斯膨胀能均是突出能量的主要组成部分，对于组合煤体的区域瓦斯防突措施主要是以降低瓦斯膨胀能为主，局部瓦斯防突措施要同时降低瓦斯膨胀能和弹性能。
图7 原生煤和构造煤组合体瓦斯突出防治措施
04 卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用
煤体在突出连续发展阶段中将经历卸压过程，为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理，蒋静宇，史孝宁，王成浩等[7]发表了题为《卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用》的学术论文，以平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象,开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴破碎试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能，提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。
图8 破碎煤样的反算瓦斯解吸曲线与反算结果图
结果表明：卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用, 卸压速度越大，弱化作用越强。随着卸压速度的提高，煤样破碎后的粉化程度增强，瓦斯解吸量亦随之增高，导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从 0.01 MPa/s 增大至 0.1 MPa/s 时，破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了 21.05%~40.00%。研究表明卸压速度控制瓦斯膨胀能的正反馈循环过程是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。
图9 构造煤突出连续发展过程中卸压速度控制瓦斯膨胀能的正反馈循环
参考文献
[1] 陈向军, 时豪阳, 李新建, 等. 逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(2): 122-128.
[2] 王成浩. 煤与瓦斯突出能量表征与失稳释放机制研究[D/OL]. 中国矿业大学, 2024[2024-10-14].
[3] 胡千庭, 周世宁, 周心权. 煤与瓦斯突出过程的力学作用机理[J]. 煤炭学报, 2008, 33(12): 1368-1372.
[4] 涂庆毅, 程远平, 王亮, 等. 煤与瓦斯突出的动态过程研究[J]. 煤炭科学技术, 2015, 43(6): 71-75+96.
[5] 程远平, 王成浩. 构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用[J]. 煤炭学报, 2024, 49(2): 645-663.
[6] 卢守青, 张永亮, 撒占友, 等. 软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据[J]. 采矿与安全工程学报, 2019, 36(3): 583-592.
[7] 蒋静宇, 史孝宁, 王成浩, 等. 卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用[J]. 煤炭学报: 1-13.
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
