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基于突变理论的煤与瓦斯突出预测分析 1 2 李刚 ，梁冰 1 辽宁工程技术大学安全技术及工程学院，辽宁阜新 (123000) 2 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 （123000 ） E-mail ：lgcllxxx@163.com 摘 要：总结了煤与瓦斯突出发生机理，根据煤与瓦斯突出预测的综合指标建立了尖点型的 突变数学模型，对煤与瓦斯突出进行了突变理论分析。 关键词：煤与瓦斯突出，突变，预测 中图分类号：TD 713 1 引言 煤与瓦斯突出作为煤矿开采中的重要灾害之一，众多的专家和学者从不同角度对其进行 了研究，并取得了一定的成就[1,2] 。由于矿井瓦斯受到地质结构、煤层厚度、煤层埋深、构 造特征等众多因素的影响，众多影响因素之间关系复杂，各矿区地质条件多样，所以对煤与 瓦斯突出灾害的预测研究存在很大的困难。本文在分析煤与瓦斯突出机理的基础上，利用突 变学理论对煤与瓦斯突出可能性进行了预测分析[3] 。 2 煤与瓦斯突出机理 国外对煤与瓦斯突出机理的认识可归纳为地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和 综合作用假说4 种。国内的学者对煤与瓦斯突出的研究自60 年代开始，对地质体应力状态、 瓦斯赋存状态、煤的力学性能等开展了大量的研究，提出了新的见解和观点，主要有中心扩 张学说、流变假说、二相流体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳理论等。 中心扩张学说认为煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的中心开始，之后向周围扩 展，由发动中心的煤－岩石－瓦斯体系提供能量并参与活动。在煤与瓦斯突出地点，地应力、 瓦斯压力、煤体结构和煤质是不均匀的，突出发动中心就处在应力集中点，煤体的低透气性 有助于建立大的瓦斯压力梯度[4] 。 流变说认为煤与瓦斯突出是含瓦斯煤体在采动影响后，地应力与孔隙瓦斯气体耦合的一 种流变过程。在突出的准备阶段，含瓦斯煤体发生蠕变破坏形成裂隙网，之后瓦斯能量冲垮 破坏的煤体发生突出。煤与瓦斯突出流变假说运用流变的观点，分析突出过程含瓦斯煤在应 力和孔隙气体作用下的时间和空间过程，给突出综合指标的建立创造了条件，可以较好地阐 明煤与瓦斯突出机理[5] 。 二相流体说认为突出的本质是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流体。二相流体受压积 蓄能量，卸压膨胀放出能量，冲破阻碍区形成突出，强调突出的动力源是压缩积蓄、卸压膨 胀能量，不是煤岩弹性能。该机理是在前人工作基础上的一个发展，需要利用实验模型等手 段进行实验验证[6] 。 固流耦合失稳理论认为突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发生迅速、突然破坏 而生成的现象。采深和瓦斯压力的增加都将使突出发生的危险性增加。失稳理论建立在煤岩 破坏机理的基础上。煤岩破坏过程是其内部裂纹发生发展起主导作用的过程,因而失稳理论 可为利用煤体微破裂信息预报突出的技术提供理论依据[7] 。 球壳失稳观点认为突出实质是地应力破坏煤体、煤体释放瓦斯、瓦斯使煤体裂隙扩张并 - 1 - 使形成的煤壳失稳破坏的过程。煤体的破坏以球盖状煤壳的形成、扩展及失稳抛出为主要特 点。这种观点对于解释突出孔洞的形状及形成过程很有帮助[8] 。 目前，受到认可最多的当属综合作用假说，该假说认为： (1) 煤与瓦斯突出是地应力、高压瓦斯、煤的结构性能等三个因素综合作用的结果，除 了地压和瓦斯压力外，在煤层中不存在任何其他导致突出的能源。 (2) 地压破碎煤体是造成突出的首要原因，而瓦斯则起着抛出煤体和搬运煤体的作用， 从突出的总能量来说，瓦斯是完成突出的主要能源。 (3) 煤的强度是形成突出的一个重要因素，只有当煤的强度很低、煤与围岩的摩擦力不 大时，地压造成的变形潜能才能使煤体破碎。 3 煤与瓦斯突出的突变模型 国内外对煤与瓦斯突出的区域预测常用的方法有单项指标法、综合指标法、地质指标法 和