【正文】 措施的作用在于使工作面前方小范圍煤體喪失突出危險性。屬于該類措施的有開采保護層、大面積預抽煤層瓦斯和煤層注水等措施。根據(jù)局部防突措施的應用 巷道類別，可將局部措施分為石門揭煤措施、煤巷措施和采煤工作面措施等。根據(jù)量子力學理論，煤中吸附的瓦斯吸收一定頻率范圍的電磁波后能量會增大，由較穩(wěn)定的基態(tài)轉變?yōu)椴环€(wěn)定的激發(fā)態(tài)，很容易地克服分子間的作用力，變?yōu)橛坞x瓦斯。 CH4 分子只需要從外界獲得很小的能量就能擺脫吸附狀態(tài)，從 而形成大量的游離瓦斯分子，使得煤層中瓦斯壓力增大，在煤巖弱面發(fā)生煤與瓦斯突出的動力現(xiàn)象。 由煤巖體應力變化導致破裂產生頻率范圍很寬的電磁波，為從微觀角度研究煤與瓦斯突出提供了理論支持 。之所以會產生頻率信號的 不同步，是因為對同一巖樣在不同的受力階段，破裂的程度不同，產生的頻率也不同。曹惠馨等對在單軸壓力作用下巖石破裂過 程中產生的電、磁、聲信號做了研究 ,記錄到了 0～ 20kHz 頻段內的電磁輻射和聲發(fā)射信號；認為電磁輻射頻率與聲發(fā)射頻率有關、而且與巖石破裂有密切的關系。 產生電磁波頻率 范圍 由于地震等引起應力變化的煤巖體破裂過程中，可以產生頻率范圍很寬的電磁波。 煤巖體破裂變形能夠產生電磁和紅外等效應，而煤巖體的變形破裂是應力變化引起的，可以說煤巖體的應力變化可以產生電磁波。處在構造應力區(qū)或支承壓力區(qū)的井巷和采場圍巖不可避免地發(fā)生特別強烈的變形和破壞。當開掘巷道或進行回采時，破壞了原來的應力平衡狀態(tài)，引起煤巖體內部的應力重新分布，并且最終形成二次應力場。應用量子化學 Gaussian03 軟件程序包，采用密度泛函理論在B3LYP/6311G 水平上計算得到煤分子 與甲烷分子的物理吸附的鍵長、鍵角及二面角見表 2 22 和 23。 計算得到甲烷分子與煤表面組成的吸附態(tài)吸附能僅為 ，由此可知，甲烷分子只要從環(huán)境中吸取 。吸 附 前 的 甲 烷 分 子 的 能 量 為 ， 煤 表 面 的 能 量 為，甲烷分子與煤表面的苯環(huán)吸附后組成的吸附態(tài)的能量為。所有計算均由 Gaussian03 軟件完成，煤 分子化學基本結構單元的建立由 Gauss View 軟件完成 。 煤中的有機大分子是以稠芳香環(huán)為骨架，通過橋鍵和側鏈高度交聯(lián)的非晶質大分子空間網絡。煤是個有機大分子，其化學結構是由多種化學鍵和官能團組成的立體空間結構。地質條件不同，煤層中的瓦斯含量不同。成煤物質從沉積埋藏以后，在其煤化過程中生成大量的瓦斯，除有部分運移逸散掉之外，剩余部分保存在煤層中。本文應用量子力學理論和量子化學的計算方法研究煤與瓦斯突出機理，從而揭開煤與瓦斯突出發(fā)生的本質，為防治技術提供理論支持 。當前，絕大多數(shù)研究人員認為，突出是地應力瓦斯壓力和煤體結構性能等三因素綜合作用的結果，是聚集在圍巖和煤體中的大量潛 能，包括彈性能、瓦斯?jié)撃艿母咚籴尫?。這一過程具有可逆性，當外界瓦斯壓力降低時，一些吸收狀態(tài)的瓦斯也要釋放出來，“楔形”作用減弱，這時煤體體積會縮小，硬度會增大 。 煤體吸附了瓦斯以后，在自由狀態(tài)下會膨脹，體積變大，而且硬度要下降。由于煤體內的吸附孔隙很小，由孔隙中涌出的瓦斯通過各類裂隙滲流到煤體顆粒外部是需要一定時間的。當外界的瓦斯壓力增大時，游離瓦斯轉化為吸附瓦斯 的量增多，因此上式中煤層的瓦斯含量是隨瓦斯壓力增大而增大的。 煤層內的瓦斯含量 X等于吸附瓦斯含量加上游離瓦斯 含量 在煤層中，游離瓦斯和吸附瓦斯之間是相互轉化的，游離瓦斯分子通過熱運動碰上孔隙的內壁時，被煤分子俘獲，就成為吸附瓦斯，而吸附瓦斯分子通過熱運動可能掙脫煤分子的束縛進入孔隙空間就成為游離瓦斯。根據(jù)蘭格繆爾的單分子層理論可導出實際煤體的瓦斯吸附量計算式 ： 式中： Xx— 煤體的吸附瓦斯含量， m3/t； to— 實驗室測定煤的吸附常數(shù)時的試驗溫度 t0℃； n— 系數(shù)， n = (+)； p— 煤層內瓦斯的壓力， Mpa ； a— 煤體的吸附常數(shù)，表示單位質量煤體表面吸附瓦斯飽和時所吸附的瓦斯體積， m3/t； b— 煤體的吸附常數(shù) , Mpa1； A,W— 分別為煤中的灰分和水分， %。越容易液化的氣體越容易被吸附，當煤體孔隙表面吸附了一層氣體分子后，這種力場就達到了飽和。這樣巨大的表面積為煤體吸附某些氣體創(chuàng)造了條件。 煤體是一種多孔介質。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學吸附兩種類型，煤對瓦斯的吸附作用是物理吸附，在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占 80%～ 90%，游離瓦斯量占 10%～ 20%。當工作面進入到這些煤體時，很容易產生煤與瓦斯突出 。這種破壞的煤結構往往與瓦斯突出有著密切的關系。如果由這些構造 運動引起的煤層結構變化發(fā)生在整個煤層，則整個煤層的強度降低，如果這些構造運動只影響煤層內的部分煤體，使部分煤體結構發(fā)生變化，則這一部分煤體稱為軟分層。 含煤地層在經受地質構造運動作用時，由于煤、巖層的力學性質不同，在同一應力場中，往往出現(xiàn)不同的變形；煤層的頂、底板巖層產生脆性斷裂，而煤層則發(fā)生塑性流動，造成煤層的局部增厚和變薄。煤層頂?shù)装迤鸱黄?，使煤層局部壓薄或變厚。?直壓應力的方向，沿褶曲走向呈帶狀延伸，煤層加厚與變薄相伴出現(xiàn)。在褶曲的軸部，乃至尖滅。由于煤層本身強度較低，在構造應力的作用下，容易發(fā)生塑性流動，造成煤層局部加厚、變薄、尖滅等現(xiàn)象。在煤層的上部和下部，是煤層的頂板和底板巖石。簡單的煤層中沒有夾石，一般多為薄煤層。在溫度和壓力的進一步作用下，褐煤又通過煤化變質作用形成煙煤和無煙煤，在這一系列的變質過程中，煤體有機質分解產生甲烷 (CH4)等氣體。在地質歷史上，植物遺體在沼澤中微生物的作用下首先形成泥炭。 專題研究內容 在總結前人煤與瓦斯貯存與突出機理研究成果的基礎上，建立煤與瓦斯的吸附態(tài)模型；研 究礦井采掘工作面 煤與瓦斯貯存與突出機理，總結煤與瓦斯突出條件下煤礦開采技術。第二類破壞是煤體破碎成煤塊和煤粉。 煤體的破壞分為兩類。下述原因可以引起煤中應力狀態(tài)的突然改變 ： 煤層中堅硬區(qū)段或堅硬包裹體的承載能力以脆性破壞形式消失；圍巖作用于煤層的動載荷；放炮含震動放炮落煤時巷道迅速進入煤 層；放炮揭開煤層 。 測試與計算表明，在瓦斯礦井激發(fā)突出的第二與第三條件實際上總是可以滿足的，因此，能否滿足第一條件便成為發(fā)生突出的主要而必需的條件 。 激發(fā)突出的第二條件是： VpVx 其中： Vp— 煤的破碎速度； Vx— 煤裂隙中瓦斯壓力下降速度，取決于煤的裂隙性 。在綜合假說的多種說法中又以蘇聯(lián) 。 （ 3）綜合假說 該學說認為突出是地應力、瓦斯和煤的力學性質等因素綜合作用的結果。 （ 2）地應力作用說 這類 假說認為突出主要是高地應力作用的結果對于高地應力的構成有不同說法，一種認為除自重應力外還存在著地質構造應力，當巷道接近存儲構造應變能高的硬而厚的巖層時，后者將象彈簧一樣地伸張，將煤破壞和粉碎，引起瓦斯劇烈涌出而形成突出。另一類瓦斯說認為，甲烷在煤中以不穩(wěn)定的化合物形式存在，例如有多聚甲烷或結晶水化物存在或者煤可以自然地分解并放出大量瓦斯。在這 類假說中，瓦斯包說占重要地位，它認為在煤層中存在著瓦斯壓力與瓦斯含量比臨近區(qū)域高得多的煤窩即瓦斯包，其中煤松軟孔隙與裂隙發(fā)育，它具有較大的存儲瓦斯的能力，它被透氣性差的煤所包圍，存儲著高壓瓦斯。歸納起來可分為三類，第一類瓦斯作用說；第二類地應力作用說；第三類綜合作用說。自二十世紀六十年代以來許多國家加強了突出研究的國際學術交流活動，曾多次召開突出國際討論會，討論煤巖和瓦斯突出機理及其預測預報。 國內外研究現(xiàn)狀及存在問題 由于突出的復雜性及其對煤礦安全生產危害的 嚴重性，世界各國對此都十分重視。過分強調預測非突出率必須達到 100%，沒有明確定義突出危險地點的標準，一味地強調在預測時降低預測指標的臨界值以保證在任何誘導因素作用下都不突出，使預測指標的臨界值過低，造成掘進時超標次數(shù)過多，人為地增加了防突措施的實施次數(shù)及工程量，影響掘進速度。 但是在“四位一體”的綜合防突措施的執(zhí)行過程中，由于受到突出預測技術水平的限制，在部分地區(qū)對煤炭的生產產生較大的影響。采取了防突措施后，是否消除了突出危險性，利用效果檢驗進一步核查，其可靠程度有了保障。既在預測有突出危險的區(qū)域采取防止突出措施，預防突出的發(fā)生。隨著突出預測水平的提高，把突出預測作為綜合防突措施的第一個環(huán) 節(jié)，其目的是確定突出危險區(qū)域和地點，使防突措施更加具有針對性。隨著開采深度和開采強度的增加，發(fā)生突出的區(qū)域有增加的趨勢?！八奈灰惑w”的綜合