瓦 斯 地 質 講 座（河南理工大學 張子敏）一、 瓦斯地質及其發展二、 瓦斯地質與災害預測和防治 第一節 瓦斯地質及其發展一、瓦斯地質的內涵瓦斯生于煤層，儲存于煤層，只要開采煤炭就會有瓦斯涌出來。無論從賦存、分布的地質原因和規律研究，還是從瓦斯涌出、瓦斯突出的原因和規律研究，都牽扯到極其復雜的地質條件、地質理論、地質測試手段和技術，當然還有開采等因素。（一）瓦斯是特殊的地質體瓦斯是無色無味的氣體，具有可燃性和易爆炸性，人的肉眼看不見，也摸不著，在礦井空間幾乎無處不有，瓦斯事故發生的規律不同于水、火、頂板冒落等事故那樣直觀，它對于井下作業人員很抽象。據統計，我國煤礦事故每年傷亡萬人左右，瓦斯傷亡人數占總數的40%以上。瓦斯是地質成因的，它是在數千萬年至數億年前由煤的變質作用形成的，它是生于煤層儲存于煤層或圍巖中的氣體地質體，它的生成條件、運移規律、賦存和分布規律都受著極其復雜的地質作用控制，它在煤層中的賦存狀態與煤顆粒、煤分子之間的關系經歷過極其復雜的地質歷史演化過程，牽扯到復雜的區域地質構造學和煤田地質學、煤化學知識；它的運移、流動規律牽扯到流體力學的知識；它在煤炭開采過程中的涌出和突出規律又牽扯到巖體力學、采礦學的知識。所以我們稱瓦斯是復雜特殊的地質體。由瓦斯引發的瓦斯突出災害、瓦斯爆炸災害引起我國各級政府的高度重視，投入大量的人力、物力、財力，組織國家“六.五、七.五、八.五、九.五”科技攻關，以及“十.五”面臨的新的攻關任務。（二）、瓦斯地質是科學的理論和技術大量的實踐證明了瓦斯地質規律是研究瓦斯形成、分布、賦存和變化的基本規律，瓦斯地質理論和技術是瓦斯災害預測理論和技術的基礎；是瓦斯災害防治理論和技術的基礎；也是解決瓦斯抽放理論和技術的基礎。1、瓦斯生成理論和技術表 1-1 每形成一噸煤的產氣量褐 煤肥 煤瘦 煤無煙煤68m3230 m3330 m3400 m3以上表 1-2 各煤化階段生氣量煤 化 階 段氣 體每個煤化階段最終殘留-噸煤的生氣量，m3泥炭向褐煤過渡褐煤向煙煤過渡煙煤向無煙煤過渡甲 烷二氧化碳68.3167.3161.6124.9192.923.4煤的變質作用可分為深成變質作用和巖漿熱變質作用。瓦斯生成量隨著煤的埋藏深度的增加而增加。2、瓦斯運移和賦存規律煤化作用生成的瓦斯經歷數千萬年至數億年的地殼構造運動的作用，80%左右的氣體都逸散掉了，因此瓦斯的運移和賦存規律極其復雜。只有搞清煤田、礦區地質構造演化歷史，在歷次構造運動中含煤地層隆起剝蝕和沉積坳陷的特征，才能搞清煤層瓦斯的主要保存特征，如同樣是石炭二疊紀系煤層，在山東省魯西煤田由于隆起作用上覆缺失三疊系的地層，煤層長期遭受風化剝蝕作用，大量瓦斯逸散，埋深600-700m深仍屬瓦斯風化帶，山東省98%的礦井都屬于低瓦斯礦井；而河南豫西煤田石炭二疊系煤層上覆沉積了數千米厚的下、中、上三疊統的地層，因此瓦斯保存條件較好，焦作、鶴壁、鄭州、平頂山礦區都是高瓦斯和煤與瓦斯突出礦區。只有搞清礦區、礦井地質構造及其構造應力場在歷次構造運動中擠壓、拉張和剪切構造的發育特征，才能搞清礦井、采區、采面煤層瓦斯的保存和高低分布特征；只有如此，也才能搞清礦區、井田的構造煤的發育和對瓦斯突出災害的控制特征。3、瓦斯突出機理和瓦斯突出規律的研究（1）瓦斯突出機理煤與瓦斯突出是礦井開采中危險性最大的災害，是世界各主要產煤國突出礦井共同面臨的技術難題。自從前蘇聯的霍多特為代表的煤與瓦斯突出機理綜合假說提出以來，近20年，在這一理論的指導下，瓦斯突出理論和技術的研究取得了明顯的進展。大量的實踐表明，瓦斯突出是氣、固介質共同參與下的地質問題和力學問題，加上不同采掘環境下的礦山開采應力激化，使研究復雜化。瓦斯地質的研究早已發現瓦斯突出都是發生在破壞嚴重的構造煤體。其實，突出煤層中早已存在著瓦斯賦存量大、韌塑性破壞嚴重的高分散相、低滲透性、低強度、并大于一定厚度的瓦斯突出煤體，它是發生煤與瓦斯突出的必要條件。不同礦井開采深度、采掘工作面臨近的斷裂褶皺構造特征及位置、采掘工藝等邊界條件的不同，影響到瓦斯突出發生的臨界條件和突出強度大小等。鄭哲敏（1992）提出，煤與瓦斯突出現象的能量主要來自儲存于煤層中的瓦斯；卸載破裂是以拉斷間斷面形式從煤的表面向內部傳播的。基于煤與瓦斯突出機理綜合假說，我們認為煤與瓦斯突出動力現象是一定厚度的瓦斯突出煤體在臨近采掘工作面煤壁時（自由面），由于卸載引起煤體拉張向深部擴展破壞，煤層透氣性高倍增強，同時煤體大量瓦斯因降壓快速解吸，瞬時間在煤壁前形成高動能的氣、煤顆粒混合體，類似點爆的炸藥包，造成煤體雪崩般地破壞。直到煤、巖體平衡拱（突出過程也是平衡拱的形成過程）形成可以抵擋煤體因卸壓引起的拉斷間斷面不再向深部擴展和瓦斯壓力趨于平衡、瓦斯解吸不再向深部擴展時，煤與瓦斯突出動力才會停止。1：200萬中國煤層瓦斯地質圖說明書（1992）研究了中國煤與瓦斯突出的區域分布，提出了深層構造陡變帶、深層活動斷裂帶，推覆構造帶和強變形帶是煤與瓦斯突出災害的敏感地帶。大量的事實說明了瓦斯突出煤體是強構造擠壓并發生韌性剪切變形的產物。我國所有的瓦斯突出煤層，在地質歷史演化過程中都經歷過區域構造控制下的強擠壓、剪切破壞作用。呂紹林（1999）提出，瓦斯突出煤體從發生到形成可以看成氣固結合的地質體在地應力、瓦斯內能等綜合作用下復雜的力學演化過程，在這一過程中激發了包括具有明顯的熱效應在內的各類電磁幅射、地電場特性也隨之改變等，因此，有著與原生結構煤體不同的地球物理特征。應用區域地質演化理論，結合瓦斯突出煤體地球物理場識別理論和探測技術，可以定量化的預測瓦斯突出煤體的時空分布規律。基于煤與瓦斯突出機理綜合假說，深入研究采、掘工作面煤與瓦斯突出機理，在此基礎上，運用現代計算機技術動態模擬演繹采、掘工作面瓦斯突出危險動態演變過程。有的放矢地及時防治煤與瓦斯突出災害。（2）瓦斯突出規律的研究（） 構造煤的發育是煤與瓦斯突出的必備條件大量的現場調查和觀測表明，在瓦斯突出地點的煤層中都存在著煤質松軟、層理紊亂、原生結構遭到嚴重破壞的大于一定厚度的軟煤分層，用手指可以搓成粉末狀和粉粒狀。這種煤是煤層在構造運動的作用下受強擠壓、剪切作用形成的以碎粒狀、糜棱狀為主的構造煤。焦作工學院把在高瓦斯突出煤層中發育的構造煤直接稱為“瓦斯突出煤體”。 這種煤是煤層受強烈剪切破壞作用下形成的一種高分散相多孔介質，煤的微孔隙微裂隙十分發育，大大增加了煤的比表面積，從而使煤對瓦斯的吸附能力大大增強；當應力解除時，微孔隙與微裂隙很快連通起來，又具有快速解吸瓦斯的能力。 構造煤強度低，大大地減少了煤與瓦斯突出時破壞煤體時消耗的能量。瓦斯突出煤體的堅固性系數一般都在0.8以下，多數在0.5以下，0.10.3居多。 構造煤很容易使裂隙閉合，在高地應力作用下壓成“煤磚”，大大降低了煤的透氣性。瓦斯突出煤體在臨近采、掘工作面前方時常常形成高應力梯度帶、高瓦斯解吸量梯度帶和快速破壞帶，巨大的彈性勢能和瓦斯內能可以轉化為巨大的機械功，使煤體在極短的時間內產生雪崩式的破壞。（） 壓性、壓扭性構造活動和部位是造成煤與瓦斯突出的根源可以說，所有的煤與瓦斯突出都是源于構造活動擠壓和剪切作用的結果。構造擠壓活動使得煤層具有高吸附瓦斯和封存瓦斯的能力；構造擠壓、剪切作用形成的壓性、壓扭性構造及其運動使得煤層發生強烈地韌塑性破壞和變形，形成了發育的“構造煤”。壓性、壓扭性逆斷層常常是煤與瓦斯突出的危險地帶，湖南洪山殿煤礦蛇形山井田有56次突出都是發生在小型逆斷層附近；四川天府礦區三匯壩一井發生的12870t/次、2807t/次兩次特大型突出都是發生在華鎣山深斷裂的低級斷裂F14-4逆斷層的下盤和上盤。有些正斷層附近發生的瓦斯突出，實際上是這些斷層在地質歷史演變過程中原來曾經是壓扭性的逆斷層，如沿太行山的焦作、安陽等礦區中的北北東、北東向正斷層，有些就是燕山運動早、中期太行山隆起活動時的逆斷層，燕山末期至喜山早期擠壓活動被拉張活動所取代，華北斷陷盆地的形成，使得沿太行山隆起帶的一些北北東、北東向壓性、壓扭性正斷層演化成現今看到的正斷層，在這些正斷層附近常有煤與瓦斯突出發生。() 深層構造陡變帶、深層活動斷裂帶、逆沖推覆構造帶、強度變形帶是發生煤與瓦斯突出的敏感地帶 中國的深層構造呈東西向和南北北北東向分布，以南北北北東向帶最為顯著。賀蘭山龍門山南北向陡變帶上分布著石嘴山、龍門山、雅榮、渡口等高瓦斯突出礦區，共有10余對高突礦井；太行山武陵山北北東向陡變帶上分布著南桐、松藻、焦作、鶴壁、安陽等高瓦斯突出礦區，共有30余對突出礦井。近東西向的陡變帶有兩條：天山赤峰陡變帶上分布有包頭、下花園、北票等高瓦斯突出礦區，共有10余對高突礦井；華南地區的萍鄉-郴州也是一個深層構造帶，分布有萍鄉、樂平、英崗嶺、豐城、白沙、梅田、南嶺等高瓦斯突出礦區，共有70余對高突礦井，共發生突出2000余次。深層構造陡變帶既是中、新生代以來構造活動最劇烈的地帶，也是陸內造山帶，有著特殊的地球物理場。 華北盆地北緣斷裂帶、鄂爾多斯盆地西緣斷裂帶、太行山斷裂帶分別與上述深層構造陡變帶一致，在此不再論述。華北盆地南緣龍首山固始深斷裂帶，受其影響的有靖遠、宜洛、平頂山、淮南等高瓦斯突出礦區，有10余對突出礦井。在華南地區，沿華鎣山斷裂帶上有華鎣山、天府、中梁山高瓦斯突出礦區，共有13對高突礦井。沿南丹紫云斷裂帶上分布有水城、六枝、紅茂高瓦斯突出礦區，有10余對突出礦井。宜春柳州斷裂帶和萍鄉郴州陡變帶一致。在揚子陸塊北緣斷裂帶上分布有黃石高瓦斯突出礦區。在金沙江紅河斷裂帶上有一個低瓦斯突出礦井螞蝗慶礦。在東北地區，沿牡丹江鶴崗斷裂帶上分布有鶴崗低瓦斯突出礦區和延邊和龍二氧化碳突出礦區，有2對低瓦斯突出礦井和2對二氧化碳突出礦井。在敦化密山斷裂帶上有撫順、雞西高瓦斯突出礦區，有8對高瓦斯突出礦井。在伊蘭舒蘭斷裂帶上有營城二氧化碳突出礦區。幾乎所有的煤與瓦斯突出都與深斷裂活動有關。深斷裂大多是板塊結合帶或地體的拼接帶，且往往是一些“復性”，“長壽”斷裂；深斷裂帶多是重力梯度帶，殼、幔物質陡變帶，地球物理場變化帶。燕山運動以來，中國大陸進入板塊活動期，東部受濱太平洋構造域控制，西部受特提斯構造域控制。東部殼幔物質調整，陸殼活化，隆坳分異；西部印度板塊持續北推，藏滇板塊隆升，西伯利亞板塊對擠。現代板塊活動，使得深斷裂成為構造活動的劇烈帶，深斷裂的擠壓、剪切活動，控制著周圍塊段發生同動力體系的擠壓，使那里的煤層發生構造變形、破壞，應力集中，瓦斯聚積同時發生。 中國多期、多層次的推覆構造十分發育，規模大者，推覆距離達數十千米。在四川盆地的西側發育的龍門山菁河推覆構造帶，逆沖推覆指向盆地中心。沿推覆構造帶上分布著龍門山、雅榮高瓦斯突出礦區，有7對突出礦井；在四川盆地的東側發育的武陵山、華鎣山推覆構造帶，逆沖推覆指向盆地中心，分布著松藻、南桐、天府、華鎣山、中梁山高瓦斯突出礦區，有高突礦井26對。在江南古陸與華夏古陸之間形成的湘桂萍鄉樂平浙西“S”型和反“S”伸展向北西凸出的弧形褶皺帶，伴有向南東傾斜的逆沖推覆和多層次滑脫。這一地區的漣邵高瓦斯突出煤田到萍鄉樂平高瓦斯突出煤田，包括有萍鄉、豐城、英崗嶺、樂平等高突礦區，共有63對高突礦井，發生煤與瓦斯突出2500余次，是我國煤與瓦斯突出最嚴重的地區之一。淮南煤田受舜耕山推覆構造的控制，礦區內逆斷層發育，該煤田有4對煤與瓦斯突出礦井。遼寧北票礦區處于大型推覆構造部位，是華北煤田最嚴重的突出礦區之一，有6對礦井全是高突礦井，共發生突出1500余次，最大的突出1894t/次，也是華北地區突出強度最大的。 在華北陸塊南緣和華南板塊北緣受東秦嶺強變形帶和大別山強變形帶控制的華北平頂山、宜洛、滎鞏、偃龍等煤田和淮南煤田，華南黃石煤田，都是具有煤與瓦斯突出危險的煤田。（） 瓦斯突出煤體地質規律研究瓦斯突出煤體具有明顯的動力變質作用特征，順磁共振研究表明，瓦斯突出煤體比原生結構煤體芳碳含量高，并隨變形程度的加劇芳香脂碳含量呈規律性變化；自由基濃度隨煤破壞程度增大而增加。典型的超微觀結構為蜂窩狀或熔巖狀，能夠吸附和積存更多的瓦斯并使煤的強度極低。瓦斯突出煤體是動力地質作用的結果、是韌性剪切變形的產物。研究證實，斷裂活動主要通過簡單剪切作用，使周圍煤體產生韌塑性變形形成構造煤體（瓦斯突出煤體）。大量的資料表明，幾乎所有的煤與瓦斯突出都有與地質構造有關，80%以上的突出事故都是發生在地質異常帶。前述可知，我國幾乎所有的煤與瓦斯突出礦區、礦井都是位于區域構造控制下的強構造擠壓、剪切帶；所有的瓦斯突出煤層在地質歷史演化過程中都經歷過區域構造控制下的強構造擠壓、剪切破壞作用；幾乎所有的瓦斯突出煤體都是位于礦區構造、井田構造或者是不同級別的斷裂構造控制下的強擠壓、剪切變形破壞帶。研究還證實，同級的小斷層分布中逆斷層附近的構造煤體比正斷層附近厚度大、范圍廣。（）瓦斯突出煤體地球物理特征和探測技術研究關于瓦斯突出煤體（構造煤）的研究，焦作工學院曾完成2項國家自然科學基金，3項煤炭科學基金，2項河南省自然科學基金。瓦斯突出煤體從發生到形成可以看成是氣固結合的地質體在地應力、瓦斯內能等綜合作用下的復雜的力學過程。在這一過程中激發了包括具有明顯的熱效應在內的各類電磁輻射，地電場特性也隨之改變等，因此有著與原生結構煤體不同的地球物理特征。瓦斯突出煤體與非突出煤體相比，導電性和介電性存在著明顯的差異；瓦斯突出煤體的超聲波速小于1000m/s,主要分布在600m/s左右；而非突出煤體的超聲波速主要集中在2200 m/s左右；當電磁波穿過瓦斯突出煤體時，能量明顯減弱而出現陰影。目前煤礦探測小構造和地質異常帶的地球物理方法有無線電波透視法、槽波地震法、地質雷達法、層內電測深法和脈沖超聲波法等。焦作工學院在承擔國家“九五”攻關子專題“礦井瓦斯突出危險帶預測的瓦斯地質技術研究”中應用煤炭科學總院重慶分院生產的WKTF3型無線電波透視儀在平頂山八礦的己15 13190工作面和己15 14081工作面分別探測出構造煤厚0.31.0m的3個和9個瓦斯突出危險帶。（） 瓦斯突出煤體空間形態分布規律可視化研究在前述研究工作的前提下，建立瓦斯突出煤體形成和分布規律的三維地質模型，開發出實現瓦斯突出煤體厚度、形態空間變化規律的可視化軟件系統。二 瓦斯地質發展1 煤礦要設置和培養專職瓦斯地質人才煤礦瓦斯地質和瓦斯防治技術是實踐性強、理論性強的技術，瓦斯隨著開采深度、地質條件、開采技術隨時都在變化，防治瓦斯災害最重要的是隨時掌握瓦斯變化規律。煤礦必須建立瓦斯地質資料的探測、采集、整理分析制度；隨時編繪瓦斯地質圖、表，以此指導瓦斯分布規律的預測和瓦斯災害防治。2 建立健全礦井瓦斯地質工作規范制度瓦斯地質規律是煤礦瓦斯形成、分布和賦存的基本規律，瓦斯地質理論是科學的理論，瓦斯地質技術是煤礦安全生產和資源開發最重要、最基本的技術。只要辦煤礦，首先應搞清瓦斯地質規律，只有如此，才能了解和掌握瓦斯涌出和突出危險的規律性；只有如此，才能搞清把瓦斯作為資源進行勘探開發利用的理論和技術。在搞清礦區、井田煤層區域地質演化歷史的基礎上，做到一級級的控制，從而搞清瓦斯賦存和瓦斯突出危險的分區分帶特征。目前，運用計算機技術，建立瓦斯突出危險性預測預報的四維可視化技術，首先要建立準確地瓦斯地質模型。這些都必須具有詳盡的第一手瓦斯地質分析資料。3 把瓦斯技術和采礦技術密切結合起來現代化采煤技術的高速發展，生產越來越集中，采掘機械自動化程度越來越高，瓦斯集中涌出和礦山壓力的急劇變化，使得原來的低瓦斯礦井也變成了高瓦斯礦井，使得影響煤與瓦斯突出的因素越來越復雜。4 應用現代化的多學科技術發展瓦斯地質技術和理論面對煤與瓦斯突出災害和爆炸災害這種國際性的技術難題，瓦斯地質技術要和現代化的監測技術、數據采集技術結合起來。充分利用地球物理場理論和技術發展瓦斯地質技術的測試手段，如瓦斯突出煤體探測技術和設備；充分利用計算機技術開發瓦斯突出煤體三維可視化軟件，開發采掘工作面瓦斯突出危險動態模擬監測監控軟件以及非接觸式的瓦斯突出危險預測技術手段。5 研究方向瓦斯地質研究和發展面臨兩大主題，一是瓦斯災害預測與防治；二是煤礦瓦斯資源開發利用。其中有兩大難題影響發展，一是煤與瓦斯突出機理的研究，需要進一步研究高應力狀態下的煤層瓦斯賦存狀態以及它的吸附、解吸規律；二是構造破壞煤體的研究，對于瓦斯突出煤層而言可以稱為瓦斯突出煤體。構造破壞煤體高分散相、高吸附能力、低強度、低透氣性，在我國高瓦斯突出煤層普遍發育，是我國實現煤層氣產業化的難點，也是我國煤與瓦斯突出災害防治的難點。第二節 瓦斯地質與瓦斯災害預測和防治瓦斯災害預測主要為瓦斯涌出量預測和煤與瓦斯突出預測、煤巖與二氧化碳突出預測。瓦斯涌出量預測目前主要有礦山統計法和以瓦斯含量為基礎的分源計算法；瓦斯突出預測分為區域預測和工作面預測。瓦斯災害防治主要為煤與瓦斯突出防治和瓦斯爆炸災害的防治，方法就更多了，以上這些內容都具體有人專題講。我這里主要講瓦斯地質與瓦斯災害預測和防治的關系。一、瓦斯地質與瓦斯涌出之間的關系煤層瓦斯涌出是指發生在煤層采掘過程中，由煤炭的破碎、運輸和煤壁釋放到回采空間。正常瓦斯涌出的過程緩慢持久，涌出量十分可觀，是造成礦井開采過程中瓦斯積聚超限和發生瓦斯爆炸事故的根源。有些礦區瓦斯涌出還包括開采層上下頂底板范圍內受采動影響的不可采鄰近煤層或巖層的瓦斯。如陽泉礦務局以礦井瓦斯涌出量大聞名全國，年瓦斯涌出總量高達3.5億，平均每分鐘涌出瓦斯700，折合每生產1t煤瓦斯涌出量為31。瓦斯涌出也是不均衡的，在空間分布上具有明顯的分區、分帶特征。瓦斯涌出的非均衡性不僅存在于煤田、礦井之間，而且還存在于同一煤層同一礦井的不同工作面之間。據全國334個煤田和礦區統計，高瓦斯礦區和煤田有149個，低瓦斯礦區和煤田為185個。可以將全國各大地區的煤層瓦斯在空間分布上劃分為8個高瓦斯區和12個低瓦斯區；36個高瓦斯帶和53個低瓦斯帶。圖1為山西太原南峪礦區瓦斯涌出分布圖。該區域內礦井瓦斯涌出總的呈現南高北低、兩邊高中間低的趨勢。瓦斯涌出條帶的延展方向在區域北部呈弧形；區域中部近東西，區域南部呈封閉形。其走向為北西到南東向，這與區域內主要構造軸線一致。圖1 山西太原南峪礦區瓦斯涌出量分布圖（m/t）在煤炭生產的各個不同階段都會遇到瓦斯涌出問題。但由于礦井瓦斯地質條件、生產技術條件和開采技術條件的差異，礦井瓦斯涌出規律和涌出量因地而異，因礦井而異。影響瓦斯涌出的因素多而復雜，根治技術難度大，一直是我國煤炭戰線長期存在的重大技術難題。特別是近幾年，隨著礦井開采范圍的加大和高產高效礦井或高產高效工作面的出現，打破了低瓦斯礦井和高瓦斯礦井的劃分界限，許多過去的低瓦斯礦井變成了高瓦斯礦井，一些低瓦斯礦井中出現了高瓦斯采區或高瓦斯工作面，給礦井通風管理帶來了極大的困難。為了研究礦井瓦斯涌出量與地質因素之間的關系，作者以工作面瓦斯涌出量作為因變量，選取埋藏深度、煤層傾角、斷層密度、煤層厚度、構造煤厚度等作為自變量，建立了陽泉礦區3號煤層瓦斯涌出與地質因素之間關系的數理統計模型，即： .(2-3)式中：D煤層傾角，度；F斷層密度，條/萬；M煤層厚度，m。從該數學模型分析得，礦井開采過程中工作面瓦斯涌出量與煤層傾角呈正相關關系；與斷層密度呈負相關關系；與煤層厚度有極明顯的正相關關系。說明煤層的透氣性具有各向異性，即順煤層方向的透氣性比垂直層面方向的透氣性大，煤層傾角大有利于采后冒落、垮落高度大，卸壓影響范圍大，使鄰近煤層瓦斯大量涌向采空區而流向工作面，因而工作面瓦斯涌出量與煤層傾角正相關；煤層厚度大，生成瓦斯的原始質料多，況且空間大有利于瓦斯賦存，對瓦斯涌出量的增加是不容忽視的；斷層密度加大而減少瓦斯涌出量是不言而喻的。二、瓦斯地質與煤與瓦斯突出之間的關系煤與瓦斯突出（含巖石與突出，以下簡稱瓦斯突出或突出）是煤礦地下開采過程中煤體在一個相當短的時間內突然拋向采掘空間的一種重要的自然災害，嚴重影響著礦井安全生產和職工人身安全。自1834年3月22日法國魯爾煤田伊薩克礦井在急傾斜厚煤層平巷掘進工作面發生了世界上第一次有記載的瓦斯突出至今的一個半多世紀中，世界各主要產煤國如俄羅斯、波蘭、澳大利亞、德國、英國、日本等都發生過程度不同的瓦斯突出。瓦斯突出一直是世界各國突出礦井安全和減災防災工作的主體。我國是世界上發生瓦斯突出最為嚴重的國家之一，據不完全統計，目前我國有瓦斯突出礦井270余對，已發生煤與瓦斯突出萬余次。近年來，隨著煤炭工業的迅猛發展，瓦斯突出對煤礦安全生產的威脅與日俱增，如平頂山礦區的東三礦近幾年相繼發生了瓦斯突出，成為了這些礦井影響安全生產和經濟效益提高的重要因素。（1）瓦斯突出的基本情況 中國煤礦瓦斯突出97%以上都發生在高瓦斯礦井，僅開灤的趙各莊、張家口的前山礦、鶴崗的南山礦和新一礦、撫順的南昌井、盤江的火鋪井和云南的螞蝗慶礦為低瓦斯礦井。瓦斯突出礦井的分布以華南地區最多為181對，占全國瓦斯突出礦井總數的66.3%；其次為華北地區和東北地區各為67對和21對，分別占全國瓦斯突出礦井總數的24.1%和7.6%；西北地區為5對，占全國瓦斯突出礦井總數的2%。從含煤地層時代來看，開采石炭、二疊紀煤層的突出礦井最多為230對，占全國瓦斯突出礦井總數的83.7%；其次是開采早、中侏羅世和晚三疊世煤層的礦井為23對，占8.5%；開采晚侏羅世早白堊世煤層的礦井為17對，占6.3%；開采第三紀煤層的礦井為4對，僅占1.2%。中國煤與瓦斯突出的始突深度在不同礦區、不同礦井相差甚大。始突深度最小的不到40m，如湖南紅衛里王廟礦為35m；最大的達到600m以上，如撫順老虎臺礦為640m。華南地區東部的湘、贛、粵始突深度最小，一般為數十米到200m；華南地區西部的川、黔、滇始突深度一般為100m400m；華北地區的始突深度約為200m500m；東北地區的始突深度在100m400m之間，最大為600m。 中國瓦斯突出礦井中，突出強度以中、小型為主。特大型瓦斯突出礦井有30對左右，主要分布在陰山燕遼、黑吉遼中東部、四川盆地龍門山大巴山、川南黔北黔西、贛湘粵桂東5個煤層瓦斯含量高和礦井瓦斯涌出量大的高瓦斯區內。華南地區特大型瓦斯突出礦井最多，有25對，占全國特大型瓦斯突出礦井總數的80%以上。突出強度最大的是天府的三匯壩一礦，最大突出煤量為12780t；其次是南桐的魚田堡礦和白沙的紅衛煤礦坦家沖井，最大突出強度分別為8327.5t和4500t。（2） 瓦斯突出的地質因素 從地質角度研究瓦斯突出動力現象，主要考慮發生瓦斯突出的氣體介質和構造破壞介質兩方面因素，即煤層瓦斯含量、地質構造和由地質構造破壞造成的煤體結構。第一，煤層瓦斯含量高是瓦斯突出發生的基礎。瓦斯突出集中分布在煤層瓦斯含量相對富集的地帶，全國30對特大型瓦斯突出礦井中煤層瓦斯含量一般都在20左右，從而不少礦區把煤層瓦斯含量作為評價瓦斯突出的標準。如湖南的漣邵和郴耒礦區煤層瓦斯含量大于15為嚴重突出煤層；瓦斯含量915為一般突出煤層；煤層瓦斯含量小于9不發生瓦斯突出。四川南桐礦區、天府礦區和焦作礦區發生瓦斯突出煤層的瓦斯含量臨界值分別為6、8和10。煤層瓦斯含量不僅決定著發生瓦斯突出的難易程度，而且還影響瓦斯突出的強度，如江西樂平礦區的涌山煤礦煤層瓦斯含量為17.01，最大突出強度為2200t；而該礦區的仙槎礦煤層瓦斯含量相對較小，瓦斯突出的最大強度100t左右。第二，煤體結構的破壞是一種地質構造破壞標志和發生瓦斯突出的必要條件，國內外不少研究者都把煤體結構的破壞程度作為預測瓦斯突出危險性的指標。煤體結構破壞是煤層受到構造強烈擠壓和剪切破壞作用的產物。由于受力大小、作用范圍和受力狀態的非均衡性，煤層中范圍和厚度大小不同的自然分層發生變形，喪失了原來的均質、層理清晰的條帶狀結構，而形成破碎的顆粒或粉狀的構造破壞煤。焦作工學院稱其為構造煤，并根據煤體宏觀和微觀結構特征，把構造煤劃分成碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤4種類型。構造破壞煤常常發育在壓性、壓扭性或剪切構造發育區域內構造應力比較集中的地帶，由于煤層物質組成和受力狀態的不同，構造破壞煤呈夾層狀或透鏡狀分布于煤層中的不同部位。在突出煤層構造破壞煤特別是碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤的存在性決定了煤層是否具備發生瓦斯突出的物質條件。國內外大量觀測研究表明，在瓦斯突出地點的煤層中都存在有煤質松軟、層理紊亂、原生結構遭到嚴重破壞、呈層狀或透鏡狀分布的軟分層，所有的瓦斯突出都發生在構造破壞煤發育的地帶之中。作者通過多年從瓦斯地質角度研究瓦斯突出煤體結構和通過探測煤體破壞結構進行瓦斯突出預測，把構造嚴重破壞并具有發生瓦斯突出的瓦斯能（即含有大量瓦斯）介質條件的煤體稱作瓦斯突出煤體，把原生結構煤稱作非突出煤體。瓦斯突出煤體從理論上是瓦斯突出各項參數的綜合反映，反過來瓦斯突出參數也從本質上確定了瓦斯突出煤體的易突性。瓦斯突出參數（值）是通過煤礦井下采取煤樣在實驗室測定獲得的相對指標，是目前國內外廣泛采用的預測瓦斯突出的物理量，其值大小不僅能夠客觀地反映煤體強度和破壞程度，而且還能很好地體現發生瓦斯突出的氣體介質條件。大量的試驗考察結果表明，值參數決定于煤體結構的宏觀類型，二者之間的關系極為密切。盡管其絕對值隨礦區不同而有所變化，但對于同一礦區、同一煤層來說，其數值特征主要取決于煤體的破壞程度。隨著煤體破壞程度的升高，值減小，值增加。國內不少研究單位對煤的值與煤體結構之間的關系進行了大量的研究，在生產實際中進行了廣泛應用并取得了十分明顯的安全效益和社會效益。煤科總院撫順分院提出突出煤的值小于0.52；湖南煤研所認為在0.30.8以下。由于煤質條件的差異，不同礦區瓦斯突出煤的值具有不同的臨界值。南桐礦區根據煤的值把煤層分為非突出煤層（值0.45）、一般突出煤層（0.45值0.35）和嚴重突出煤層（值0.75時為難突出煤層；0.75值0.45時為可能突出煤層；值0.45時為易突出煤層。北票礦區當值0.8時就極易發生瓦斯突出。中國部分特大型瓦斯突出礦井中，突出煤的值很小，幾乎都在0.2以下。值作為評價瓦斯突出危險程度的重要的瓦斯突出參數受到了各主要瓦斯突出國家的普遍重視，同樣也在科學研究和生產實際中得到了廣泛的應用。南桐魚田堡的測定破壞煤的瓦斯放散初速度比原生結構煤增大4倍左右。煤的比表面積是表征瓦斯突出煤體氣固介質物理和化學吸附能力的指標。在一定的瓦斯壓力條件下，煤的比表面積越大，煤對瓦斯氣體的吸附能力越強，但當煤中的瓦斯壓力部分解除后，煤的比表面積的大小又直接影響到煤的解吸瓦斯的能力。實驗證明煤的比表面積與瓦斯解吸的速度和解吸量都存在著明顯的線性關系。因而煤的比表面積的增大不僅增強了煤吸附瓦斯和放散瓦斯的能力，而且也增加了瓦斯突出的危險性。焦作工學院對魚田堡煤礦煤的比表面積與煤體結構類型以及與瓦斯突出之間的關系進行了系統的研究。原生結構煤的比表面積小于或等于30；原生結構受到輕微破壞煤的比表面積為3040；原生結構受到嚴重破壞的碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤煤的比表面積大于40。魚田堡煤礦的瓦斯突出絕大部分都發生在煤的比表面積大于40的地帶，因此該礦將煤的比表面積40作為瓦斯突出的臨界值。除此之外，煤的比表面積對瓦斯突出強度也有一定的影響，如魚田堡礦的6號煤層，煤的比表面積最大為22.0044.23，為局部突出煤層，突出強度最大為450t，平均突出強度為41.3t；4號煤層煤的比表面積最大為44.00103，比6號煤層大23倍，最大突出強度為8327.5t，平均突出強度為208.2t。全國許多瓦斯突出礦井都有瓦斯突出危險性隨著煤的比表面積的增大而增加的明顯規律。煤體結構的微觀特征研究能夠從更深層面刻畫瓦斯突出煤層的煤體結構特征。碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤在掃描電子顯微鏡圖象主要表現網格狀結構、碎裂結構和蜂窩狀或溶巖狀結構。網格狀結構普遍存在于碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤中，從圖象上觀察似經絡狀的網格狀結構是由許許多多的白色或灰白色的長短不等、寬窄不同、彎彎曲曲并彼此交織在一起的網紋所構成，可作為從微觀的角度評價瓦斯突出煤體結構的破壞程度的典型特征。碎裂結構又可分為顯微角礫狀結構、團粒狀或魚籽狀結構和定向排列結構。顯微角礫狀結構的特點是由許多大小不等的、棱角明顯或稍有磨圓的碎粒和夾雜在其間的更加小的粉末組成，它們是煤體脆性形變過程中顆粒之間相互搓揉的結果。團粒狀或魚籽狀結構是煤體由大小不同的無數細小的似圓球形或團粒構成，其與顯微角礫狀結構十分相似，只是比角礫狀顆粒更加圓化。定向排列結構的特點是煤中破碎細小顆粒沿一定方向呈現似層狀構造的平行排列，其中是構造破壞程度相對較小的煤體結構。蜂窩狀或溶巖狀結構是嚴重破壞煤體在高倍電子顯微鏡下所呈現的圖象特征。煤體由大小不等、形態不規則、連通或孤立存在的許多蜂窩狀空洞組成。構造破壞程度較高的煤體結構（粉粒煤和糜棱煤）在電子顯微鏡下所表現出來的微觀結構反映了構造破壞煤體的內部孔隙和內表面特征、儲存和運移瓦斯條件、煤體強度性質以及發生煤與瓦斯突出的物理介質條件。構造破壞煤的厚度也是影響瓦斯突出的重要地質因素。如果厚度較薄，在0.1m或0.15m以下時，一般情況下不管其它條件如何變化都不會發生瓦斯突出。因此，不少礦區都提出了以構造破壞煤的厚度作為預測瓦斯突出危險性的指標。如陽泉3號煤層發生瓦斯突出的構造煤厚度為0.45m，安陽龍山礦為0.1m。南桐礦區4號煤層的構造煤厚度1.6m2.0m發生瓦斯突出次數占全礦區瓦斯突出總數的48.3%，平均突出強度為110t；5號煤層的構造煤厚度0.04m0.3m發生瓦斯突出次數占全礦區瓦斯突出總數的23.6%，平均突出強度為31.6t；6號煤層的構造煤厚度0.1m0.40m發生瓦斯突出次數占全礦區瓦斯突出總數的24.8%，平均突出強度為37.1t；在中國華南地區所發生的瓦斯突出大部分都與構造煤急劇變厚有關。第三，構造應力相對集中的地帶是瓦斯突出發生的主要位置。瓦斯地質研究表明，瓦斯突出分布是不均衡的，在平面和空間上具有分區分帶的特征，地質條件對瓦斯突出的分區分帶具有明顯的控制作用。特別是壓性、壓扭性構造與瓦斯突出息息相連。究其原因，一方面是這些構造有利于造成構造煤形成和發育；另一方面是在這些構造發育的地帶構造應力比較集中，使煤層處于強壓狀態，從而有利于在煤層中賦存高壓瓦斯。中國華南地區在地質歷史演變過程中壓性和壓扭性構造作用時間較長，這無疑是瓦斯突出的頻率和強度都比其它地區嚴重的重要原因。況且從現今的構造應力場來看，華南地區的地應力作用仍然比華北地區高。國家地震局地殼應力所測定的中國東部大陸地表100m以上的構造應力狀態表明，華北地區平均水平主應力為3.3MPa，平均水平應力差為1.8MPa；而華南地區平均水平主應力為8MPa，平均水平應力差為4.8MPa。在斷裂構造中瓦斯突出主要與壓性、壓扭性斷裂有關，有時斷距只有幾m甚至幾dm的小型逆斷層或平移斷層就會導致強烈的瓦斯突出。這在我國華南