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第二章 突出机理研究的新进展 第一节 综述 多数国家采用煤与瓦斯突出实例的统计分析、 实验室研究和现场观测方法，对煤与瓦斯突出机理进行了广泛深入地研究，提出了很多假说。到目前为止，都不能对煤与瓦斯突出现象给予完全满意的解释，综合起来，突出机理假说大体上分为以下几类 ①．瓦斯主导说如“瓦斯包”说、“煤粉带”说、“煤空隙结构不均匀”说、“裂隙堵塞”说、“闭合孔隙瓦斯释放”说、“瓦斯膨胀”说、“卸压瓦斯” 说、“火山瓦斯”说、“地质破坏带”说、“瓦斯解吸”说等。 ②．地质主导说如“岩石变形潜能”说、“应力集中”说、“剪切应力”说、“ 塑形变型”说、“振动波动”说、“拉应力”说、“应力叠加”说、“冲击移近” 说、“放炮突出”说、“顶板位移不均匀”说等。 ③．化学本质说如“瓦斯水化物”说、“爆炸的煤” 说、“重煤”说、 “地球化学”说、“硝基化合物”说等。 上述三种假说多以推测居多，缺乏实践或实验室的研究依据。 ④．综合假说多数研究人员所持有的观点，即煤与瓦斯突出是由地应力、 瓦斯与煤的物理力学性质三者综合作用的结果，由于研究的出发点与依据不同， 对上述三种因素在煤与瓦斯突出中所起到的作用，看法也不尽相同。现简述如下 从理论与实践认为，煤与瓦斯突出是一种能量突然释放的现象， 从能量平衡角度分析，研究出能量集中与释放全过程，就能有效进行防突工作。例如防止能量的过度集中与突然释放，就能有效地控制住突出。要想达到这一点，就必须研究能量集中的条件和释放的方式，现分析如下 应力在煤与瓦斯突出发生的初期阶段，扮演着极其重要的角色。 通常我们把工作面的应力分为三种，即垂直应力、水平应力和采掘附加应力。 垂直应力是岩石自重造成的，它受控于垂深，在一个小的范围内，可视为常数。水平应力为构造应力， 它受控于地质构造的影响，在一个小的范围内，水平应力也可认为是个常数。 采掘附加应力是进行采掘工作时，破坏了采掘工作地点的原始应力平衡状态，促使应力重新分布，使工作面附近形成了卸压区、增压区（应力集中区）和正常压力区。 这三个区域的大小和范围与工作面附近的岩性有关。 采掘工作面的煤（岩）体，由于破坏了其原始受力状态， 在靠近工作面方向的煤体，由于解除了压力， 煤（岩）体向采掘空间发生位移（弹性恢复后的膨胀变形和塑性流变）， 促使靠近采掘工作面的煤（岩）体中的应力降低（小于垂直应力值）形成了卸压区。其卸压范围的大小取决于煤岩体的力学性质,强度低,卸压范围大,反之,则小。 由压力拱理论可知，采掘后,由于应力重新分布, 必然会出现集中应力区。 其集中程度同样也取决于煤（岩）体的力学性质和采掘工作面类型,回采工作面大于掘进工作面，煤（岩）力学性质好的大于差的。没有受到采掘工作面影响的地区称为正常压力区。 上述三个区域的分布通常采用钻孔钻屑量法确定。 采掘工作面都有应力集中现象,但并不一定都会发生煤与瓦斯突出， 它仅是发生煤与瓦斯突出的一个必要的先决条件。通过分析研究,突出必须满足以下两个基本条件 1）集中应力峰值点必须靠近该采掘工作面; 2）必须具有形成突然卸压的诱发条件。 第一种条件是否能出现,取决于煤岩的力学性质, 煤层坚硬或煤层厚度变薄都能满足条件。 第二种条件的形成同样与地质条件有关，即煤层突然变厚或变软，除此之外，还与采掘方式和速度有关。它是应力破坏煤体不可缺少的条件，了解这些,就为防治突出工作指出了技术途径。 瓦斯也是突出过程中的一个重要因素, 瓦斯的压力梯度用于破碎煤体，煤层快速解吸出来的瓦斯所形成的瓦斯气流, 将被破碎的煤搬运出突出工作面,其搬运距离取决于煤层瓦斯含量的多少和解吸速度的高低。 煤的物理性质是指煤层对瓦斯的吸附能力与解吸速度, 而力学性质是指煤层的强度。瓦斯解吸速度低，瓦斯含量小，煤的强度高的煤层显然是不利于突出的。 综合上述,煤与瓦斯突出的内在因素是应力、瓦斯和煤的物理力学性质。而外在因素是形成集中应力和造成突然卸载的条件。为了防治煤与瓦斯突出,必需改善其内在因素和消除其形成集中应力和突然卸载的条件。是防治突出的主要理论依据。 第二节 煤与瓦斯突出的流变机理 在采掘过程中，常发现工作面煤岩体发生外移，在许多煤与瓦斯突出的发生过程中，含瓦斯煤岩体表现出具有“流动”行为，如突出孔洞缩小或消失（突出煤岩的体积远大于突出孔洞的体积）；延期突出；特别是距突出地点数十米处的含瓦斯煤岩发生流动；突出瓦斯涌出量远远大于突出煤岩体中的瓦斯含量等实际现象。对这些行为或现象，“综合作用假说”等是无法作出解释的。 受外力作用的系统向新的平衡点过渡的过程，就是流变过程，其中包含变形和破裂过程。流变是物质的固有属性。含瓦斯煤岩体是一种很强的流变介质。 一．含瓦斯煤岩的流变特性 含瓦斯煤在外力作用下是一种强流变介质。图3-2-2-1为中国矿业大学实验得到的含瓦斯煤三轴受载蠕变曲线。在恒定的外力作用下，当外力大于含瓦斯煤体的有效屈服应力（即长时强度）时，含瓦斯煤体经历减速蠕变、匀速蠕变、加速蠕变和破坏四个阶段；当外力小于煤体的有效屈服应力时，煤体受压结构趋于致密，变形速度逐渐减小，最后趋向于零；第一主应力s1与侧应力s2s3差越大，流变速度越高图a；瓦斯气体的吸附性越强、压力越高，煤体的流变性越强图b。 图3-2-2-1 含瓦斯煤的三轴蠕变特性曲线 含瓦斯煤岩介质是由气体（游离瓦斯）、吸附层（吸附瓦斯）及煤岩固体骨架组成的“三相介质”。研究发现，孔隙气体对煤岩骨架的特殊作用，即外力达到临界载荷值前孔隙瓦斯帮助煤岩骨架支撑外力，达到临界载荷之后孔隙瓦斯帮助外力加速破坏煤岩体。煤岩体吸附瓦斯产生膨胀变形，解吸瓦斯产生收缩变形（图3-2-2-2）；游离瓦斯和吸附瓦斯共同作用使煤岩体强度（图3-2-2-3）和弹性模量降低（图3-2-2-4）；煤岩吸附瓦斯后产生膨胀变形和强度降低是由于吸附瓦斯使煤岩表面能降低和部分瓦斯气体分子对煤岩微裂隙有楔开作用，从而使煤岩微裂隙扩张的结果，并且这种作用随瓦斯压力增高和吸附性增强而呈抛物线型增大；煤岩体的流变破坏过程微观上是一个非均匀不连续过程，每一次的微破裂之后，附近区域将产生一定程度的应力释放；微破裂以“剪切”型张拉开裂为主。 图3-2-2-2 变形与瓦斯压力的关系 图3-2-2-3 煤吸附瓦斯后强度降低比率 图3-2-2-4 含瓦斯煤流变破坏过程中弹模变化实验曲线 二．含瓦斯煤岩流变本构方程 通过对含不同种类和压力瓦斯气体的多种煤样进行流变力学性态实验研究和理论分析，建立了含瓦斯煤三轴流变（蠕变）本构方程 通过数学回归反分析表明，所建立的含瓦斯煤岩三维流变（蠕变）力学模型能较准确地反映含瓦斯煤岩的流变（蠕变）行为特性。 三．煤与瓦斯突出的流变机理 煤和瓦斯突出本质上是属于含瓦斯煤体的流变行为。实践表明，一次大的突出往往是由几次小的突出所组成，在煤层中波及的范围从几米到几十米，延续的时间从几十秒到几天。突出在某些情况下表现为整体位移，在另一些情况下又表现为猛烈突出。通过含瓦斯煤的流变行为，可以比较好地解释这一过程。 煤与瓦斯突出过程从时间上可划分为四个流变破坏阶段，即突出的流变准备阶段、高速动态流变破坏发动阶段、持续流变破坏发展阶段和结束阶段，从空间上可划分为流变松驰区、强流变区、弱流变区三个区域。在采掘工作面前方，依次存在着三个区域，它们是松驰区域即卸压带A、应力集中区（强流变区B、弱流变区C）和原始应力区，见图3-2-2-5。 工作面前方的这三个区的范围及距工作面煤壁的距离随周期性掘进或回采工作的进行而发生变化。在新的采掘空间形成的瞬时，工作面煤体卸压带很小，应力集中带的应力集中程度较高，而后向内部逐渐转移，卸压带成为突出的屏障。 工作面前方的含瓦斯煤体在受采动影响后，从准平衡流变状态ε→0进入流变状态。在新的采掘空间形成后的短时间内，作用于含瓦斯煤层上的集中应力以一定的速度向煤体深部传播。 在A区，煤壁边缘部分已在瞬态和动态流变阶段受压屈服破坏,裂缝裂隙非常发育，仅以残余强度支撑已降低的外载荷。该区域的瓦斯气体大部分已被放散。在煤壁表面处侧向应力σ3＝0，越向煤体深部，侧向应力越大。因此，松驰区为含高压瓦斯的集中应力区和原始应力区提供了侧向应力，阻碍了集中应力区和原始应力区的蠕变变形。应力集中区域的含瓦斯煤体在较高的集中应力作用下蠕变。如果集中应力大于该区域内含瓦斯煤体的长时强度，出现衰减蠕变和稳定蠕变阶段，在应力水平较高时会出现加速蠕变阶段。该区域在衰减蠕变和稳定蠕变阶段中，主要表现为煤体在集中应力作用下的压缩和更进一步的剪切滑移，透气系数降低，瓦斯压力局部略有升高，瓦斯压力梯度增大。集中应力区域中瓦斯压力越高，则瓦斯压力梯度越大，从而促使有效侧向应力越小和裂隙面间滑动摩擦力越小，煤体越容易进入加速蠕变阶段。 因此，在较高的集中应力和孔隙瓦斯压力作用下，集中应力区域含瓦斯煤体会很快由稳定蠕变阶段进入加速蠕变阶段。如果这时集中应力区域煤体中的瓦斯压力仍保持较高值，则集中应力区域煤体的横向变形会推垮具有残余强度的松驰区域破碎煤体而发动发生煤和瓦斯突出。由集中应力区域煤体在蠕变阶段发动的突出一般为所谓的延迟突出。突出过程中的瓦斯，一部分由原始应力区通过发育的裂隙网补给。如果在集中应力区域达到加速蠕变破坏之前，该区内的瓦斯气体得到充分排放，则即使进入蠕变加速破坏阶段，突出也不会发生，而只会产生压出、片帮等现象。 当工作面向前瞬时进尺Ｌ后，原来作用于Ｌ区域煤体上的载荷必然转移到未垮落的前方煤体上。从而使前方含瓦斯煤体产生短时间应力集中，其值远高于蠕变阶段时的应力值。在短时集中应力作用下的含瓦斯煤体产生瞬态和动态流变。开始进入瞬时和动态流变状态的含瓦斯煤体，在急剧增高的集中应力作用下产生加速变形和破坏，将该部分在上一进尺中已初步被破坏的煤体进一步破碎。如果这部分煤体中的瓦斯在上一蠕变阶段中未能得到充分放散，则破碎的煤体被瓦斯冲垮并抛置粉碎，而不能产生残余强度对外载荷的支撑作用,也更不可能为深部煤体提供侧向应力。因此，使瞬态流变的集中应力区继续向深部移动，造成含瓦斯煤下一循环的破碎抛出。这样，工作面瞬时进尺后的所谓瞬时突出发动发生。突出过程中的瓦斯气体一部分由上一蠕变阶段中形成的更发育裂隙网的煤体补给。如果进入瞬态和动态流变阶段煤体中的瓦斯能量不足以冲垮已被破坏的煤体，则由于集中应力的前移使这部分破坏的煤体进入松驰状态而以残余强度支撑顶板压力，并为深部煤体提供侧向压力，使突出不能在瞬态和动态流变阶段发生，煤体进入蠕变阶段。 突出有两类一类是瞬时突出，在新的掘进或回采空间形成的瞬时，煤体内地应力和瓦斯压力重新分布，工作面煤壁附近的煤体的应力集中程度较高，煤体处于瞬态流变和动态流变状态，当工作面煤体承受不了地应力和瓦斯压力的共同作用时，工作面煤体向采掘空间突出；另一类是延期突出，新的采掘空间形成后，工作面煤体由瞬态流变和动态流变阶段进入稳定流变阶段，应力集中带和高瓦斯压力带向煤体深处转移，或逐渐形成并向煤体深处转移，在此过程中，当煤体承受不了地应力和瓦斯压力的作用，且卸压带的煤体不足以抵抗突出时，突出就会发生。 图3-2-2-5 煤岩体前方流变区域图 四．综述 通过对实验室和现场含瓦斯煤岩体的流变破坏规律进行的理论与实验研究，得出了对煤岩与瓦斯突出现象全面半定量化解释的“流变假说”。该假说首次将突出过程从空间上划分为三个流变破坏区域，即从采掘空间表面向含瓦斯煤岩体深部依次为流变松驰区、集中应力动态强流变区和弱流变区；从时间上划分为四个流变破坏阶段，即突出的流变准备阶段、高速动态流变破坏发动阶段、持续流变破坏发展阶段和结束阶段。用现场实验和实际突出现象证实了上述规律的存在。比较系统地论述了突出过程中各因素所起的作用，特别是解释了延期突出、突出孔洞缩小或消失及突出瓦斯量大大超出突出煤岩瓦斯含量等以前无法解释的突出现象。首次指出了含瓦斯煤层本质上没有非突出危险和突出危险之分，只要具备高速流变破坏条件，原非突出煤层可转化为突出煤层（平顶山矿务局、徐州矿务局等的实践已证明这一结论）。 “流变机理”的提出为含瓦斯煤岩动力灾害的预测防治奠定了良好理论基础。 第三节 煤与瓦斯突出的球壳失稳理论 煤与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种猛烈的动力现象。在发生这种动力现象的时候，工作面的煤体突然地连续地飞向巷道空间， 同时涌出大量的爆炸性气体，造成煤流埋人，冲毁支架与设备，破坏矿井的通风系统。煤与瓦斯突出现象的存在，给矿井生产带来了严重的影响。 为了揭示突出的本质，中国矿业大学的研究人员对煤矿井下的各种动力现象进行了分类。在煤矿井下，甚至在煤层内，并非只有突出这一种动力现象。不同种类的动力现象混淆在一起，会使得研究工作更为复杂。但是动力现象的发生离不开介质，也离不开力。在同样的条件下不同的力会产生不同的力学效果，而不同的介质在同一种力的作用下也会产生不同的破坏方式，我们认为，介质是产生各种动力现象的物质基础，力是产生动力现象的原因，介质和力当中任何一种因素发生变化，都会影响所产生的动力现象的属性和特征。 因此我们以“力和介质”作为标准对井下动力现象进行了分类，按作用力的不同将其分为4个大类，再按介质将其细分为10个小类。由于突出是由地应力和瓦斯压力综合作用产生的，我们把它归类于地应力和气体压力类，它是一种发生在含瓦斯软煤中的动力现象。 根据岩石力学的研究结果，当井下巷道形成之后，在掘进头前方始终存在着一个静态应力场。应力场的分布与原始地应力的大小及岩体强度有关。如果掘进头缓慢地向前移动，则应力峰也将缓慢地向岩体内部移动，并形成同样的静态应力场。煤与瓦斯突出发生在软煤中，当石门揭煤发生煤与瓦斯突出时，煤体和瓦斯不断地飞向巷道，突出阵面即不断形成的新暴露面快速地向煤体内部推进。这时在工作面煤体前方也始终存在着一个快速移动着的动态应力场。如果将突出阵面看作为一半球形，通过简化分析和论证可以得到突出过程中突出阵面前方的动态应力场，如图3-2-3-1所示。可以看出，当突出阵面向前推进的过程中，不同时刻，不同地点的煤体所受的力是不一样的。为此，我们仅研究其中某一煤体质点在突出过程中的变化。通过了解这一煤体质点在突出过程中的变化来了解突出的发生与发展过程。当突出阵面由左向右相对于某一煤体质点运移时，也就相当于煤体质点由右向左移动，这时，可以看出该煤体质点将经历以下几个阶段的变化 图3-2-3-1 突出阵面推进过程中的动态应力场 1原始应力状态。当突出波阵面距该煤体质点尚远未对其产生应力扰动时，该煤体质点处原始应力状态。 2集中应力状态。由于突出波阵面的推进，该煤体质点的两个相互垂直的切向应力不断增加，而径向应力不断降低。到集中应力峰处，切向应力达到最大值，但在此时该煤体质点仍处于弹性应力状态。尽管在应力集中过程中，煤体质点上的应力有所增加，但增加的幅度并不大，对于煤体孔隙内的瓦斯压力影响也不大。 3地应力破碎过程。在该过程中，煤体质点首先在集中应力峰的作用下破碎，进入极限平衡状态，其上的切向应力和径向应力逐渐降低直至径向应力降到孔隙中的瓦斯压力以下为止。在这一过程中， 由于煤体内瓦斯压力所作用的孔隙面积较小，而地应力较大，故瓦斯压力几乎不起作用。在刚开始破碎时，由于煤体质点处于三向应力状态，其破碎方式是塑性剪切破碎，产生大量微小的“x”型裂纹由于存在着径向应力增量的作用，形成的裂纹可能不是完整的“x”形，但裂纹的尖端方向为伪切向的，与切向斜交。随着“x”型裂纹的形成，煤体质点上的切向应力降低，但其径向应力也有所降低，由此引起该煤体质点的进一步破碎，裂纹进一步增多，而且使一些“x”型裂纹扩展。由于所形成的“x”裂纹方向是伪切向的，而此时作用在煤体质点上的残余应力还是切向应力较大，径向应力较小，根据G.C.sih的研究结果，在此时裂纹将向主应力方向产生一定限度的扩展，也就是向切向扩展，形成与暴露面近于平行的“I”型裂纹。 4裂纹扩展过程。在煤体质点经历上述破坏过程中，形成的裂纹将一些孔隙与裂隙连通起来，裂纹空间体积增大，裂纹内的游离瓦斯压力减小，促使煤体中与这些裂纹相通的小孔隙内的游离瓦斯及通道表面煤体的吸附瓦斯向裂隙中释放，裂纹中积聚一部分有压力的气体。随着地应力峰的前移，突出阵面的推进，煤体质点距暴露面越来越近，作用在该煤体质点上的径向压力将越来越小。当作用在煤体质点上的径向应力低于裂纹 中积聚的瓦斯压力时，某些最先达到扩展条件的“I”型裂纹就可能在裂纹内瓦斯压力的作用下沿切向扩展，在扩展的同时又将更多的孔隙与裂隙连通起来，加速煤体颗粒中的瓦斯向该裂隙内积聚。使裂隙扩展过程中能始终保持较高的瓦斯压力而使裂隙产生飞跃性的扩展。 5煤壳失稳抛出阶段。由于煤体暴露面附近的各个“I”型裂纹均沿切向扩展，将形成与暴露面近于平行的大裂缝，切割形成了与暴露面同形的球盖状煤壳。暴露表面附近已受地应力破坏的煤体中的瓦斯继续通过各种孔隙和裂隙向这个大裂缝涌出，使大裂缝内积聚着较高的瓦斯压力。在大裂缝中瓦斯压力的作用下球盖状煤壳失稳破坏，抛向巷道。地应力峰继续移向煤体深部，破坏后续的煤体质点，破坏后的煤体质点继续放出瓦斯，抛出煤体，形成连续的煤与瓦斯突出现象。 6搬运及静止解吸阶段。煤壳抛出后，落地碰撞破碎，在膨胀瓦斯的推动下沿巷道向外搬运。煤壳中的煤体质点由于碰撞破碎，内部的瓦斯也向外涌出，这部分瓦斯也参与了搬运过程。当煤体质点最终落于巷道中的某一点而停止运动后，煤体质点内的瓦斯还将继续向外涌出，但涌出强度逐渐降低。 根据以上的分析，任一煤体质点要发生突出，必须连续满足以下三个力学条件 1含瓦斯煤体在地应力的作用下发生剪切破坏 （3-2-3-1） 式中应力峰处的切向应力，MPa应力峰处的径向应力，Mpa;含瓦斯煤体的内摩擦角；K-含瓦斯煤体的内聚力，MPa。 2地应力作用后产生的裂纹在瓦斯压力的作用下扩展 （3-2-3-2） 式中P11-第i个裂纹中积聚的瓦斯压力，MPa；P2-暴露面处的大气压力，MPa；kic-煤体的断裂韧性，MN/ ；α-裂隙的半径，m；η-周围裂纹的影响系数；h-裂纹距暴露表面的距离，m；M1-受α/h比值影响的系数。 （3）扩展形成的球盖状煤壳在瓦斯压力的作用下失稳破坏 （3-2-3-3） 式中φi-第i个球盖状煤壳的边缘与其曲率中心构成的中心角的一半；E-煤休的弹性模量，MPa ；ti-煤壳厚度，m；Ri-煤壳的曲率半径，m；Pim-煤壳后部裂缝内瓦斯压力，MPa。 根据上述分析可以得到在突出过程中，地应力首先破坏煤体，使煤体内产生裂纹，然后煤体向裂纹内释放瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩张并使形成的煤壳失稳破坏、抛向巷道，使应力峰移向煤体内部，继续破坏后续的煤体，形成一个连续发展的突出过程。可以看出煤体在地应力的作用下破坏仅是突出发生的必要条件但不是充分条件，因为在地应力破坏煤体后如果裂纹中没有积聚足够的瓦斯压力，裂纹将不会大面积的扩展，暴露面附近己被地应力破坏的煤体也不会被抛出并承受一定的切向应力和径向应力，动态应力场逐渐趋向于稳态应力场，暴露面将处于稳定状态，其内部的瓦斯气体将以缓慢的方式向巷道释放。如果煤体在地应力作用下破坏后能快速释放出足够的瓦斯量并积聚成较高的瓦斯压力，撕裂煤体，并使球盖状煤片失稳抛出，则突出必定发生。因此，裂纹及裂缝能否在瓦斯压力的作用下扩展并且失稳抛出是发生突出的充分条件。从整个突出过程来看突出的发生与发展是以球盖状煤壳的形成、发展及失稳抛出为其特点的。我们将上述对突出过程的描述称为煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。 “壳失稳”假说提出后，四川省松藻矿务局的一位工人从突出现场脱险后声称看见突出发生时煤体是以”锅底状”煤片向外抛出的。这与”球壳失稳”假说对突出的描述不谋而合。我们用这一假说解释了从现场统计出来的突出规律，解释了以前的各种假说所能解释的煤矿现场的突出现象，还解释了以前的假说所不能解释的现象，如过煤门时的突出，突出孔洞的形成机理，延期突出的机理及爆破对突出的影响等等。 根据自然辩证法的原理，假说只是根据已知的科学原理和科学事实，对未知的自然现象及其规律性所作出的一种假定性的说明。这种说明可能是对的，也可能是错的。要证明所作的说明是对的，就必须进行试验验证。没有得到验证的假说是不可靠的。只有通过试验证明的假说，才有可能成为理论。而理论才是人们的意识对客观世界的真实反映。为此，我们从以下几个方面验证了球壳失稳假说。首先，依据球壳失稳假说的原理作出推论，然后从实验的角度来验证这些推论 1根据球壳失稳假说，煤体中任一点必须连续满足前述的发生突出的三个力学条件，则该点煤体才有可能抛向巷道，形成突出。很明显，如果某一点的煤体经历了地应力的破坏阶段和瓦斯撕裂阶段，已经形成球盖状煤壳后，由于不满足第三个球壳失稳抛出的条什，该煤壳将完粘的保存在原处。而突出停止后突出孔洞中新暴露的煤壁附近有可能发现这种煤壳。为此，中国矿业大学在实验室进行了四十多次的煤与瓦斯突出模拟试验，在这些试验中，在堵盖突然打开后，有的试验煤体丝纹不动，有的发生压出现象，有的则发生大型的突出现象，突出装置中70％～80％的煤样抛出1020m以外。在那些发生了小型突出但突出阵面未扩展至密闭容器边沿的情况下，我们取出残余的煤体，沿着突出阵面推进的方向用钢锯锯开，扫去浮煤，得到如图3-2-3-2所示的照片。照片中左侧为突出孔口方向，可以看出在残余煤体的剖面中除了局部点裂隙扩展时有分叉影响之外，裂隙均呈圆弧状分布。将这些煤片单独取出时，这些煤壳均呈球盖状，其厚度为2～4mm，基本上证实了前面的推论结果。 图3-2-3-2 突出残余煤样中的球壳状煤片 2根据“球壳失稳”假说对突出的解释煤层发生突出与否土要与煤体暴露时在地应力作用下破碎后初时刻释放瓦斯气体的快慢有关。只有那些原始煤体强度较低，瓦斯压力大，煤体在地应力作用下破碎严重的条件下，初时刻向大裂隙中释放的瓦斯量较大，而大裂隙中的瓦斯又来不及向巷道空间释放，才有可能在裂隙中积聚起较高的瓦斯压力，才能撕裂煤体并将其抛向巷道空间。因此，瓦斯撕裂煤体阶段与瓦斯抛出煤壳阶段是决定一个煤体质点能否抛出的重要阶段。从以上分析来看，在软分层暴露时，煤层在地应力的作用下破坏后突出是即刻发生的。因为破坏煤体的瓦斯向大裂纹内及球盖状煤壳后面的裂缝中涌出的同时也通过煤壳渗流到巷道空间。而与裂纹及裂缝相通的各种孔隙、裂隙中的瓦斯涌出特征是初时刻强度很大，然后很快下降，裂纹及裂缝中的最大瓦斯压力是在裂纹和裂缝形成后很快达到的，如果在最大的瓦斯压力作用下，球盖状煤片能够失稳抛出，则突出即刻发生。否则随时间的延长，瓦斯气体向巷道排放，裂缝中瓦斯压力将越来越低。这时不但这个煤片本身无法抛出，而且阻挡后续形成的煤片失稳抛出，在暴露面处很快形成一个卸压带，更不利于突出的发生。因此，不可能出现那种突出煤体暴露后延期一段时间再发生突出的现象。我们在突出模拟过程中也发现，只要软煤层一暴露，煤层要就发生突出或压出，要就出现无动力现象，从来没有发生延期突出的现象。因此，延期突出中的延期现象不是突出煤体本身造成的，只可能是突出煤体之前残存着部分硬岩或硬煤，它们发生蠕变破坏导致突出煤体在爆破之后延期了一段时间才暴露，造成延期突出现象。为了验证这一推论，我们在突出模拟装置的突出煤体与堵头之间浇注了一薄层混泥土板，再进行突出模拟试验，结果发生了延期突出的现象。 3突出的发生需要连续满足二个力学条件，如果我们增加巷道中的大气压力，也就是增加第二和第三个条件中的P2，就会使后面两个条件不满足，从而使得突山停止或不发生。据此原理，我们作了10次增压揭煤试验，在模拟巷道内增加大气压力，然后再揭开突出煤层，结果使得那些有突出危险的煤层变成了不突出的煤层或突出强度大大降低。见图3-2-2-8。这一试验为我们指出了一条安全快速穿越突出煤层的新途径增压爆破揭煤法，它能使具有突出危险的煤层在突然揭开时失去突出危险性。 图3-2-3-3 增压揭煤试验 通过以上研究，我们得到如下结论 1煤与瓦斯突出过程的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使形成的煤壳失稳破坏，将原本具有一定支撑作用的表面破坏煤体抛向巷道，迫使应力峰移向煤体内部继续破坏后续的煤体这样一个连续发展的过程。 2突出过程中任一抛出的突出煤体都经历了地应力破坏；产生裂纹，瓦斯压力使裂纹扩展形成球盖状煤片，煤片又在瓦斯压力的作用下失稳抛出这样一系列小阶段。 3在煤与瓦斯突出过程中，地应力并未参与煤体的抛出过程。地应力的作用仅是破坏煤体。而煤体的破碎仅是发生突出的必要条件，不是发生突出的充分条件。 4发动煤与瓦斯突出的充分条件是煤体受地应力破坏后能马上释放出大量的瓦斯，使煤体内的裂隙扩展沟通并使形成的煤壳失稳抛出。 5延期突出中的延期是由硬岩或硬煤的蠕变引起，突出则由硬岩或硬煤之后的含瓦斯软煤产生。 6通过增加巷道中的大气压力，阻碍煤体内的裂纹扩展和形成的球形煤壳向外抛出，可以使突出停止或不发生。这种增压揭煤法为煤矿现场快速安全地通过突出煤层提供了一新的技术途径。