煤与瓦斯突出是煤矿井下一种极其严重、突发性极强的动力灾害。它指的是在采掘工作面或巷道揭煤过程中，储存瓦斯的地质构造区域受到扰动，导致煤体瞬间破坏，伴随大量煤（粉、块）和瓦斯以极快的速度、极大的能量从工作面、巷道壁板或底板中猛烈地喷射出来，充斥作业空间，造成人员伤亡、设备损坏和矿井生产中断。
煤与瓦斯突出是什么？有什么典型特征？
煤与瓦斯突出并非简单的瓦斯涌出或煤层垮落，它是一个煤体瞬间破碎、瓦斯瞬间释放并携带大量破碎煤体高速喷出的复杂过程。其典型特征包括：
- 突然性强：毫无预兆，瞬间发生，反应时间极短。
- 破坏性大：瞬间喷出的煤和瓦斯能量巨大，能将沉重的设备甚至混凝土结构抛出或摧毁。
- 喷出物多：突出量通常很大，可达数十吨甚至数千吨煤（以煤粉为主），同时喷出数十万甚至数百万立方米的瓦斯。
- 瓦斯浓度极高：突出区域瓦斯浓度瞬间飙升至爆炸甚至窒息极限以上，极易引发瓦斯爆炸或人员窒息。
- 伴随声响：发生时常伴有巨大的轰鸣声或闷响。
- 形成突出坑：突出后，工作面或巷道壁板上会形成形状不规则的突出坑，是突出的重要证据。
- 风流逆转：巨大的瓦斯和煤尘喷出量会导致巷道风流瞬间逆转。
突出物中，煤往往呈颗粒极细的煤粉状，甚至像烟雾一样弥漫，这是煤体在巨大应力和瓦斯压力下瞬间爆裂粉碎的结果。
为什么会发生煤与瓦斯突出？发生的物理机制是什么？需要哪些条件？
煤与瓦斯突出的发生是多种因素耦合作用的结果，其核心物理机制是煤体中储存的能量（主要是地应力能和吸附瓦斯能）超过了煤体的破坏强度，并在外部扰动下瞬间释放。
物理机制简述：能量积聚与瞬间释放
未开采的煤层及围岩承受着上覆岩层的巨大压力，即地应力。同时，煤具有吸附瓦斯的特性，高压瓦斯以分子状态吸附在煤基质中，也以游离状态赋存于煤的裂隙中。这些地应力和瓦斯压力赋予煤体巨大的内能。当采掘活动导致应力重新分布，在某些区域形成应力集中，同时煤层瓦斯含量和压力较高、煤体结构又相对破碎时，煤体内部的应力和瓦斯压力可能接近或超过煤体强度。此时，任何外部扰动（如爆破、机械掘进、甚至人员敲击）都可能成为触发因素，使得处于不稳定平衡状态的煤体瞬间失稳，瓦斯迅速解吸、膨胀，推动破碎的煤体高速喷出。
发生突出的必备条件：
突出往往发生在同时具备以下条件的区域：
- 高地应力：尤其是在深部矿井或地质构造复杂的区域，地应力高，容易在采掘扰动下形成显著的应力集中。
- 高瓦斯含量和高瓦斯压力：煤层吸附和储存了大量的瓦斯，且瓦斯压力很高，这是突出的主要能量来源之一。高压瓦斯能显著降低煤的强度。
- 突出危险的煤体性质：煤体必须具备一定的瓦斯吸附能力，同时又不是极其坚固（不易破坏）也不是极其松软（应力无法集中）。通常是结构脆弱、裂隙发育或经受过构造应力改造的煤层，容易在应力作用下破碎失稳。煤的坚固性系数、瓦斯解吸速度等指标都会影响突出危险性。
- 诱发因素：采掘活动本身就是最常见的诱发因素，包括：
- 爆破：瞬时产生的冲击波和震动。
- 机械掘进：截割、破碎煤岩引起的震动和应力扰动。
- 顶板或底板来压：上覆岩层或下伏岩层受采掘影响产生的应力变化。
- 地质构造：通过断层、褶曲等构造应力集中，也可能诱发。
煤与瓦斯突出在哪些地方容易发生？与地质条件有什么关系？矿井内哪些地点更危险？
煤与瓦斯突出具有明显的地域性、层位性和地点性。
容易发生的区域和层位：
- 深部矿井：随着开采深度增加，地应力通常增大，瓦斯压力也可能升高，突出危险性普遍增加。
- 突出煤层：并非所有煤层都具有突出危险性，只有具备上述突出条件的煤层才被认定为突出煤层。这些煤层往往具有较高的瓦斯含量、较高的瓦斯压力以及特定的煤体性质。
- 构造复杂区域：断层、褶曲、岩浆岩侵入等构造活动区域，地应力异常集中，煤体结构可能被破坏，瓦斯赋存条件也复杂，是突出高发区域。
矿井内危险地点：
即使在突出煤层中，突出也更倾向于发生在某些特定的采掘地点：
- 采掘工作面：这是最常见的突出地点。随着工作面推进，前方的煤体承受着巨大的支承压力和瓦斯压力，是应力集中最显著的区域。
- 巷道掘进迎头：掘进工作面也是应力集中和瓦斯压力较高的区域。在揭露新煤层或穿过构造带时尤为危险。
- 底板、顶板突出：瓦斯和应力不仅赋存于煤层，围岩（顶板、底板）中的煤线、含煤岩层、断层破碎带等也可能储存瓦斯并发生突出，称为底板突出或顶板突出。
- 巷道交叉口、拐弯处：这些区域应力分布复杂，容易形成应力集中。
- 过地质构造带（断层、褶曲轴部等）：这些区域应力异常集中，煤岩性质变化大，瓦斯赋存异常，是极度危险的区域。
- 瓦斯异常高区域：瓦斯探孔揭示瓦斯涌出异常或瓦斯压力异常高的地点。
突出时能喷出多少煤和瓦斯？会造成什么影响和后果？
煤与瓦斯突出的规模差异巨大，小规模突出可能只喷出几吨煤和少量瓦斯，大规模突出则能瞬间喷出数百吨甚至数千吨煤（多为煤粉），同时伴随数十万甚至上百万立方米的纯瓦斯喷出。例如，一些历史上的特大突出事故，突出煤量可达数千吨，瓦斯涌出量超过百万立方米。
这种巨大能量的瞬间释放带来的后果极其严重：
- 人员伤亡：这是最直接和严重的后果。高速喷出的煤和岩石能瞬间掩埋、冲击甚至抛甩人员；瞬间升高的瓦斯浓度导致人员窒息；突出引起的瓦斯爆炸导致大面积烧伤和死亡。
- 设备设施损坏：井下采掘设备、支护设施、通风设施、供电设施等可能被突出物掩埋、冲击或摧毁。
- 巷道破坏：突出区域的巷道可能因剧烈的能量释放而扭曲、变形、坍塌。
- 瓦斯超限：突出后井下瓦斯浓度急剧升高，远超安全标准，影响周边甚至全矿井的通风安全。
- 煤尘爆炸风险：高速喷出的细微煤粉悬浮在空气中，与高浓度瓦斯混合，极易引发次生煤尘爆炸，扩大灾害范围。
- 生产中断：突出发生区域及其附近范围需要进行灾害处理、恢复重建等工作，导致矿井长时间停产，造成巨大经济损失。
- 心理影响：对矿工及管理人员造成严重的心理创伤。
如何预测和预警煤与瓦斯突出？
准确预测煤与瓦斯突出是世界性难题，目前主要依靠区域性预测和局部性预测相结合，结合多种指标进行综合研判和预警。没有单一指标能百分之百准确预测突出。
常用的预测方法和指标：
- 区域预测：
- 地质条件分析：根据煤层埋深、构造复杂程度、瓦斯地质等判断区域突出危险性。
- 经验判别：根据同一煤层或其他临近煤层已发生的突出情况进行经验判断。
- 地球物理勘探：通过地震波、电磁波等方法探测地下应力场和瓦斯赋存异常区。
- 局部预测（在采掘工作面进行）：
- 钻屑瓦斯解析指标（K值、Δh2）：通过钻孔取出的煤屑在规定时间内解析出的瓦斯量来判断煤体的瓦斯解吸特性和突出危险性。这是目前应用最广泛的指标之一。
- 钻孔瓦斯涌出量：在钻孔过程中监测钻孔的瓦斯涌出速度或总量，异常升高预示危险。
- 钻孔深度和钻孔困难度：经验表明，在突出危险区域钻孔，往往会遇到钻孔困难度突变、掉钻、卡钻、或发生喷孔现象。
- 煤体坚固性系数（f值）：衡量煤体抵抗破坏的能力，f值越小，煤体越脆弱，越容易突出。
- 应力监测：通过各种传感器（如应力计）监测采掘工作面周围煤岩体的应力变化，异常应力集中可能预示危险。
- 微震监测：监测煤岩体破裂产生的微小地震信号，分析其频率、能量等特征，判断煤岩体的稳定性状态。
- 电磁辐射监测：煤岩体破裂过程中会产生电磁信号，监测这些信号的变化。
- 瓦斯传感器监测：实时监测工作面和巷道风流中的瓦斯浓度，虽然不能预测突出，但可以提供瓦斯异常升高预警。
现代矿井通常建立综合监测预警系统，结合多种指标，进行实时监测和数据分析，当多个指标同时达到或超过预警阈值时，会发出预警信号，采取相应的安全措施。
如何预防和治理煤与瓦斯突出？有哪些具体的工程措施？
预防和治理煤与瓦斯突出的根本原则是降低突出发生的必要条件，即降低应力、降低瓦斯压力和瓦斯含量、改善煤体性质。这是一项系统工程，需要采取区域性措施和局部性措施相结合的方式。
区域性防突措施：
- 卸压保护层开采：优先开采本煤层之上或之下的无突出危险或危险性较小的煤层。先开采保护层，可以导致目标突出煤层的上覆或下伏岩层垮落，形成卸压空间，使目标煤层区域应力大幅降低，同时促进瓦斯向卸压空间或保护层工作面解放，从而降低瓦斯压力和含量，达到防突目的。这是最有效、最根本的区域防突措施之一。
- 区域瓦斯抽采：在开采前，通过地面或井下钻孔对区域范围内的突出煤层进行长时间（数月甚至数年）的瓦斯抽采。通过降低整个区域的瓦斯压力和含量，从源头上消除突出危险。
- 采取合理的采掘顺序和布置：优化矿井开拓方式、采区划分、工作面走向等，尽量避免在应力集中严重的区域同时布置多个工作面，或合理避让高危构造区域。
局部性防突措施（在采掘工作面或巷道迎头进行）：
这些措施主要针对即将受采掘扰动的具体区域，目的是在掘进或回采前，消除或降低该区域的突出危险性。
- 钻孔卸压瓦斯抽采：在工作面或巷道迎头的前方、帮部、顶底板布置一定数量、深度和直径的钻孔。钻孔本身能起到释放部分应力的作用，更重要的是通过钻孔将煤体中的瓦斯抽出，降低瓦斯压力和含量。这是最常用的局部措施之一。
- 水力冲孔（或水力割缝）：利用高压水射流在煤体内冲割出孔洞或缝隙。水力作用能破碎煤体，降低应力，同时高压水渗入煤体能软化煤，水冲产生的碎煤和瓦斯可被排出。
- 水力压裂：向钻孔中注入高压水，使煤体产生新的裂隙，降低煤体的整体强度，并促进瓦斯解吸和流动。
- 预裂爆破：在掘进前，通过特殊布置的炮眼进行控制爆破，人为制造裂隙，破碎煤体，释放部分应力和瓦斯。必须严格控制爆破参数，防止诱发突出。
- 注水：向煤体内注入高压水，水渗入煤的裂隙和孔隙中，一方面能润湿和软化煤体，增加煤的塑性；另一方面可以封闭裂隙，抑制瓦斯流动（此作用有争议，但软化作用是肯定的），提高煤体的抗冲击能力。
- 煤层松动爆破：在一些特别坚硬或应力高的区域，通过爆破将煤层预先松动，释放应力。
- 岩巷穿层钻孔或底板岩巷卸压：在煤层下方或上方的岩层中掘进巷道，或在岩巷中向煤层打穿层钻孔，以促进煤层瓦斯涌出和应力释放。
防突管理措施：
除了工程措施，严格的管理和制度也是防突的关键：
- 突出危险性预测预报制度：严格执行预测预报，根据预测结果划分危险区域。
- 安全防护措施：在高危区域作业时，必须采取个体防护措施（如携带自救器），设置防突安全门等。
- 限制区域作业人数：高危作业区域严格控制同时作业人员数量。
- 敲帮问顶和探水探瓦斯：这是传统的安全措施，但对于预防突出仍有一定作用，可以探测煤体松软程度和瓦斯涌出异常。
所有的防突措施必须严格按照相关规程和设计进行，并在施工过程中进行效果检验，确保措施的有效性。
发生煤与瓦斯突出时应该怎么办？应急程序是什么？
煤与瓦斯突出发生时，情况紧急，瞬息万变。以下是基本的应急反应原则和程序：
矿工个体应急：
- 立即停止作业：听到突出声响、感觉到空气强烈涌动或闻到异常气味时，应立即停止一切作业。
- 判断逃生方向：根据风流方向和瓦斯报警信号，迅速判断安全撤离路线。通常应逆着新鲜风流方向或前往指定避难硐室撤离。
- 佩戴自救器：如果随身携带，立即佩戴隔绝式自救器，保护呼吸道。
- 快速撤离：沿着安全路线以最快速度撤离到新鲜风流区域或指定安全地点（如避难硐室、机电设备硐室等）。
- 严禁动火：在撤离过程中及到达安全地点前，严禁使用明火、吸烟或进行任何可能产生火花的活动。
- 向安全员或班组长报告：到达安全地点后，尽快向负责人报告自己的情况和所见。
矿井应急响应：
- 立即启动应急预案：矿井指挥中心接到突出报告或监测系统发出高级警报后，立即启动瓦斯突出应急预案。
- 拉响突出警报：通过井下广播、信号系统等向全矿井发布突出警报，告知矿工灾变发生。
- 切断突出区域电源：迅速切断突出区域及其附近巷道的电源，防止瓦斯爆炸。
- 控制通风：根据现场情况调整通风系统，防止瓦斯扩散到非灾区，或向避难硐室提供新鲜风流。可能需要局部停风、调整风门或启动局部通风机。
- 清点井下人员：根据入井人员登记信息，迅速清点井下各区域人员数量，确定被困或失联人员。
- 组织专业救援队伍：矿山救护队立即集合，携带救援设备（氧气呼吸器、瓦斯检测仪、担架等）前往事发区域附近待命或开展救援。
- 侦察灾情：救护队在确保自身安全的前提下，进入灾区侦察瓦斯浓度、风流状况、巷道破坏情况及人员位置。
- 搜救被困人员：根据侦察结果，开展人员搜救工作。
- 瓦斯处理：在确保安全的情况下，采取措施处理灾区的高浓度瓦斯，如加强通风、封闭突出区域等。
- 恢复通风和巷道：灾情稳定后，逐步恢复灾区通风，清理突出物，修复巷道和设备。
- 事故调查：对事故原因进行详细调查分析，总结经验教训。
矿井必须定期进行瓦斯突出应急演练，确保每个矿工都熟悉应急流程和逃生路线。
