Согласно современным представлениям выброс угля и газа протекает в две стадии. В первой стадии происходит резкое изменение горного давления и быстрое разрушение призабойной части угольного пласта, распространяющееся вглубь массива, во второй - бурное выделение газа и угля; за счёт перепада газового давления уголь, продолжая разрушаться, отбрасывается и выносится газовым потоком в выработку.

В призабойной части пласта происходит как пригрузка (увеличение напряжений), обычно вызываемая подвиганием выработки, так и разгрузка, происходящая в результате отжима угля в выработку. Первая стадия возможна, если скорость нагружения значительно превосходит скорость разгрузки и если в какой-то момент времени величина напряжения превышает предел прочности угля.

Впереди забоя выработки постоянно идёт процесс дегазации газоносного угольного массива.

Вторая стадия наступает при превышении скорости разрушения угля в массиве над скоростью его дегазации и когда частично разрушенный уголь обладает настолько высокой начальной скоростью газоотдачи, что в определенный момент времени энергии газа достаточно для дальнейшего разрушения, отброса и выноса угля.

Механизм внезапных выбросов угля и газа сформулирован следующим образом.

На современных глубинах разработки запасы энергии газа и пород достаточны для формирования внезапных выбросов угля и газа.

Низкая газопроницаемость массива способствует сохранению газового давления в призабойной области.

Выброс происходит при резком обнажении поверхности угля, содержащего газ и находящегося в напряженном состоянии. Резкое обнажение поверхности вызывает изменение напряженного состояния и перепад давления, достаточный для отделения частиц от массива. Расширяющийся при этом газ увлекает оторвавшиеся частицы в выработку. Процесс отделения и выноса частиц многократно повторяется - вглубь массива распространяется фронт дробления, а по выработке движется поток расширяющегося газа и оторвавшихся частиц. Процесс интенсифицируется за счёт десорбации газа.

Движение смеси газа и частиц нестационарно вследствие неоднородности угля, колебаний давления и плотности за фронтом дробления.

Отдельные участки массива могут разрушаться под действием сил горного давления и собственного веса, обнажая новые поверхности, на которых возникают волны дробления.

Своевременный прогноз опасности и успешное предупреждение внезапных выбросов требуют знания условий их возникновения. Для определения этих условий необходима количественная оценка сил, действующих в угольном пласте и вмещающих породах в окрестности горных выработок, описание напряженного состояния, вызванного этими силами, и выяснение причин, нарушающих равновесное напряженное состояние.

Угольный пласт и вмещающие его горные породы в окрестности проводимой выработки непрерывно деформируются, частично или полностью разрушаются, т.е. переходят от одного напряженного состояния к другому.

В большинстве случаев эти переходы проявляются в процессах отжима угля, нарушения связанности угля и пород, развитие трещиноватости, отслаивание мелких частиц или крупных отдельностей угля и пород. В некоторых случаях происходят вывалы и обрушения значительных масс угля и пород, внезапные высыпания или отжим угля с последующим газовыделением и, наконец в редких случаях - внезапные выбросы угля и газа. Разрушение угля всегда происходит под действием гравитационных сил горных пород и давления газа.

При постепенном разрушении угля под влиянием давления горных пород и газа происходит медленное смещение его элементов в сторону горной выработки, связанное с развитием трещиноватости, увеличением числа сечения каналов для стока газа и увеличением поверхности десорбции газа. Создаются благоприятные условия для плавного превращения потенциальной энергии и для дренирования газа.

При внезапном разрушении угля потенциальная и кинетическая энергия реализуется мгновенно, газ не успевает дренироваться и передает углю часть кинетической энергии. При этом в начальной фазе отброса угля движущей силой является давление газа в расширяющихся трещинах угля. В момент отделения угля от массива эта сила в точности равна перепаду давлений газа на границе отторгнутого угля и горной выработке. При достаточном дроблении угля в процесс разрушения и при достаточной скорости газовыделения силой, движущей уголь, является газовый поток, в котором уголь полностью или частично взвешен или витает.

При достаточно большом градиенте давления и предварительном разрушении угля такое давление может оказаться достаточным, чтобы отбросить уголь даже при отсутствии потенциальной или кинетической энергии угля. Отброс может произойти и при присутствии или малом количестве сорбированного газа. Дальность отброса при этом будет невелика. Следует отметить, что внезапный выброс угля и газа может произойти и в несорбирующей или слабо сорбирующей породе за счёт "свободного", т.е. несорбированного газа.

При большом градиенте давления газа (порядка десятка атмосфер на 1 мм) последний может не только отбросить уже разрушенный уголь, но и явиться одной из причин его разрушения. Такие условия могут быть при вскрытии взрыванием насыщенным газом под большим давлением угольного пласта, залегающего в малогазопроницаемых горных породах. В подготовительных и очистных выработках, проводимых по углю, градиенты давления газа, достаточные для "газового" дробления угля целесообразно рассмотреть лишь применительно к некоторым схемам вскрытия угольных пластов.

В сорбирующей породе (угле) при разрушении и отбросе угля скорость газовыделения резко увеличивается за счёт десорбции газа. Даже при относительно крупном дроблении значительная часть заключенного в угле газа выделяется в течение немногих секунд, а при тонком измельчении газовыделение происходит практически мгновенно. Динамическое явление может возникнуть при достаточно большой динамической пригрузке, на пласт или внезапном изменении напряженного состояния угольного пласта; количество выброшенного угля зависит от величины области разрушения угольного массива; дальность отброса в основном зависит от газоёмкости и режима газовыделения из угля.

Непосредственно вблизи забоя уголь в значительной мере разгружен от давления горных пород, обладает небольшой остаточной потенциальной энергией и небольшим запасом газа. Вглубь массива давление горных пород, запас потенциальной энергии и давление газа возрастают.

Вследствие разрыхления угля вблизи забоя динамические пригрузки на угольный пласт непосредственно вблизи обнажения пласта передаются в меньшей степени, чем в глубине массива. В области концентрации напряжений при внезапном изменении напряженного состояния возможно более быстрая реализация запасов потенциальной энергии, чем вблизи забоя.

При динамической пригрузке деформации и частичному или полному разрушению одновременно подвергается целая область угольного пласта; сохранение устойчивости или возникновение динамического явления будут зависеть от количества переданной угольному пласту энергии. Этой энергии должно быть достаточно для сдвижения в горную выработку некоторого количества угля и его разрушения.

При внезапном переходе угольного пласта о одного напряженного состояния к другому менее прочная часть его внезапно разгружается от давления горных пород, а более удаленная от забоя часть пригружается.

Область приложения кинетической энергии пород и освобождения потенциальной энергии может оказаться очагом динамического явления. Разрушение и отброс угля в некоторой области угольного пласта, связанные с образованием каверны выброса, в свою очередь, могут привести в нарушению равновесия в более глубоко расположенных частях угольного массива. Так, например, взрывание шпуров при сотрясательном взрывании или взрывание породной пробки при приближении забоя квершлага к угольному пласту приводят к обнажению части угольного пласта, находившейся до этого в сильно напряженном объёмном состоянии. Каверна первоначального выброса в данном случае играет роль мгновенно углубившейся в массив горной выработки, в окрестности которой уголь внезапно переходит от одного напряженного состояния к другому, вследствие и чего возможно развитие выброса во всех направлениях в окрестности каверны.

Если на пути движения угля встречается преграда, то в зависимости от устойчивости и близости её к обнажению пласта она или прекратит смещение угля в начальной фазе, или замедлит газовыделение из разрушенного угля.

Развитие внезапного выброса в тех направлениях, где в угле имеются достаточно высокие напряжения и давления газа, зависит только от возможности смещения угля в горные выработки. Чем меньше горловина каверны выброса, тем быстрее будет происходить самоподбучивание и больше будет торможение процесса и тем меньший объём пласта окажется охваченным выбросом. Из практики бурения опережающих скважин большого диаметра известно, что выброс, возникший в скважине (которая в данном случае может рассматриваться в качестве небольшой горной выработки), образует лишь небольшой "котёл" и сила его не превосходит 1 т. угля.

Таким образом, для возникновения внезапного выброса вследствие нарушения равновесного состояния угольного пласта необходимо некоторое минимальное смещение, быстрое разрушение и отброс угля или его падение под влиянием собственного веса. Для возбуждения выброса необходимо, чтобы силы действовали на определённом пути и в течении определённого времени.

Поэтому теория внезапных выбросов должна определить не только величину сил и напряжений в окрестности горной выработки, но и источники энергии, условия высвобождения этой энергии и работу, выполняемую горными породами и заключенных в них газом.

Основными видами энергии, превращающейся в работу внезапного выброса, являются: кинетическая энергия вмещающих угольный пласт горных пород; потенциальная энергия деформации угольного пласта; внутренняя и кинетическая энергия газа, заключенного в угле; потенциальная энергия положения угля, реализуемая при движении его в наклонных выработках.

Освобождающаяся в процессе внезапного выброса энергия превращается: в работу смещения угля в сторону горной выработки; работу разрушения угля; работу отброса угля в горную выработку; тепловые, сейсмические и акустические эффекты.

8.4 Прогноз выбросоопасности угольных пластов и контроль его эффективности