第七节防治煤与瓦斯突出技术措施

煤矿瓦斯灾害防治防治煤与瓦斯突出技术措施•一、防突技术的发展历程防突措施发展过程可以分为三个阶段：第一阶段是以安全防护措施为主的阶段，即在突出发生时，避免发生人员伤亡事故。其主要措施是采用震动放炮，即在人员远离工作面的条件下，放震动炮诱导突出。在20世纪50年代以前，各国广泛采用这一措施。第二阶段是以消除突出因素为主要目的防止突出措施阶段，即在突出煤层普遍采用防突措施，使它不发生突出。在20世纪50～70年代属于这个阶段。提出和应用了多种区域性和局部性防突措施，如开采保护层、预抽煤层瓦斯、煤体注水、超前排放钻孔、松动爆破、水力冲刷、金属骨架等。在该阶段，同时辅助采用安全防护措施。第三阶段是采取综合防突措施阶段，其主要特点是在以上阶段的措施基础上加入了突出危险性预测和防突措施效果检验两个环节，使之成为“四位一体”综合防突措施。综合防突措施使防止突出的措施更加有的放矢、措施效果更加提高。当然，要有效防治突出，应该从矿井的设计阶段就开始进行，矿井的合理采掘部署对生产期间防突的成效、难度、成本等起着相当重要的作用。二、制定防治突出措施时应遵循的原则１．消除或减少能引起煤与瓦斯突出的能量积聚并防止这种能量突然释放－－即排除瓦斯，卸除压力或把采掘工作面前方的集中压力向煤体纵深方向推移。可供选择的措施有：开采保护层、大直径钻孔、超前排放钻孔、水力冲孔、松动爆破和预抽煤层瓦斯等。２．增强煤体的稳定性，改变煤体的物理力学性质，增强煤体的抵抗能力，使突出难以发生－－即加固煤体，抵制突出。可供选择的措施有：石门揭煤采用金属骨架、煤体固化、煤巷掘进采用的前探支架、煤层注水等。三．防突措施的分类１）按防突措施的作用范围分类：分为区域性防突措施和局部防突措施，区域性防突措施指标能起到大面积防突作用的措施，如开采保护层、预抽煤层瓦斯、煤层注水等。局部性防突措施指只能起到局部范围防突作用的措施，如超前钻孔，排放钻孔、水力冲孔、松动爆破等。２）按措施作用的层位分为邻近层和本煤层措施，邻近层措施如开采保护层，其余为本煤层。３）按措施使用的地点是分为石门揭煤、煤巷掘进、回采工作面防突措施。见下图1：（（缝松动压出（（（（卸压爆破冲刷（（采面煤巷石门区域局部防突措施区域防突措施防治突出措施浅孔松动爆破高压注水卸压槽掩护挡板超前支护松动爆破超前钻孔高压扩孔高压注水金属骨架扩充卸煤钻煤层注水煤层瓦斯抽放开采保护层四、综合防突措施体系•我国目前采用的是综合防突措施，俗称“四位一体”防突措施，它包括以下内容：①、突出危险性预测；②、防治突出措施；③、防突措施效果检验；④、安全防护措施。以上“四位一体”综合措施，把煤矿防突技术归纳为四个方面，符合当前对突出的理论认识水平和防突发展现状，对我国的防突工作起到积极的指导作用。下图2是我国综合防突措施的执行体系图。煤科总院重庆分院曾提出过“五步配套”综合防突措施，即在“四位一体”防突措施基础上增加合理的采掘部署一环，在矿井或采区设计阶段从采掘部署上就充分考虑防突问题，可以变被动为主动，可以大大减轻生产中的防突压力。区域预测有危险突出煤层突出威胁区安全防护措施推进30～100m工作面预测突出危险区无突出危险安全防护措施采掘工作有突出危险防突措施效果检验安全防护措施采掘工作突出威胁面危险工作面安全防护措施非突区验证性预测无危险无效有效图2综合防突措施工艺流程•综合防突措施具有以下优点：•①使防突措施更加有的放矢，通过预测，使防突措施仅在突出煤层的突出危险区域或其中的突出危险工作面实施，克服了措施的盲目性。•②缩小了防突措施的使用范围，提高了矿井的采掘速度和煤炭产量，可以显著提高突出矿井的经济效益。•③由于进行了防突措施的效果检验，可大大提高了措施的有效性和可靠性。•④采取了安全防护措施，可以减少突出造成的人员伤亡。•1、突出危险性预测•我国把突出危险性预测分为区域性预测和工作面预测两类。区域性预测的任务是确定井田、煤层、煤层区域的突出危险性；工作面预测也称日常预测或点预测，任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即当工作面向前推进时有无突出危险。2、防突措施•防突措施包括区域性措施和局部性措施大类，防突措施的基本原理是通过卸压和瓦斯排放以减少突出的原动力，或者增大煤体对突出的阻力因素，从而达到防突的目的。其中卸压和瓦斯排放的措施国内外使用最为广泛。防突措施主要包括：开采保护层、大面积预抽煤层瓦斯、超前排放钻孔、抽放瓦斯、松动爆破、金属骨架、水力冲孔、水力割缝、水力疏松、预裂爆破、注浆固化煤体等。•3、防突措施效果检验•防突措施的执行效果如何，能否达到消除突出的目的，需要进行效果检验才能确定。防突措施效果检验方法和指标一般和突出危险预测时相同，不同的是检验钻孔要布置在措施孔之间。根据效果检验结果，判断防突措施的有效性，只有当检验指标值小于其临界值时，才能认为消除了突出危险，否则，应实施补充防突措施，直至效果检验确认无突出危险为止。•4、安全防护措施•安全防护措施是“四位一体”综合防突措施的第四个环节，其目的在于当突出预测失误或防突措施无效且检验失误而导致突出时，避免造成人员伤亡的一种措施，从而建立起防止突出事故的第二道保障线。安全防护措施主要包括震动放炮、远距离放炮、反向风门、避难所、压风自救系统和隔离式自救器等。其中反向风门和压风自救系统的应用在防止突出伤害方面起到了明显的效果。区域性防突措施•区域防突措施的目的是消除煤层某一较大区域（如一个采区）的突出危险性。属于该类措施的有开采保护层、大面积预抽煤层瓦斯和煤层注水等措施。区域防突措施的优点是在突出煤层开采前，预先采取防突措施，措施施工与突出危险区的采掘作业互不干扰，且其防突效果一般优于局部防突措施，故在采用防突措施时，应先选用区域防突措施。•如果不具备采取区域性防突措施的条件时，必须采用局部性防突措施。2.1开采保护层•所谓保护层，通常是指在煤层群开采中，某部分煤层具有煤与瓦斯突出或冲击地压等动力显现特点，而另一部分煤层不具有这种动力显现特点或动力显现特点不明显，这时，根据赋存关系，选择某一层不具有动力显现特点或动力显现特点不明显的煤层先行开采，而具有动力显现特点的煤层在其邻近层开采后再开采。先行开采的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层，保护层位于被保护层上方的称为上保护层，反之称为下保护层。开采保护层是防治突出的主要措施，也是公认的最有效和比较经济的防突措施，《细则》规定，在突出矿井开采煤层时，必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层时受到保护的地区按无突出煤层进行采掘工作；在未受到保护的地区，必须采取防治突出措施。其保护层的选择必须遵守下列规定：①．首先选择无突出危险煤层作为保护层，当煤层群中有几个都可作为保护层时，应根据安全、技术和经济的合理性，综合比较分析，择优选定；②．矿井中所有煤层均有突出危险时，应选择突出危险较小的煤层作保护层，但在此保护层进行采掘活动时，必须采取防治突出措施；③．选择保护层时，应优先选择上保护层，条件不允许时，也可选择下保护层，但在开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件。（一）保护层分类：１．按保护层的位置：分为上保护层和下保护层。凡位于突出煤层上方的叫上保护层，位于突出煤层下方的叫下保护层，突出煤层称为被保护层。２．按保护层与突出层的垂直距离ｈ（ｍ）不同分为近距离保护层：ｈ≤10m，中距离保护层10m＜h＜60m，远距离保护层，ｈ≥60m。（二）保护层作用原理大量的突测资料表明，保护层开采后，在其卸压角限定的范围内，被保护层的瓦斯压力，地应力显著下降，煤体的强度增加，因而消除或降低了被保护层的突出危险性。消除（或降低）煤与瓦斯突出危险激发突出的作用减少瓦斯压力梯度降低发展突出的瓦斯作用减少煤体抵抗破坏能力增加煤体强度增高瓦斯排放透气性增加应力降低、煤层卸压图3保护层作用原理首采煤层地表冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷（三）保护范围的确定划定保护层有效作用范围的有关参数应根据矿井实况确定，报矿务局总工程师（矿技术负责人）批准，对暂无实测资料的矿井，可参照表4的有关参数执行。１、保护层与被保护层之间的有效垂距参照下表4执行。2、对停采的保护层采煤工作面，停采时间超过3个月、且卸压比较充分，该采煤工作面的始采线、采止线及所留煤柱对被保护层沿走向的保护范围可暂按卸压角56°~60°划定，如图6a所示；3、保护层沿倾斜的保护范围，按卸压角划定，如图6b所示。卸压角的大小应采用矿井的实测数据。如无实测数据时，参照表5中的数据确定；煤层类别最大有效垂距上保护层下保护层急倾斜煤层＜60＜80缓斜、倾斜煤层＜50＜100表4保护层与被保护层有效垂距表5保护层沿倾斜的卸压角（四）扩大保护层应用范围的技术途径•保护层开采通常应具备三个条件：•①应是煤层群开采，单一煤层不存在保护层；•②合理的层间距，层间距太大，保护效果不明显，将失去保护层开采的价值，层间距太小的下保护层，将在开采保护层的过程中破坏被保护层，使下保护层不具备开采条件；•③存在不具有突出或冲击地压等动力现象的煤层作为保护层。•在许多矿井，要同时具备以上三个条件是比较困难，为此，提出了研究扩大保护层应用途径的课题，主要有以下途径：•①以弱突出煤层作保护层。在煤层群开采过程中，各煤层均具有突出危险性时应考虑选择突出危险性较弱的煤层作保护层先开采，以形成对突出危险性较大的煤层进行保护。采用瓦斯预抽，局部防治突出的措施开采弱突出煤层。•②结合抽放瓦斯扩大保护作用。对远距离保护层，尽管保护层开采已卸压，但未形成沟通裂隙，瓦斯不易排出，保护效果不明显。这时，利用保护层的卸压作用对被保护层进行瓦斯抽放，使保护层瓦斯排放充分，突出危险性消失。（五）保护层开采的注意事项•①开采保护层时，尽量不留煤柱或尽量留小煤柱（46m）。不得已留煤柱时须在采掘工程平面图上标记，以便划定保护范围。对煤柱影响带，突出危险性比原始状态大。•②被保护层采掘工作面尽量布置在保护范围内，减少其突出危险性。•③对不同矿井、不同保护层和被保护层，保护层的保护参数及保护效果应进行实地考察。根据考察结果指导下一步采掘和防突设计。④保护层开采厚度等于或小于0.5m、上保护层与突出煤层间距大于50m或下保护层与突出煤层间距大于80m时,必须检验保护层的实际保护效果。如果保护层的实际保护效果不好，在开采被保护层时，还必须采取防治突出的补充措施。⑤在有抽放系统的矿井开采保护层时，应同时投放被保护层的瓦斯。⑥开采近距离保护层时，必须采取措施严防被保护层初期卸压的瓦斯突然涌入保护层采掘工作面或误穿突出煤层，开采远距离保护层时应配合抽放措施，以扩大保护效果。预抽煤层瓦斯区域性预抽瓦斯包括穿层预抽（网格式）、顺层预抽（平行或交叉）和穿层与顺层预抽结合的预抽方法。单一的突出危险煤层和无保护层可采的煤层群，可采用预抽煤层瓦斯防突措施，但必须遵守下列规定：（1）钻孔应控制整个预抽区域并均匀布孔。（2）预抽防突的有效性指标应进行实测，若无突测数据，可参考下列指标之一确定，未达到预抽效果的区段进行采掘作业时，必须采取补充的防突措施。①预抽煤层瓦斯后，突出煤层残存瓦斯含量或瓦斯压力应小于该煤层始突深度的原始煤层瓦斯含量或瓦斯压力；若无始突深度的瓦斯压力或含量，则必须将瓦斯含量降至8m3/t以下或瓦斯压力降到0.74MPa以下。②煤层瓦斯预抽率应大于30％。煤层瓦斯预抽率应用钻孔控制范围内煤层瓦斯储量与抽出瓦斯量（包括打钻时，钻孔喷出瓦斯量，自然排放量）来计算。应当指出30%的抽放率是一个相对指标,当煤层瓦斯含量高时,抽放率虽然达到目30%,但煤层中的残存瓦斯含量仍然大于该煤层始突深度的原始煤层的瓦斯含量,显然该煤层的突出危险仍然存在的。所以,当抽放率已经达到了30%,在进行采掘工作时,仍然要用工作面预测方法进行复查检验。预抽煤层瓦斯作用原理预抽煤层瓦斯分为穿层预抽和本层预抽，实质是将煤层瓦斯抽出来，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，相应地增加煤体抵抗破坏的能力，达到消除或减弱突出危险的目的。煤层注水煤层注水也算是一个较好区域性防治突出措施