第二部分、煤与瓦斯突出防治技术

上页下页第二部分、煤与瓦斯突出的防治技术一.煤与瓦斯突出机理二.“四位一体”综合防突措施三.煤层突出危险性预测四.防治突出措施五.防治突出措施的效果检验六.安全防护措施上页下页一.煤与瓦斯突出机理（1）突出机理就是解释发生突出的原因和过程的理论。煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，世界上许多产煤国家对煤与瓦斯突出的机理开展了广泛研究，提出了多种假说。上页下页煤与瓦斯突出机理（2）1、国外煤与瓦斯突出假说瓦斯为主导作用的假说地压为主导作用的假说化学本质假说能量假说综合假说2、国内煤与瓦斯突出假说流变假说球壳失稳假说上页下页瓦斯为主导作用的假说①瓦斯包说②粉煤带说③煤孔隙结构不均匀说④突出波说⑤裂隙堵塞说⑥瓦斯膨胀说⑦卸亚瓦斯说⑧火山瓦斯说⑨地质破坏带说⑩瓦斯解吸说返回上页下页地压为主导作用的假说①岩石变形潜能说②应力集中带说③剪切应力说④塑性变性说⑤振动波动说⑥冲击式移近说⑦拉应力波说⑧应力叠加说⑨放炮突出说⑩顶板位移不均匀说返回上页下页化学本质假说①瓦斯水化物说②爆炸煤说③重煤说④地球化学说⑤硝基化合物说返回上页下页能量假说AWt221EWt1126112241410PPVRT75.1597nSrA苏联B.B.霍多特提出，长期以来在国际上享有盛誉。在实验室试验的基础上，从能量的观点出发，用数学方法分析计算了煤层的变形潜能Wt、瓦斯内能λ以及造成突出破坏需要的能量A，提出了能量假说。返回上页下页球壳失稳假说突出的发生发展是以球盖状煤壳的形成、发展及失稳抛出为特点的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球壳失稳破坏瓦斯膨胀能是发动突出的真正的动力及能源返回上页下页流变假说含瓦斯煤岩体在外力的作用下，当达到或超过其屈服载荷时，则明显地表现为时间上的三个阶段，即变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速阶段第Ⅰ、第Ⅱ阶段对应于突出的准备阶段，第Ⅲ阶段是突出的发生发展阶段，突出是含瓦斯煤岩体快速流变的结果瓦斯、地应力、煤的物理力学性质和时间过程是突出的重要影响因素返回上页下页综合假说50年代中期，苏联A.A.斯科琴斯基院士根据开采突出危险煤层的经验以及当时科研工作的成果，提出煤与瓦斯突出是由地应力、煤层瓦斯和煤层物理力学性质综合作用的结果。目前综合假说得到普遍认同，是瓦斯突出防治技术的理论基础。突出的动力是地应力和煤层中的瓦斯;突出的阻力是煤层的物理力学性质。这三者称为煤与瓦斯突出的“三因素”上页下页煤与瓦斯突出机理（3）3、煤与瓦斯突出的三因素：〈1〉地应力的作用突出煤层中存在着地应力，它包括上覆岩层自重应力、地质构造应力和采掘集中应力，采掘工作面前方局部煤体内存在一个集中应力带，这里的地应力高于原始煤体的应力，瓦斯压力接近于原始煤体的瓦斯压力。地应力的作用，一是使煤体产生位移和突然破碎，煤由静态变为动态；二是地应力影响煤体内部结构，控制着瓦斯的流动。由于工作面前方煤体内存在着一个集中应力带，使距掘进迎头L米的集中应力带内，煤的裂隙、孔隙受压缩变小，阻碍煤体内瓦斯的正常运移流动。那么，什么是地应力呢？我们通过一个简单的物理现象来予以说明。上页下页煤与瓦斯突出的三因素我们知道，一个弹簧，给它一个压力Ｐ，就产生一个反作用力Ｐ1，也就是说，我们用力把弹簧压下去后，弹簧就蓄积一个弹起的能量。同样，煤岩层也具有一定的弹性，由于在几百米深的地下开采，必然受到上覆岩层给它的一个压力，使煤层蓄积一个向外膨胀的潜能。在没有开采前，煤岩体是处于三向应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，就破坏了原来的应力平衡状态，使煤岩体的应力重新分布，煤体向作业空间膨胀变形。上页下页煤与瓦斯突出的三因素采掘工作面地应力状况及对突出的影响：采煤工作面前方存在一个集中应力区，其峰值距离采面煤壁的距离越小，越容易破坏采面煤体而引发煤与瓦斯突出。因此，必须加强工作面支护，使采面煤体的集中应力向煤体深部推移，或在采面采取人为卸压措施，如打排放钻孔、实施浅孔爆破等。掘进工作面前方的地应力，可分为三个带，即：卸压带、集中应力带和常压带，亦叫做原始应力区。从防突角度讲，集中应力区距离工作面越近，工作面煤体越易发生破坏而引发煤与瓦斯突出。解决该问题的措施，就是在突出危险区域采取人为卸压措施，如打排放钻孔、实施深孔爆破和放慢掘进速度等，使集中应力带向深部推移。上页下页煤与瓦斯突出的三因素以上情况说明，具有较高的地应力是发生煤与瓦斯突出的先决条件，即起着发动突出的作用。在地质构造带，由于构造应力的存在，就是采深不大也可能发生突出。因此，发生煤与瓦斯突出的第一个充分必要条件是：煤层和围岩具有较高的地应力和瓦斯压力，并且在近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化，使潜能有可能突然释放。应力状态的变化一般有下列原因：上页下页煤与瓦斯突出的三因素（１）、巷道进入地质破坏区；（２）、石门揭开煤层时；（３）、巷道从硬煤进入软煤带；（４）、煤的冒落等。另外还有工作面迅速推进时；煤层突然加载，如巷道顶板下沉；煤层突然卸压，如悬臂梁断裂等。5.向斜轴部附近..上页下页煤与瓦斯突出的三因素〈2〉瓦斯的作用瓦斯是成煤过程中的产物，以游离状态和吸附状态存于煤裂隙和孔隙中，促使煤体产生潜能，降低煤的强度。）煤体中瓦斯含量是指每吨煤所含的瓦斯量，也就是煤体中游离和吸附两种状态瓦斯量的总和。其中吸附瓦斯量占瓦斯含量的80──90%以上。瓦斯压力决定煤层中瓦斯含量的多少，是造成瓦斯突出的重要能源。在卸压带瓦斯压力梯度是平缓的，在集中应力带瓦斯压力梯度显著增大，形成作用于压力降低方向（掘进迎头）的力，参与突出的发展。上页下页煤与瓦斯突出的三因素在掘进巷道揭露煤层引起瓦斯流动后，随着煤壁暴露时间ｔ的不断增长，流动场范围Ｌ不断扩大，工作面附近瓦斯压力梯度不断下降变缓。最危险的是在ｔ→０时，即爆破见煤的瞬时，瓦斯压力梯度最大，此时最容易发生突出。因此，煤与瓦斯突出发展的第二个必要和充分条件是：有足够的瓦斯流把碎煤抛出，并且突出孔道要畅通，以便在空洞壁形成较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，从而使煤破碎向深部扩展上页下页煤与瓦斯突出的三因素〈3〉煤的物理力学性质与突出的关系煤结构和力学性质，与发生突出的关系很大。一般来说，煤愈硬、裂隙愈小，所需的破坏功愈大，要求的地应力和瓦斯压力愈高。反之亦然。因此，在地应力和瓦斯压力为一定值时，软煤分层易被破坏，突出往往沿软煤分层发展。上页下页煤与瓦斯突出的三因素〈4〉外部因素的影响外部因素（工作面推进度、爆破等）对煤与瓦斯突出的发生和发展也有重要影响。工作面快速推进时，有助于应力状态发生突然变化，从而激发突出。反之，工作面缓慢推进时，应力状态变化是平缓的，发生突出的可能性就小。工作面若快速推进时，由于工作面前方煤体中集中应力带没有向深部推移时间，高压瓦斯没有有效排放，造成集中应力带距离工作面的正常距离Ｌ1大于异常距离Ｌ2，使工作面突出危险性增加，特别是在爆破瞬间的突出危险性最大。上页下页二.“四位一体”综合防突措施1.防突技术的发展煤与瓦斯突出在煤矿出现已经超过一个半世纪，为了防治突出和避免造成人身伤亡事故，国内外进行了大量的研究，提出和应用了多种防突措施。纵观防突技术的发展史，大体有三个发展阶段：1、以安全防护措施为主的阶段，即在突出发生时，避免发生人身伤亡事故。在本世纪50年代前，属于这一阶段。上页下页防突技术的发展2、是以防治突出措施为主的阶段，即在突出矿井普遍采用防突措施，使它不发生突出。本世纪50~70年代属于这个阶段。3、是采取综合防突措施阶段，即将突出危险性预测引入综合防突措施。前苏联在70年代中期开始采用综合防突措施，我国80年代末开始采用防突综合措施，1988年我国《防突细则》颁布后，在各突出矿井普遍推广。上页下页2.“四位一体”综合防突措施突出危险性预测防治突出措施防治突出措施的效果检验安全防护措施根据开采突出煤层时，必须采取突出危险性预测、防治突出措施、防治突出措施的效果检验和安全防护措施等综合防治突出措施。返回上页下页三.突出危险性预测1、突出危险性预测分类2、煤层突出危险性预测流程3、区域突出危险性预测4、工作面突出危险性预测上页下页1、突出危险性预测分类返回工作面突出危险性预测（日常预测或工作面预测）区域突出危险性预测（区域预测）煤层突出危险性预测突出煤层突出危险区域预测突出危险性预测上页下页2、煤层突出危险性预测流程返回煤层突出煤层无突出危险区突出威胁区突出危险工作面无突出危险工作面突出危险区区域预测或鉴定区域预测工作面预测非突出煤层检验性预测预报上页下页突出危险性预测的意义国内外开采突出煤层的实践证明,突出只发生在某些局部地带,突出煤层中突出危险带的面积仅占5~10%。通过在突出煤层进行突出危险性预测,把突出煤层划分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区;把采掘工作面划分为突出危险工作面和无突出危险工作面,从而采取不同级别的综合防突措施,做到在安全的前提下,大量地节约防突工程量、工作量，减少防突工作的盲目性。上页下页3、区域突出危险性预测3.1煤层突出危险性预测3.2突出煤层危险区域预测上页下页3.1煤层突出危险性预测（1）①实际突出②单项指标法③煤层弹性变形特性E、上页下页煤层突出危险性预测（2）①矿井在采掘过程中只要发生过一次煤与瓦斯突出，该矿井即定为突出矿井，发生突出的煤层即定为突出煤层。突出矿井及突出煤层确定程序国家煤矿安全监察局授权单位鉴定煤炭企业提出报告报省煤炭管理部门审批报省级煤矿安全监察机构备案上页下页煤层突出危险性预测（3）②单项指标法可用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力预测煤层的突出危险性，其临界值应根据矿井的实测资料确定，如无实测资料，只有全部指标达到或超过其临界值时方可划为突出煤层。划分标准1.煤的破坏类型Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ以上2.瓦斯放散初速度ΔP≥103.煤的坚固性系数f≤0.54.煤层瓦斯压力P≥0.74MPA.上页下页煤层突出危险性预测（4）③煤层弹性变形特征俄罗斯学者从突出煤层和非突出煤层选取煤样，在实验室利用超声波确定其弹性模量E、剪切模量G，突出煤层和非突出煤层的E、G有明显差异，并与煤层的变质程度有关对于非突出煤层的E、G有：G=(0.270-0.001Vdaf)109E=(0.790-0.006Vdaf)109当某一煤层的E、G实验室测试结果大于上述计算值时，该煤层属突出危险煤层返回上页下页3.2突出煤层危险区域预测①瓦斯地质统计法②综合指标法③单项指标H、E、G④综合指标B上页下页突出煤层危险区域预测（2）突出煤层中的区域预测可采用瓦斯地质统计法或综合指标法进行，预测结果报矿务局总工程师批准①瓦斯地质统计法根据已开采区确切掌握的煤层赋存、地质构造条件与突出分布的规律，划分出突出危险区域和突出威胁区域②综合指标法（D=（0.0075H/f-3)(P-0.74)K=ΔP/f当D≥0.25、K≥20（无烟）或15（其它煤种）时，划为危险区域上页下页突出煤层危险区域预测（3）③单项指标H、E、G(俄罗斯)a、在临界突出深度以下，煤层本身的弹性能和瓦斯能足以造成突出破坏，其发生与否，关键取决于煤层所需破碎功的大小b、当构造应力作用于高弹性煤层时，在有脆性破坏倾向的煤层中可以形成煤层破碎功小的区带c、用E、G表示煤层的突出危险性倾向d、通过计算煤层H、E、G的临界值H0、E0、G0，并与H、E、G比较，确定区域突出危险性预测程序框图输入原始数据H、Vdaf等确定临界值H0、E0、G0H≥H0测定煤层的E、GE≥E0G≥G0突出危险性确定NoYesYesNoYesNo上页下页突出煤层危险区域预测（4）④综合指标B（俄罗斯）在地质勘探阶段，通过对煤层岩心和瓦斯资料的研究，根据综合指标B预测煤层的突出危险性