防治煤与瓦斯突出的基本知识

防治煤与瓦斯突出的基本知识目录一、概述二、我国煤矿瓦斯突出的几个特点三、突出动力现象的分类四、浅谈煤与瓦斯突出机理五、突出的过程及阶段六、煤与瓦斯突出防治技术与发展七、综合防突措施八、对防突的评价九、几个突出实例十、突出矿井管理的一般要求一、概述煤与瓦斯突出是矿井中一种复杂的动力现象,也是煤矿一种严重的自然灾害。1834年在法国鲁阿雷煤田依萨克矿井发年了第一次煤与瓦斯突出。随后在世界上的主要产煤国都发生了煤与瓦斯突出的动力现象。据不完全统计，各国突出次数共约五万次，突出次数超过1000次的有中国、法国、前苏联、波兰、日本等五个国家。突出强度最大的是1969年7月13在苏联顿巴斯矿区加加林矿发生的一次14200吨的特大突出，突出瓦斯量为25万立方米。每年我国大约有100次的突出，统计到2007年底我国发生突出16400次。而在我国煤炭开采史上，最大的一次突出是1975年8月8日发生在四川省天府矿务局三江坝一矿，突出煤岩量12780吨、瓦斯140万立方米。由于煤与瓦斯突出严重影响安全生产，许多产煤国，如法国、比利时、日本等国在七十年代初期已停止开采突出危险煤层。为防治煤与瓦斯突出，长期以来，世界各国进行了大量的工作，取得了很大的成效，已建立起了一套综合防治突出的措施，从而使煤与瓦斯突出得到了较好的控制。我国是煤与瓦斯突出最为严重的国家之一，从南到北都发生了突出现象，突出累计数占了全世界的70—80%（现国外突出矿井基本已关闭，不再生产）。我国煤炭成本的四分之一（25%）是用于防治瓦斯费用，突出最严重的矿井是原苏联顿巴斯煤矿，目前产量已减少了70%。我国突出矿井较多，全国有20—21%的煤矿为突出矿井。而从低瓦斯矿井上升为高瓦斯矿井、高瓦斯矿井上升为突出矿井的速度在不断增加。10人以上的突出事故1993—2004年统计共发生10多次，平均死亡约40—50人/次。我国目前平均采深已达540米，每年以10—20米的速度往下延伸。部分矿井采深达800—1000米，在全国已达20多对。垂深大，压力高，瓦斯含量高，易引发煤与瓦斯突出灾害。如郑煤集团2004年10月20日发生的特大突出，突出量达1894T，瓦斯约25万M3，死亡148人（突出后引发瓦斯爆炸）。在新规程中，专列一章瓦斯突出防治，在世界上是没有的。为了治理好瓦斯我国专门出台了《瓦斯防突规定》,2009年8月1日正式实施.这充分说明了瓦斯突出防治在我国的重要性，各类煤矿只有把瓦斯治理好，才能从根本上杜绝煤矿重特大事故的发生。、二、我国煤矿瓦斯突出的几个特点1、突出矿井的分布广在部分地区比较严重。湖南、四川、重庆、辽宁、河南、贵州、云南等，特别是湖南省的突出矿井数和突出总次数均占全国总数的1/3以上，而特大型突出的比例更大，占全国该类型突出次数的一半以上。2、突出分布在不同类型的煤层在我国突出矿井中，煤层赋存情况比较复杂，有煤层群，也有单一煤层，有急倾斜煤层，也有倾斜和缓倾斜煤层，有薄煤层也有中厚煤层及厚煤层，特别是单一突出煤层的矿井占突出矿井的1/3。3、突出矿井的始突深度不一样我国各煤矿由于受地质条件和其它一些因素的影响，开始发生煤与瓦斯突出的深度差别很大。有的矿井距地表垂深50—60米就开始发生突出。如在湖南省的邵阳地区距地表垂深50米就开始发生突出，而一次1300T的特大突出，垂深仅为95米。表现为南方始突深度较浅，北方较深。4、中小型突出占绝大多数，大强度突出次数也不少。据统计，突出总数中突出强度在50T以下的小型突出约占73%；突出强度在50—100T之间的中型突出约占14%；5、突出强度在100—500T之间的大型突出约占11%；突出强度在500—1000T之间的特大型突出约占1.2%；突出强度超过1000T的特别大型突出占0.8%6、我国煤矿中所发生的突出,以中小型突出为主,占绝大多数.大型和特大型突出的比例小,但绝对次数仍有100多次,并且多数发生在石门揭煤时,这仍应予重视。三、突出动力现象的分类煤矿开采过程中，突然从采掘工作面的煤（岩）体内向采掘空间喷出煤(岩)和瓦斯(沼气或二氧化碳)的动力现象,统称为突出。但由于动力现象和特征不同,可分为以下几种类型。根据我国煤矿中发生的动力现象，我们分为下列四种类型：1、煤和瓦斯突出煤和瓦斯突出是在地应力和瓦斯压力共同作用下，采掘工作面的煤体遭到破坏,破碎的煤以极快的速度向采掘空间抛出，并伴随急剧涌出大量的瓦斯。这种煤和瓦斯混合流具有强大的动力效应，可使井巷设施和通风系统受到严重破坏。这是煤与瓦斯突出最为严重的一种动力现象,也是我们煤矿最难以防范的事故。其主要特征有：Ａ、煤体抛出距离较远；Ｂ、煤体的安息角小于自然安息角，分选明显；Ｃ、煤体破碎程度高，有大量粉煤或极细粉尘；Ｄ、大量涌出瓦斯，逆转到进风巷，波及全矿井；Ｆ、动力现象明显；Ｇ、空洞多位于巷道上方或上隅角，多为口小腔大。２、煤的突然倾出煤的突然倾出是由于采掘工作面在地应力作用下，煤体受到破坏后，当其煤体自身重力超过了煤层的凝聚力和煤层与围岩接触局部摩擦力，加之瓦斯在一定程度上参与作用，使得煤的机械强度降低，从而导致破碎而松散的煤体突然向采掘空间倾出，并伴随涌出大量瓦斯。其主要特征有：Ａ、倾出煤体就近堆积在采掘工作面的附近或正下方，不显示气体搬运特征；Ｂ、煤堆积坡度近似或等于煤的自然安息角，无分选现象；Ｃ、主要是碎煤块，粉末状煤少；Ｄ、有大量瓦斯，但波击范围小，不出现瓦斯逆流现象，时间较短，强度小；Ｅ、动力小于突出；Ｆ、多发生在煤质松散、煤层倾角大和煤层厚度大的情况下；Ｇ、空洞多为口小腔大，多沿煤层倾斜方向延伸。３、煤的突然压出煤的突然压出是由于地应力（尤其是开采过程中的集中应力）的作用，使得采掘工作面的煤体被抛出或发生位移，瓦斯和煤的自重因素基本上不参与作用。其特征是：Ａ、煤体抛出距离近２－３Ｍ，堆积坡度小，有时煤壁体外移，煤壁鼓出或巷道底鼓。Ｂ、煤多为大块状或碎块状，无分选现象；Ｃ、发生压出时，工作面压力显现较为明显，木支架折断，支架向下缩，工作面有掉喳、响煤炮现象。Ｄ、瓦斯不大，不会引起瓦斯超限，可能在掘进头短时超限，正常情况下很快就可以恢复，个别情况会出现大量瓦斯涌出或从顶底板裂隙中喷出瓦斯现象；Ｅ、压出时动力效应明显，如冲倒支架等；Ｆ、除煤壁整体位移外，压出后形成的空间不规则，有袋状、楔形、缝形等。４、岩石和瓦斯突出岩石和瓦斯突出是由于在较高的地应力,瓦斯压力和外界动力的作用下，岩体瞬间被破坏并向巷道空间抛出，同时涌出大量的瓦斯。这种突出的物体主要是以岩石为主,在我省还没有发生过,我国现在有纪录的是在甘肃的窑街矿区发生过。其主特征有：Ａ、几乎都是由放炮引起的，它与正常爆破崩落岩石的区别在于突出的岩石量比正常爆破时要多，抛出距离远；Ｂ、突出岩石一般为砂岩，有分选性现象；Ｃ、突出瓦斯量较大，甚至出现逆流；Ｄ、动力效应明显，破坏支架，推倒矿车。Ｅ、突出后在岩体中形成极不规则的空洞，其位置多在巷道上方或上隅角。四、浅谈煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出的机理，主要是研究突出的因素和条件以及它的发生和发展过程。许多国家运用统计分析、现场观测和实验室摸拟等方法对突出机理开展了广泛深入的研究，取得了一些成果，但迄今还未得到根本解决。虽然提出了几十种不同的假说，而只能对某些现象给予解释，尚未能得出统一和完整的突出机理理论。各种假说大体可以归纳为：１、以瓦斯为主导作用的假说。如：瓦斯包说、突出波说、裂缝堵塞说、瓦斯膨胀说、卸压瓦斯说、煤结构不均匀说、火山瓦斯说、瓦斯粉煤说、瓦斯解吸说等。２、以地压为主导作用的假说。如：岩石变形潜能说、集中应力说、震动波波动说、应力叠加说、放炮突出说、顶板位移不均匀说、拉应力波说等。３、化学本质假说。认为瓦斯突出是由于煤在很大的深度内，变质时发生的化学反应而引起的。４、综合假说。这是目前国内外多数研究者的观点。即煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果。Ａ、地应力是指煤层中煤体所受到的地层应力，其中包括构造应力、地层自重应力和采动应力。Ｂ、瓦斯因素是指煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力。Ｃ、煤的物理力学性质主要指煤的破坏程度、煤体抵抗破碎的力学性能（抗压、抗拉、抗剪强度和弹性摸量等）及煤层透气性能等。上述三个因素是相互紧密联系在一起的，至于彼此间在数量上如何组合并决定突出的条件，则还没有了解清楚。但地应力和瓦斯是发生突出的能量是肯定的。这就是煤与瓦斯突出的三因素突出理论。总之，对于突出机理，从性质及原因，应该说是已经清楚了，即:它是一个力学过程。它有固体岩石的弹性能;高压瓦斯的膨胀能;煤的物理力学特性.即“地应力、瓦斯压力、煤的性质”三个方面定性来确定的，而定量方面无法确定。这就是我们目前所认识的煤与瓦斯突出机理.PRб瓦斯煤的物理力学特性应力P+б+R==突出五、突出的过程及阶段突出的发生和发展大体要经历四个阶段：准备阶段；动力阶段（诱发阶段）；扩展阶段（突出发展）；停止阶段（突出终结）。即：准备、激发、发展、终结１、准备阶段：弹性变形潜能和瓦斯的积聚，工作面附近煤体处于临界应力状态，孔隙和列隙增加，但尚未破坏煤与煤体的动力的联系。见图2：P＇бб＇应力、瓦斯压力分布示意图[正常是σ、P，突出时变成了σ‘、P’，很靠近工作面，加之煤很软时，极易发生突出．]2、发动阶段：随着采掘工作面的进行，使工作面附近的高应力煤层迅速破坏，伴随着裂隙的产生，煤的破碎，并导致瓦斯的剧烈解吸和煤的进一步破碎和粉化。3、扩展阶段：弹性变形能和瓦斯能的共同作用下，使煤体更迅速和连续的破坏，并形成煤和瓦斯混合流抛出。见煤体自发性破坏示意图3：Pб煤体自发性破坏示意图F1F2F煤的破坏、粉碎与运移，是瓦斯的作用结果．而地质构造方面:—是造成突出地点的地质条件复杂；二是构造地应力突然集中或释放。4、停止阶段：煤体破坏停止，瓦斯从突出孔洞和突出物中的涌出逐渐减弱，瓦斯煤混合物沿巷道的移动停止。总的来说，对突出机理的认识还有待于在今后的继续研究中加深。六、煤与瓦斯突出防治技术的发展1、安全防突技术的发展目前，基本做到突出不死人，如法国、比利时为主的用震动性放炮技术,人为的诱导突出，解除突出带来的威胁。2、防治突出的措施及方法的应用在我国，50年代后期，突出增多，所以人们对防突有了进一步的认识，采取了不同方法及措施，应用技术等来解决煤与瓦斯突出问题，常用的方法有：（1）开采解放层一般是指突出矿井在煤层群中首先进行开采的非突出危险煤层。该煤层开采后，使突出危险煤层丧失或降低突出危险性，从而达到防止煤和瓦斯突出的目的。因此，我们说在条件允许的时候应该提倡首先开采解放层，使得突出煤层大面积卸压，降低σ、P，减少和解除突出危险源，使得突出煤层转变为不突出煤层。迄今为止，开采解放层仍然是防止煤和瓦斯突出最有效、最经济的根本措施。该方法1933年法国最先使用，我国四川天府矿务局使用最好。2、水力化措施包括：水力冲孔、水力冲刷、水力割缝、水力挤出、水力压裂及水力疏松（高压注水、毛细湿润等）按不同性质可分为三大类A、把水作为湿润剂。如煤层高压注水和毛细湿润、煤体的湿润，可对引起突出的因素产生影响，包括煤层的瓦斯动力学性质及物理力学性质。B、把水作为动力，在煤层中形成人工的空腔，槽缝和裂隙或扩大已有的裂缝以及促使煤体发生位移。如：水力冲刷、水力割缝、水力压裂、水力疏松及水力挤出等。C、用水作为部分动力，激发突出潜能的释放，水压并不要求很高。如：水力冲孔（即钻冲法）3、石门揭穿（开）突出危险煤层石门揭穿突出危险煤层时，一般具有较大的危险性，对我国突出矿区的统计表明，石门揭开煤层的平均强度为煤巷突出的7—14倍，有的甚至为40倍。我国千吨级以上的特大型突出有90%发生在石门揭煤时。多采用钻孔卸压、水力冲孔、金属骨架、震动性放炮等措施。4、突出危险煤巷的掘进在世界各国的突出矿井中，煤巷发生的突出的次数最多，约占突出总数的80%以上。防治煤巷突出的方法，世界上较先进的国家多数采取预测预报法，根据预测预报结果，决定是否采取技术措施。煤巷防突措