煤与瓦斯突出防治及突出鉴定要点杨胜强教授

煤与瓦斯突出机理及瓦斯突出鉴定方法要点中国矿业大学杨胜强教授目录•1煤与瓦斯突出现状•2突出机理及突出基本规律•3我国煤与瓦斯突出防治技术的发展•4突出矿井鉴定方法及区域预测研究•5突出危险性鉴定（预测）参数测定要点1969.7.13加加林矿710m水平主石门揭穿l3煤层时，煤层厚度仅1.3米突出煤量达1.42万吨，喷出瓦斯量25万米3。是世界上最大的一次煤与瓦斯突出。1975.8.8三汇坝一井+280米水平(垂深500米)主平硐揭K1煤层时，突出煤(岩)量12780吨，喷出瓦斯量140万米3。是我国所发生的最大的一次煤与瓦斯突出事例，也是世界上第二大突出事例。2004.10.20郑煤集团公司大平煤矿岩石掘进工作面13m处突出，突出煤量1894吨，突出瓦斯量约25万米3，在大巷被电火花引爆，瓦斯爆炸波及西大巷、11、13、15、21四个采区，死亡148人，32人受伤。1煤与瓦斯突出现状1.1煤与瓦斯突出灾害概况最近的瓦斯突出及其引发瓦斯爆炸事故频发：2013050435月4日10时38分，重庆能投集团永荣矿业公司赶家桥煤业公司井下+505m水平八采通处发生煤与瓦斯突出事故(初步分析)，造成3人死亡。201304-1634月16日1时54分，重庆市万盛经济开发区青年镇，青华龙叫煤业有限公司掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，造成3人死亡，9人受伤。2013-04-1474月14日20时10分，湖南省郴州市永兴县香梅乡高堰煤矿-90南底板巷道发生煤与瓦斯突出事故，造成工作面砌砖的4名作业人员和-90南底板巷道水沟清理作业的3名工作人员共7人死亡。2013-03-29363月29日22时36分，吉林省通化矿业八宝煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，事故共造成36人遇难。2013-03-2153月21日22时30分，重庆市北碚区金茂煤业有限公司+730米+733米南K1煤层发生一起煤与瓦斯突出事故。事故共造成5人死亡。2013-03-12243月12日20时07分，贵州省六盘水市水城县贵州格目底矿业有限公司马场煤矿13302底板瓦斯抽放巷发生一起煤与瓦斯突出事故，事故已造成25人死亡。2013-01-18121月18日17时30分，贵州六盘水市盘县金佳煤矿发生煤与瓦斯突出事故，累计发现12名遇难矿工，尚有1人被困。5月25日15时许，贵州省六盘水市水城县玉舍镇六枝玉舍煤矿发生煤与瓦斯突出事故，事故发生地点玉舍煤业11182机巷底板抽放巷。事故发生时，共有240人正在井下当班，安全升井231人。而从事故作业点入井的11人中，有2人安全升井，5人遇难，尚有4人下落不明。6月11日，贵州省六盘水市六枝特区贵州华隆煤业有限公司新华分公司（六枝工矿集团控股、基建矿井）重大煤与瓦斯突出事故，造成10人死亡。未严格落实区域防突措施，违反作业规程、反向风门设置位置、质量以及强度达不到要求、发生突出后破坏反向风门导致风流逆转进入进风平硐，回风系统有一名瓦检员。未执行放炮揭煤前所有人员撤出井下的规定等问题。1.2煤与瓦斯突出事故现状分析煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放，是煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯参与的动力现象。表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量煤岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上万吨，瓦斯从几百到上百万立方米，并可能诱发瓦斯爆炸。我国煤矿每年以20～50m的速度向深部延深，许多矿井开采深度达到800～1200m，地应力及瓦斯压力不断增加，突出灾害日趋严重。1.3煤与瓦斯突出的危害:–危及井下作业人员的安全–破坏矿井正常的生产秩序–破坏井下设备和建筑物，如摧毁支架、推倒矿车、破坏通风设施–诱发其它灾害事故，如瓦斯煤尘爆炸、瓦斯燃烧–严重影响矿井经济效益●突出矿区分布示意图2突出机理及突出基本规律•单因素（瓦斯）假说•综合假说•流变假说（周世宁，何学秋）•球壳失稳理论（蒋承林，俞启香）•固流偶合失稳理论（章梦涛，梁冰）2.1煤与瓦斯突出假说----瓦斯假说这类假说认为，引起突出并促使其发展的主要因素是煤中所含的高压瓦斯。在这类假说中，“瓦斯包”假说占有重要的地位，它认为，在原始煤体中，存在着瓦斯压力比邻近区域高的多的“瓦斯包”，瓦斯包中的煤，松软、揉皱、裂隙发育，“瓦斯包”周围煤体的透气性极小，使包中的高压瓦斯得以保存。当采掘工作面接近“瓦斯包”时，高压瓦斯则连同碎煤一起突出。•2.2综合作用假说•该类假说最早由前苏联的Я.Э.聂克拉索夫斯基教授在50年代提出，他认为煤与瓦斯突出是由于地压和瓦斯的共同作用引起的。到50年代中期，А.А.斯科钦斯基院士根据开采突出危险煤层的经验，以及当时的科研工作成果，提出突出是由于下列因素综合作用的结果：•（1）地压；•（2）包含在煤体中的瓦斯；•（3）煤的物理力学性质，煤的微结构和宏观结构及煤层结构；•（4）在急倾斜煤层中，煤层工作面附近的煤的自重。•这些为综合假说奠定了基础。•综合作用假说认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果。2.3球壳失稳假说•煤与瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩展并使形成的球盖状煤壳失稳破坏，将原本具有一定支撑能力的表面破坏煤体抛向巷道，迫使地应力峰移向深部，继续破坏后续煤体这样一个连续发展的过程。这一结论称为煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。2.4煤与瓦斯突出发展过程发展阶段的特点是煤体依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使发生连续破碎，形成破碎波，已破碎的煤岩体在高速瓦斯流的携带下向巷道抛出。能量积聚过程，即工作面前方应力集中，形成高的应力梯度；应力增大使煤体透气性降低，煤体内瓦斯压力梯度提高。准备阶段使工作面处于突出危险状态,这样的工作面会显现各种的有声或无声的突出预兆。当出现下列任一情况时，突出即告停止：①激发突出的能量业已耗尽；②突出过程中,继续放出的能量不足以粉碎煤；③突出孔道受阻碍，不能继续在突出空洞周围建立较大的应力梯度和瓦斯压力等。煤与瓦斯突出发展过程即突出的发动阶段。由于外力作用使工作面附近煤岩体应力状态突然改变，岩石和煤中积聚的弹性潜能、瓦斯膨胀能迅速释放，使煤岩体发生突然的位移、破坏,激发突出。停止阶段激发阶段准备阶段发展阶段•2.5按动力现象的力学(能量)特征分类•根据动力现象的力学(能源)特征不同，煤与瓦斯突出可分为突出、压出与倾出三类。•（1）突出：主要作用力是地应力和瓦斯压力，以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。•（2）压出：主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。•（3）倾出：主要力是失稳煤的自重，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出。这三类动力现象的发动都以地应力为主，所以它们的预兆相似(如有声响预兆等)，对震动以及引起应力集中的各因素都非常敏感，在应力集中地带、地质构造带、软煤带等处都易发生这三类现象。•2.6按动力现象的强度分类•（1）小型突出：强度50t/次（突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常）；•（2）中型突出：强度50～99t／次(突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；•（3）次大型突出：强度100～499t/次(突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；•（4）大型突出：强度500—999t/次（突出后，经过几天回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）；•（5）特大型突出：强度1000t／次（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。2.7突出的基本特征①突出的煤向外抛出距离较远，具有明显的分选性；②抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；③抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉④有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车、破坏和抛出安装在巷道内的设施；⑤有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远大于突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转；⑥突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其它分岔形等。2.8煤与瓦斯突出规律•根据我国主要突出矿区如天府、南桐、里王庙、焦作、六枝等的统计资料表明，突出发生的一般规律有：•（1）突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深度称为始突深度，一般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。•（2）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。突出最严重煤层一般是最厚的主采煤层。•（3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、甘肃窑街)突出二氧化碳。•（4）突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大；透气性差(透气性系数〈10m2／(Mpa2.d)〉；瓦斯放散初速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破坏的“构造煤”。•（5）突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。•（7）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。•（8）绝大多数突出都有预兆。•（9）煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石门突出强度最大。•2.9瓦斯突出预兆大多数突出发生前会有预兆，突出预兆主要有：声响预兆--响煤炮瓦斯预兆--瓦斯异常、喷孔煤结构预兆--煤结构紊乱、煤体发暗、煤厚急剧变化矿压显现预兆--片帮、煤墙外臌、底臌、顶（夹）钻温度预兆--温度降低、煤墙发凉煤与瓦斯突出动画南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画煤与瓦斯突出动画2004年10月20日，郑州大平煤矿发生特大型突出，引发瓦斯爆炸，死亡148人。3我国煤与瓦斯突出防治技术的发展我国煤与瓦斯突出防治技术的发展50年代：防突技术研究以安全防护措施为主。目的是保证一旦发生煤与瓦斯突出时，避免造成人身伤亡事故。主要措施有震动放炮和远距离放炮。安全防护措施阶段从60-70年代末:开采解放层应用，取得了较好的防突效果；局部防突措施方面，试验提出超前钻孔、松动爆破、煤层注水、水力冲孔、水力冲刷、金属骨架等多种防突措施。防突措施阶段70年代末-80年:70年代,抚顺分院以与北票局、红卫煤矿合作,试验提出区域预测的单项指标、瓦斯地质统计法和综合指标法。79年在石门揭煤工作面提出了钻屑解吸法。突出预测阶段1988－2009年:以《防突细则》的颁布为标志。将突出预测、措施效果检验纳入到防突工作中来,全面实施预测、措施、措施效果检验和安全防护措施的综合防突技术。局部综合防突阶段2009年以来:以《防突规定》的颁布为标志。区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则；区域防突实行多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。区域综合防突新阶段4.突出矿井鉴定方法及区域预测研究4.1定义根据现场出现的动力现象的特征或者煤层中测定的参数对矿井在今后开采过程中是否发生煤与瓦斯突出动力现象给出明确结论的过程即为矿井突出危险性鉴定。4.2矿井突出危险性的鉴定方法①.事后鉴定法；②.事前鉴定法（即预测法）。①.事后鉴定法在现场出现动力现象后，对现场存在的各种现象及特征进行分析，判断是否是地应力与瓦斯压力共同作用产生的动力现象。如果是则鉴定为突出现象，否则，鉴定为煤与瓦斯突出之外的动力现象。这方面的特征有突出孔洞的形状，抛出煤体的分选性，瓦斯是否逆流，单位煤体的瓦斯涌出量等等。动力现象由地应力与瓦斯压力共同作用的一个重要指标是抛出软煤的堆积角是否显著小于抛出物的自然堆积角。这是地应力先作用于煤体，然后瓦斯压力推动破碎煤体运动的重要判据。②.事前鉴定法（即预测法）。在没有出现动力现象的条件下对矿井的突出危险性进行鉴定，主要的方法就是对鉴定范围内最具有突出危险的煤体在最危险的揭煤条件下(即理想石门（井巷）揭煤条件下)进行突出预测，看其是否具有突出危险。如