矿井瓦斯煤尘灾害救灾技术

1第2节煤与瓦斯突出类型及机理2内容提要一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与突出过程五、瓦斯突出的一般规律3一、煤（岩）与瓦斯突出概况煤矿地下采掘过程中，在很短时间（数分钟）内，从煤(岩)壁内部向采掘工作空间突然喷出煤(岩)和瓦斯的现象，称为煤(岩)与瓦斯突出，简称瓦斯突出或突出。4煤与瓦斯突出的危害:●危及人员安全●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，如瓦斯爆炸、瓦斯燃烧●破坏矿井正常的生产秩序●影响经济效益一、煤（岩）与瓦斯突出概况5一、煤（岩）与瓦斯突出概况世界上一次有记载的突出：1834年3月22日，法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井平巷掘进工作面世界上第一次猛烈的突出：1879年4月17日，比利时阿拉波二号井发生突出，煤量420t，瓦斯50万m3，瓦斯逆流至地面，井口绞车房火炉引燃瓦斯，井口烧成一片废墟。世界上最大一次突出：1969年7月13日，前苏联顿巴斯加加林矿井石门揭煤发生突出，煤量14000t，瓦斯25万m3。我国第一次有记载的突出：1950年，吉林省辽源矿务局富国西二坑垂深280m煤巷掘进工作面我国最大一次突出：1975年8月8日，天府矿务局三汇坝一矿主平硐(+280m)，震动性放炮揭煤，突出煤岩12780t、瓦斯140万m36一、煤（岩）与瓦斯突出概况煤与瓦斯突出煤和CO2突出岩石和瓦斯突出岩石和CO2突出盐和CO2突出7一、煤（岩）与瓦斯突出概况我国是世界上瓦斯突出灾害最严重的国家，每年发生突出事故近200起。截至2012年底，累计发生突出19800多次，占世界总突出次数的40％以上。8一、煤（岩）与瓦斯突出概况严重突出矿区北票、六枝、南桐、天府、芙蓉、松藻、英岗岭、涟邵、白沙、焦作、鸡西、阜新、沈阳9内容提要一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律10二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分矿井中发生的有瓦斯参与抛出煤岩的现象称之为矿井瓦斯动力现象。煤与瓦斯突出煤与瓦斯压出煤与瓦斯倾出岩石与瓦斯突出煤与瓦斯突出突出压出倾出瓦斯动力现象不准确，混淆了现象的力学本质11二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分1.按照按动力现象的力学（能源）特征分类突出压出倾出煤与瓦斯突出地应力和瓦斯压力共同作用，地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用地应力为主，瓦斯压力与煤自重为辅发动靠地应力，实现倾出的主要力是失稳煤的重力。12二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分突出的基本特征：1.突出的煤向外抛出的距离较远，具有分选现象；2.抛出的煤堆积角小于自然安息角；3.抛出的煤破碎程度较高，含有大量碎煤和一定数量手捻无粒感的煤粉；4.有明显的动力效应，如破坏支架，推倒矿车，损坏或移动安装在巷道内的设施等；5.有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，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、分岔形以及其它形状。13二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分14二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分压出的基本特征：1.压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出，但位移和抛出的距离都较小；2.压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中常留有细煤粉，整体位移的煤体上有大量的裂隙；3.压出的煤呈块状，无分选现象；4.巷道瓦斯涌出量增大；5.压出可能无孔洞或呈口大腔小的楔形、半圆形孔洞。15二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分16二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分倾出的基本特征：1.倾出的煤就地按自然安息角堆积、无分选现象；2.倾出的孔洞多为口大腔小，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅锤（厚煤层）方向发展；3.无明显动力效应；4.倾出常发生在煤质松软的急倾斜煤层中；5.巷道瓦斯涌出量明显增加。17二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分18二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分2.按照动力现象强度分类小型突出煤与瓦斯突出强度＜50t，突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常中型突出强度50-99t，突出后，经过一个作业班瓦斯浓度可恢复正常次大型突出强度100-499t，突出后，经过一天瓦斯浓度可恢复正常大型突出强度500-999t，突出后，经过几天瓦斯浓度可恢复常特大型突出强度＞1000t，突出后，经过长时间瓦斯浓度才可恢复常19二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分3.突出危险程度划分突出煤层突出危险程度发生过突出的煤层或者鉴定为有突出危险的煤层突出矿井在矿井的开拓、生产范围有突出煤层的矿井突出危险区瓦斯压力≥0.74MPa或者瓦斯含量≥8m3/t无突出危险区瓦斯压力＜0.74MPa或者瓦斯含量＜8m3/t突出危险工作面预测指标超标或者预测过程有动力现象无突出危险工作面预测指标不超标而且预测过程没有发生动力现象20内容提要一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律21三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例22三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例23三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例1.石门突出实例:揭煤时的突出南桐鱼田堡矿+150m水平主运输石门，自顶板方向揭穿4号煤层。垂深325m，煤层倾角30°，煤厚2.4m，煤层松软，底板有小错动。揭煤前施工测压孔时突出煤粉1t多，瓦斯压力0.62MPa(表压力)，压力测值偏低，同水平相邻区瓦斯压力2.26MPa(表压)。石门工作面距煤层2m时，曾响煤炮十多次，第一次放震动炮揭煤时发生了突出，抛出煤岩56t，瓦斯4500m3。24三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例:过煤门时的突出第一次突出瓦斯浓度恢复正常后，，煤门向前掘进，在第二次突出前一个班，发现煤亮度变暗，层理紊乱，煤壁往巷道空间鼓动，有煤流出，工作面发冷，当放底炮崩4号煤底板时，发生了第二次突出，突出煤粉1473t，岩石80t，瓦斯逆流冲出进风竖并井口到地面。25三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：石门对掘揭煤突出1970年3月10日，天府磨心坡煤矿+110m水平北段6石门对掘揭9号煤层发生突出，突出煤5270t，抛出280m，瓦斯逆流2200m。推测瓦斯压力4.4MPa，相向对掘头距离20m，打排放钻孔11个，有2个钻孔喷出煤粉2t，因此，在4个排放孔内装27kg炸药松动爆破。当两工作面距煤层各为2m时，布置震动炮眼99个，炸药231kg，瞬发雷管153个，放炮地点距突出点1200m，同时起爆，炮响后发生突出。26三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：自行冲破岩柱的突出1988年10月16日，南桐鱼田堡矿二水平东翼三采区+20m石门，打震动炮眼时发生自行冲破岩柱的突出，煤8765t，岩石61m3，瓦斯201万m3，煤粉堵塞巷道1388m，瓦斯逆流1846m。突出煤层为4号层，厚约3.0m，倾角30-35°，石门附近地质构造复杂，距鸦雀嘴向斜轴312m，距煤层扭转轴150m。27三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：延期突出1973年6月29日，北票三宝矿一井西一采区-226m水平2号岩石反眼揭开9b煤层时发生延期突出。煤1500t，瓦斯5.44万m3。突出前一天反眼工作面迎头为黑色石英斑岩，掏槽炮后工作面中间揭开煤层，面积0.6m2，尚剩7个刷帮眼未放炮，发现有掉渣、工作面压力大等预兆，人员撤出停掘；突出前放刷帮炮，共7个炮眼，炮响后经过大约18-20min听到两声巨响发生突出。28三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：1967年3月14日，北票三宝一井-175m水平2石门西9B煤层平巷掘进接近煤门时发生突出。该区小断层、小褶曲发育，大面积火成岩侵入，9B煤层顶板为厚达12m火成岩，底板为火成岩和砂页岩，顶煤变质煤，底部为正常煤（4-5m），倾角25°。为预防突出，打排放瓦斯钻孔8个，排放17天后向前掘进3.8m，距石门12m，煤炮声连续不断，在10min内可以听到82响。2.平巷（煤层平巷）突出29三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：1973年5月2日，六枝矿务局六枝矿五采区中巷上山倾出。上山沿7号煤层掘进，煤层倾角55°，煤厚4m，其上邻近层1号、3号煤层已采但留有煤住。倾出点正位于这两层留的煤柱的下方，附近有一压扭性断层，煤质松钦，岩石破碎，倾出前发现煤壁掉渣，决定加强支护；支架时煤层来压，随即倾出。3.上山突出30三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例实例：天府矿务局磨心坡矿峰区沿9号煤层掘进临时斜井，向下掘至距地表374m时发生突出。突出4天前发现煤变软、层理紊乱，底板柱窝有水浸出，顶板裂缝有限哩声并有“冷气”喷出，突出前听到类似跑车的“轰轰”声，紧跟着一声巨响而突出。煤抛出17.5m远，最上面5m为煤粉，再下4m为小于25mm碎煤；往下3.5m为50mm小块煤，最后2m为70-100mm大块煤。4.下山突出31三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例5.采煤工作面突出实例：南桐煤矿一井0504采区一长度33m的区段，小断层发育、底板阶梯状凸起、煤厚变化剧烈，回采时压出7次，总压出煤量2127t，占该区段煤储量的50%。第⑦次压出发生在震动放炮后5min，压出煤量774t。注意：尽管回采工作面压出平均强度不大，但是由于采煤工作面人员较多，对人身安全及生产的影响是很大的。32内容提要一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律33四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程1.瓦斯突出机理假说•瓦斯作用假说•地应力作用假说•综合作用假说•流变假说•球壳失稳假说34四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程（1）瓦斯作用假说认为：煤层中存贮的高压瓦斯是突出的主要作用因素。有两个分支：①瓦斯包假说认为煤层中存在着瓦斯压力与瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝，叫瓦斯包，包内煤松软、孔隙与裂隙发育，具有较大的存贮瓦斯能力，它被透气性差的煤（岩）所包团，储存着高压瓦斯。当巷道揭穿“瓦斯包”时，在瓦斯压力作用下将松炊的煤窝破碎并抛出形成突出。35四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程（1）瓦斯作用假说②瓦斯水化物假说认为甲烷在煤中以不稳定的化合物形式存在，例如：瓦斯水化物CH4·H2O或者多聚甲烷（CH4)n存在。当巷道揭开饱含不稳定化合物煤区时，因温度上升或瓦斯压力下降，促使它们急剧地分解，放出大量的瓦斯并夹带着煤而喷出。瓦斯水化物（可燃冰）密度很大，有些呈固态，一立方公尺就可产生164立方公尺的瓦斯。36四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程（2）地应力作用假说认为：突出主要是高地应力作用的结果。一种认为除自重应力外还存在着地质构造应力，当巷道接近储存构造应变能高的硬而厚的岩层时，后者将像弹簧一样地伸张，将煤破坏和粉碎，引起瓦斯剧烈涌出而形成突出。另一种认为采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长或者突然冒落时，可能产生附加的应力；在集中应力作用下，煤发生破坏和破碎时，会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。37四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程（3）综合作用假说认为：突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用的结果。这一假说较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面的主要因素，得到了国内外学者的普遍承认。综合假说中还有多种学说，能量说、地应力分布不均匀说，……38四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程能量说：前苏联学着B.B.霍多特提出，他认为突出是煤的变形潜能和瓦斯内能突然释放所引起的近工作面煤体的高速破碎，发生突出要满足如下三个条件：激发突出的第一条件：对于回采W+Э＞F+U对于掘进W＞F+U对于石门揭煤W+Q＞F+UW----煤的变形潜能；Э----顶板岩石的动能，Q----煤内游离瓦斯所台的内