1、浅析矿井煤与瓦斯突出防治措施摘要：在煤矿进行开采过程中，煤与瓦斯突出作为最严重的自然灾害之一是时常发生的，它是煤矿井下发生频率较大的复杂的有煤岩和瓦斯涉足的一种危害很大的动力现象。作为世界上发生煤与瓦斯突出灾害发生最严重的国家之一，我国截至2004年底，累计发生突出超过了15000次，接近世界总突出次数的一半以上。本文概述了煤与瓦斯突出的危害、发生机理、特征与分类、预测方法和防治煤与瓦斯突出的管理措施和技术，并特意针对平顶山首山一矿所具有的特有的地质环境及煤层赋存特征，对有突出危险煤层提出了综合预防及防治措施。关键词：瓦斯；煤与瓦斯突出；防治措施；首山一矿0 引言当我国步入经济高发展的新世纪，
2、能源消费也飞速的发展起来，在最近的能源消费调查结构中显示，煤炭占了70%以上。由此可见煤炭已经成为了促进经济发展的基本燃料，同时也成为了社会所必须的工业原料，钢铁、水泥、电力、石油加工和化学原料是与煤炭直接挂钩的五大行业，因此只有稳定并高效的发展煤炭工业，才能使我国的社会经济和能源战略持续稳定的发展。我国的煤炭资源总量非常丰富，煤炭资源是世界上最丰富的国家之一，中国煤炭的探明储量据不完全的统计已经高达9000亿t以上，仅次于美国和俄罗斯，世界排名第三。自1989年以来，我国一直是世界第一大的煤炭生产国和消费国，其煤炭产量达到了世界煤炭产量的1/4以上。作为煤炭生产大国，而且地质条件又具有多样化
3、，所以在煤炭生产过程中遇到了一系列的事故和难题，其中煤与瓦斯突出是危害大、发生次数多的事故因素。煤与瓦斯突出是指能在极短的时间内由采掘工作面媒体向巷道或采场突然喷出大量的煤炭及涌出大量的瓦斯，并且同时产生强大的冲击波，是煤矿井下采矿过程中发生的一种非常复杂的动力现象。煤与瓦斯的突然喷出由于量大而充满采掘工作面和巷道，极易摧毁采掘设备和巷道设施等，同时通风系统遭到破坏，严重的话会造成风流逆转，井下的工作人员也存在由于瓦斯浓度增大而窒息、煤炭喷出被埋没的可能危险，对矿井和人员的威胁非常大，而且当井下存在火源的时候，很有大的概率会引起瓦斯爆炸等重大事故。所以煤与瓦斯突出的防治一直是我国煤矿解决的热点
4、问题。在世界上，中国是煤与瓦斯突出发生频率最大的国家之一，自1950年发生有记载的煤与瓦斯突出现象以来，在安徽、四川、重庆、贵州、黑龙江、辽宁、江西、湖南、河南、山西等省区都发生了较为严重的煤与瓦斯突出，因此解决我国矿井的煤与瓦斯突出灾害的问题，是实现煤炭工业可持续发展道路的当务之急。1 我国煤与瓦斯突出的特征1.1发生的煤与瓦斯突出事故非国有煤矿占了主体地位从下图1中可以明确看出，发生突出事故次数非国有煤矿要高于国有煤矿，非国有煤矿发生煤与瓦斯突出事故次数占总突出事故次数的比例从2001年的一半突然增加到2008年的80以上，数据显示非公有的煤矿的煤与瓦斯突出事故的发生占我国煤与瓦斯突出事故
5、的主体位置。小煤窑突出事故发生的比重大，次数多，所以小煤窑成为了煤与瓦斯突出的严重灾害发生区。从下表中可以直观的表示，突出事故发生在年产量6万吨以下小煤窑的频率高，大概占了一半以上。另外，死亡人数多(76.6 )、次数多(85.3)是非国有煤矿发生突出事故的特点。出现非国有小煤窑突出事故多的主要原因有乡镇煤矿安全基础性较差，管理技术人员的素质低下受利益驱使并且非法生产，关闭的社会阻力大等。1.2煤与瓦斯突出的时间特征时间集中性是我国煤矿安全事故的发生的一个特点。从下图2中可以读出，2008年全国发生煤与瓦斯突出事故具有明显的时间集中性，发生的时间主要集中发生在3、5、9月份，占突出总数的一半以
6、上。造成灾害频繁发生的原因是为了利益而进行违规、违法操作，在防突措施做的不到位和没有进行瓦斯抽采抽放的情况下仓促进行了矿井生产。3月份是工人重新上岗的时期，安全意识较为淡薄，防范措施做的不够到位，因此事故发生的比较多，所以在这段时间监督人员应加强力度，强化安全生产意识，避免违规操作，尽量减少或控制事故的发生；9月份由于正处酷夏，天气炎热，蚊虫较多，工人的休息时间得不到有效利用，并且这个时期人都有的惰性，导致了九月份时我国煤矿事故频发。1.3煤与瓦斯突出的空间特征全国煤矿发生煤与瓦斯突出事故在空间的分布上也有明显的特点。宏观上，从下图4中容易看出，除河南省外，煤矿突出次数较严重的省份主要有：重庆
7、，云南，四川，湖南和贵州等。所以就总的分布来说，南重北轻，南多北少是我国煤矿出现突出矿井的分布特点。湖南，云南，重庆地处华南板块，而发生煤与瓦斯突出最严重的地区华南地区是地区，其原因是随着开采深度的增加，增加了煤层瓦斯向地表移动的距离、地应力和瓦斯应力，而且煤岩体在高应力的作用下更方便失稳，在多种因素共同作用下导致原来未发生突出的矿井和矿区逐渐出现瓦斯突出的现象，非突出煤层渐渐变成煤与瓦斯的突出煤层。微观上也有较为明显的特点，从下图5中容易看到，发生在掘进工作面的煤与瓦斯突出数约占了总突出数的绝大多数，伤亡两百人左右占总死亡人数的70以上。因此预防掘进工作面煤与瓦斯突出是防突工作的重点。掘进工
8、作面的煤层的瓦斯压力和原始应力由于采掘作业而破坏了原先的平衡，导致了应力集中，使采掘作业发生突出。2 煤与瓦斯突出的发生过程、机理、类型与一般规律2.1煤与瓦斯突出发生的过程根据当前的突出理论和现场及实验室对突出过程的观测，可将典型突出过程归结为准备、激发、发展和终止4个阶段。（1） 准备阶段突出前工作面工作面前方媒体及围岩中能量的局部积聚过程，使工作面处于突出危险状态。（2） 激发阶段应力状态的突然变化使工作面附近的媒体突然被破坏、发生位移、形成贯通的裂隙，发出冲击和巨响。（3）发展阶段媒体在该阶段自发性的发生连续破坏而形成破碎波，碎煤连同高速瓦斯流一起向巷道外抛出。（4） 停止阶段 突出停
9、止有两个缘由：一是遇到了硬煤块段，瓦斯压力和地应力不能够继续破坏媒体；二是突然突出的煤块将洞孔堵住，瓦斯在孔洞中急速积聚而形成较高的压力，使瓦斯压力梯度降低了，达不到媒体破碎前沿的压力，使煤不能够继续抛出和破碎。2.2煤与瓦斯突出的机理由于煤与瓦斯突出的危害性和频发性，各个国家都开始重视对煤与瓦斯突出机理的深入研究，经过各种实验和实践取得了一定成果，但是现在对突出机理的认识还只是处于假说的状态，那是因为煤与瓦斯突出机理存在一定的多样性和复杂性。外国关于煤与瓦斯突出的机理的说法就目前的认识可以归纳为四种：瓦斯作用假说、地应力假说、综合作用假说和化学本质假说。我国从六十年代开始就关于突出煤层的瓦斯
10、的赋存情况、地应力的状态、煤岩物理力学相关性能等展开了一系列的研究，根据实验的研究结果和现场的资料分析对突出机的理进行了一定的探讨，提出了新的认识，总的来说主要有流变假说、中心扩张学说、固流耦合失稳理论、二相液体假说、球壳失稳理论等，另外我国的力学研究所从力学角度对突出的过程做了大量的可行有效的研究工作，并写出了瓦斯渗流和突出破坏的过程的机制方程。2.3煤与瓦斯突出的类型煤与瓦斯的突出主要包括：煤与瓦斯突出；岩石与瓦斯突出；煤与二氧化碳突出；岩石与二氧化碳突出等。根据突出时的表现现象和原动力不同可以把煤与瓦斯突出分为倾出、突出、压出三种情况。2.4煤与瓦斯突出的一般规律（1） 突出的危险性随着
11、开采深度的增加而增大。突出的次数增加，突出的强度增大，突出的煤层增多，突出的危险区域增大是其主要表现。（2） 一般最厚的主采煤层是突出最为严重的煤层，因为突出次数和强度随煤层厚度的增加而增加，特别是硬度较软煤层的厚度。（3） 突出的气体以甲烷为主，特别情况下也会突出二氧化碳。根据以往的经验，突出危险的程度随着瓦斯含量和瓦斯压力的增大而增加。突出煤层的相对瓦斯涌出量达到了1015m/t以上，比煤层的瓦斯含量高。突出的危险性随着煤层瓦斯压力的增高而增大，但是如果煤层不同，其瓦斯压力与突出危险性之间并没有直接的关系，由此可见突出与否除瓦斯因素的影响以外，还受地应力、煤结构等因素的影响。在矿区的条件相
12、似的井田范围内，可以推导出该条件下发生突出时最小瓦斯压力和煤岩强度之间的关系，并且总结出经验公式，该经验公式是根据瓦斯压力与煤层埋藏的深度之间的关系以及突出开始的深度和不同的煤强度之间的关系所总结推导出来的，但是该经验公式只限制在相同条件时才能运用。（4） 突出的危险性随着煤体破坏程度煤的强度的变化而变化。一般情况下，如果煤的强度越小媒体的破坏程度越大，则突出的危险性就越大。（5） 突出发生时由上向下的比例更大，相反突出发生由下向上的比例更小。所以煤与瓦斯突出的危险性与煤层倾角有着密切的关系。（6） 煤与瓦斯突出与地质的构造有着密切的关系,即使在煤层赋存较为稳定的地质构造初也发生突出。突出大多
13、发生在断层的上盘，尽管断层的下盘也有少数突出。（7） 突出的危险性在由于采掘工作形成的应力集中区有所增加，不仅使突出的次数多，而且突出的强度更大。（8） 突出一般在掘进煤巷时发生较多，而回采工作面也较为频繁。从发生煤与瓦斯突出的巷道类型来说，石门揭穿煤层的过程中突出的危险性最大，突出的强度非常高，一般在百吨/次以上，瓦斯喷出量达到万m，瓦斯逆流也达到数百米，极易造成重大事故，所以该处的煤与瓦斯突出防治措施必须得到重视。（9） 放炮时的工作面和不放炮的但连续推进时的工作面是突出发生的主要地点。（10） 透气性差的煤层顶、底板有利于储存煤层瓦斯，所以在该地点的突出危险性也较大。（11） 突出前有一
14、定的预兆：例如煤壁移动程度的加剧，煤体和支架压力的增大，煤脱落、掉碴，煤块向外射出，有闷雷声，煤尘变大，瓦斯监测忽大忽小，温度忽高忽低，夹钻或顶钻，煤硬度发生变化，煤质的光泽变暗变干燥、煤的层理紊乱等。提前注意观察预兆，及时采取适当的措施，对保证人员安全来说是非常重要的。3 突出危险煤层的基本特征3.1突出危险煤层的基本特征赋存条件、结构、媒质以及特征等方面在突出煤层和非突出煤层间存在着明显的差异，根据这些差异可以对煤层突出危险性进行评价。一般说来，突出危险煤层具备以下几种特征：（1）变质程度较高我国大多数突出严重的矿井煤层变质程度都比较高，而且在一定程度上突出危险性随煤层变质程度的增高而增大
15、，同时其突出的强度也随变质程度的增高而相应的增大，但是低变质煤也会发生煤与瓦斯突出，所以，即使突出与煤的变质程度密切有关，但也不是起着决定性的关键的作用。（2） 瓦斯压力和瓦斯含量较高 引发突出的一个重要动力因素是瓦斯压力和瓦斯含量，突出能量来源的基础条件是必须存在高压瓦斯。针对某特定的煤层条件，存在一个一定的最小瓦斯压力值和瓦斯含量值。我国规定最小瓦斯压力为0.74 MPa，最小瓦斯含量是10m/t。（3）透气性较低，顶底板一般为封闭型透气性较低会引发突出危险煤层突出的发生，顶底板一般为封闭型，其顶板多为泥岩或砂质泥岩。煤层的透气性低，不利于瓦斯的移动和扩散，往往会积聚较大的瓦斯含量和较高的
16、瓦斯压力。因此，煤层的低透气性有利于瓦斯的保存，保证了突出的发生所必须的内能条件。（4）结构破坏类型较高、强度低突出煤层破坏类型一般分为III，IV，V类，突出危险煤层的平均最小坚固系数f都较小，一般情况下当f0.5时存在突出危险，如下表3-1所示。煤层的强度是发生突出的阻力因素，突出的难易程度在一定程度上由煤层的坚固系数反映了出来。表3-1 煤层突出危险性鉴定单项指标临界值煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度指标煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力，MPa突出危险、100.50.74（5） 瓦斯放散的初速度较大就一般而言，当P10mMPad时有突出危险。（6）比表面积较大单位质量煤中孔隙的表面积称为煤的比表面积。煤的比
