1、矿井煤与瓦斯突出防治措施摘要：本文对煤与瓦斯突出的机理、有突出危险煤层的特征、突出煤层地质规律进行了研究。并对煤与瓦斯突出的规律和预兆做出了分析,同时还指出了预测突出的方法和有效的预防突出措施,为防治矿井的煤与瓦斯突出提供借鉴经验。关键词：煤与瓦斯突出；机理；预防；监测；防治措施1 引言 煤与瓦斯突出是矿井开采中常见的一种灾害，它是指井下采掘过程中，煤与岩石瞬间被从煤中抛出，并喷出大量瓦斯的现象。这种突发的猛烈的岩石破坏，和瓦斯浓度的瞬间剧烈增加，会对正常生产，设备财产以及人身安全造成严重的危害。我国是世界上发生煤与瓦斯突出最严重的国家之一，从发生的次数和强度来看，远远超过了前苏联、波兰及法国
2、等欧洲国家。究其原因，主要是煤是我国主要的一次性能源（约占我国能源的70%左右），煤的产量大，有突出危险的矿井多；其次是发生的突出都与煤炭产业的发展紧密相关，煤炭的供应愈紧张，煤与瓦斯突出发生的几率就愈大。随着新井的开发、现有矿井开采深度的不断加大、矿井地质条件复杂化，煤与瓦斯突出发生的频率和强度不断增加，因此，研究开采煤与瓦斯突出的发生机理和预测方法，及防治措施就具有了重大意义。2 我国煤与瓦斯突出的基本特点 (1)突出矿井多、分布广泛。据全国国有重点煤矿统计，截止2005年底，我国大中型煤矿中共有突出矿井106处。其中重庆市100、贵州省91.7、江西省和湖南省50、河南省40的大中型煤矿
3、具有煤与瓦斯突出危险。从地区分布来看，全国主要的产煤省份及矿务局都具突出危险矿井，其中中南部地区尤为严重。(2)突出类型齐全。我国的突出类型齐全，包括突出、压出、倾出及喷出。从全国来看，煤与瓦斯突出次数约占总突出次数的45%左右，压出及倾出约占总突出的25%左右。从突出的物质来看主要是煤与瓦斯突出，但个别也有岩石与瓦斯突出及煤与二氧化碳突出，不过其所占的比率较小，前者仅占比率的0.3%，后者更小。(3)突出次数多、突出强度大。突出次数和突出强度是衡量煤矿突出危险性的重要标志，与世界突出严重的国家相比，我国煤矿煤与瓦斯突出不仅次数多而且强度大。统计表明 2002年国家煤矿安全监察局安全日志上统计
4、发生伤亡事故的各类突出40起，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的11.1，死亡270人，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的15.85。(4)煤与瓦斯突出之前大多出现前兆现象，且突出愈严重其突出前兆愈明显 突出分布于不同煤层出前大都有预兆发生，可以出现一种预兆，也可以出现几种预兆。常见的有声预兆有:煤体中出现劈裂声、炮声、闷雷声;常见的无声预兆是:煤层层理紊乱、煤变软变暗、支架来压、掉渣、煤面外鼓、片帮、瓦斯浓度增大、瓦斯涌出忽大忽小以及打钻时顶钻、火钻、钻孔喷孔等等(5)多数突出发生在煤巷，但揭石门突出强度最大 。统计资料表明，煤层平巷突出次数最多，约占突出总次数的4 _5%左右，石门揭穿煤层的突出次数虽然不多，
5、但是其突出强度最大，80%以上的特大型突出均发生在石门揭煤时。(6)震动放炮引起的突出最多 。在不同作业条件下，放炮引起的突出最多，占突出总次数的55.67%，风镐及手镐作业时亦发生突出，且占一定的比例。 (7)突出矿井数目不断增加。随着我国煤矿开采深度的加大，开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的危险性也在增加，突出危险区域也在扩大，部分原无突出危险的煤矿也开始出现动力现象，部分未划分为突出矿井的煤矿也不得不按突出煤矿管理。我国煤与瓦斯突出危险矿井数目和突出强度、频度将随着开采深度的延深、开采强度的增大而逐渐增多。(8)突出危险性随采掘深度增加而增大;突出次数和强度随深度增加而增大是突出的普遍规
6、律，对每个矿井、煤层都有一个发生突出的最小深度，当少十该深度时不发生突出，该深度简称为始突深度。(9)突出危险性随突出煤层厚度增大而增大;突出煤层越厚危险性越大，表现为突出次数多，强度大，开始发生突出的深度浅。(10)突出与作业方式有关;统计资料表明，原统配煤矿的大多数突出矿井在爆破时发生的突出约占总数的2/3，突出的平均强度最大;风镐落煤和手镐落煤时发生的突出一般占突出总次数的12%16%，近年来，随着机械化采煤的发展，机组采煤时的突出已跃居第2位，统配煤矿共发生1005次，占突出总数的16.4%。3 煤与瓦斯突出的国内外研究现状3.1煤与瓦斯的突出机理煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生
7、的原因、条件及其发生过程。许多国家对煤与瓦斯突出机理的研究都很重视,并取得了一定成果,但由于突出机理的复杂性及突出现象的多样性,目前对突出机理的认识仍处于假说阶段。国外对煤与瓦斯突出机理的认识可归纳为4种:地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说。我国从60年代起就对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等开展了一系列的研究,根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨,提出了新的见解和观点,概括起来主要有中心扩张学说、流变假说、二相液体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳理论等。此外中国科学院力学研究所从力学角度对突出过程做了大量的研究工作,并提出了突出破坏过程及瓦斯渗流的
8、机制方程。3.2煤与瓦斯突出的类型煤与瓦斯的突出包括:煤与甲烷突出、岩石与甲烷突出、煤与CO2突出、岩石与CO2突出等。由于突出时的原动力和所表现现象的不同,煤与瓦斯突出可分为突出(以瓦斯压力为主导作用)，压出(以地压为主导力量)，倾出(重力突出)3种情况。3.3 煤与瓦斯突出的一般规律(1) 突出多发生在地质构造地区,如褶曲、断层处及岩浆侵入地区。与地质构造紧密相关。(2) 围岩的透气性越差、致密的岩层越厚,煤层的瓦斯含量越高,其突出的危险性也就越大。 (3) 突出的次数和强度随开采的深度增加而增加。(4) 煤层中的厚度大、倾角大或其厚度和倾角发生变化以及煤层中的软分层由薄变厚的地区,容易发
9、生突出。(5) 掘进工作面应力集中的地区易发生突出。(6)在外力冲击作用下,如放炮或采煤机割煤时煤体受到震动,诱导瓦斯发生突出。(7) 煤体破坏程度越严重,煤的强度越小,突出危险性越大(8) 突出多发生在揭煤和煤层掘进工作面。(9) 在突出前大都出现预兆。4 煤与瓦斯突出的地质构造规律分析4.1 地质构造概况研究地质构造应分清构造形迹之间的控制关系，构造形迹从整体到局部，从一般到特殊的关系，才能对其进行定型定量的研究。李四光提出的地质构造包括:结构要素、地块形态和构造体系。结构要素指存在地质体中的基本构造形迹，包括结构面和线条。它们包括原生与次生构造分划性和标志性结构面及线条等构造形迹构造地块
10、指地壳上部的结构形态不是均一发展的，而是有区域性的，彼此之间经常呈现着显著的差别，不同结构形态的地区之间往往有比较明确的界线，这就是构造地块。构造地块可大至洲际规模，如:欧业地块、太平洋地块等，小到具自身特征组构与邻近地区差别显著的区域规模。它们实际上是地质力学中提出的不同规模、不同等级、不同序次和不同等级的构造地块。所谓构造序次是指岩块或地块在同一场构造运动中，受到同方式、同方向构造外力的持续作用，由于变形过程中边界条件的改变，导致应力场的复杂化，于是产生了先后出现的目又是挨次控制的构造形迹。这种构造形迹之间产出的顺序称为构造序次。构造序次分初序次构造和低序次构造。初序次构造又称第一序次构造
11、，也称高次构造。这是指与初始的区域构造应力场有直接的成因联系，在岩块或地块变形之初产生的一套构造形迹。初序次构造之间没有挨次控制的关系，它们之间是伴生关系。低序次构造是二、四序次构造的总称，又称再次构造。这是指那些在边界条件改变之后出现的，与局部应力场有直接成因联系的构造形迹。它们产生构造形成之后，并直接受其控制，它们总体上与初序次构造有依赖关系，所以称派生构造。构造等级是构造形迹的规模大小，它和构造序次是完全不同的概念，在同一场构造运动中形成的各种构造形迹有序次之分，也有规模大小之分，把不同时期构造运动形成的各构造形迹综合起来，也有规模大小的区别。水平地应力对煤与瓦斯突出起着主导控制作用。受
12、区域构造控制,突出矿井井田位置多位于向斜或背斜轴部及其附近地带,尤其以褶曲转折端或倾伏端受水平应力挤压作用最强烈,突出也最强烈。经分析认为,水平地应力对首山矿区煤与瓦斯突出起着主导控制作用。因为煤系地层在高水平地应力作用下,不易形成易于瓦斯逸散的张性通道,为煤系地层赋存大量的高压瓦斯提供了条件;在高水平应力场影响作用下,软弱层(煤层) 易发生塑性流变,软弱层(煤层) 越厚,塑性流变越易发生;塑性流变使软弱岩层(煤层) 力学强度进一步降低,为构造煤的形成提供了力学条件;根据吸附态瓦斯理论,甲烷分子在炭的表面的吸附以单分子层排列,并处于动态吸附平衡状态,煤体遭受破坏越严重,表面积应越大,吸附瓦斯能
13、力越强,破坏煤体量越大吸附瓦斯总量越大。4.2 地质构造与煤与瓦斯突出的关系大量的研究成果表明突出与构造有直接的关系，山西阳泉80%以上发生在构造区，开滦矿区60%发生在以断层为主的构造附近，四川芙蓉矿48次突出都发生在断层和褶皱构造附近，安徽淮南矿区8 5%以上的突出与以断层为主的构造有关，河南平顶山矿区、江苏省含煤矿区的突出也与构造有关。突出不仅需要良好的瓦斯形成和保存的地质条件，还需要具备瓦斯突出的地质条件。瓦斯的形成和保存奠定了突出发生的物质基础，地质构造因素则是发生瓦斯突出的必要条件。由于地质构造的影响，有些矿区不但高瓦斯矿井发生突出事故，就是低瓦斯矿井也会因瓦斯局部积聚，频繁的发生
14、突出事故。研究表明，构造煤容易发生突出，因为构造煤是在构造应力作用下原生结构遭到破坏的煤，其实构造煤本身就处十地质构造中。有些突出点虽然其附近的地质条件无明显差异，但却处十某些封闭性构造圈闭的范围内，或受某些特殊的构造边界的控制。一般大的地构造控制突出的分区分带性，中小型构造是应力相对集中的部位，容易诱发突出。综合分析各方面的研究成果，从地质力学的角度来看，构造区内突出危险性相对较大的部位是:构造体系的复合部位、弧形构造的弧顶部位、褶曲构造的褶扭部位、多种构造体系的交汇部位、压扭性断裂所火的断块，以及旋转构造的收敛端和断层的尖火端等。根据大量研究成果说明，对褶曲构造来说，褶皱强烈或紧密褶曲部位
15、，不协调褶皱、层间滑动或层间揉皱发育地带、煤层产状变大的块段、中小型向刹轴部、背斜倾伏段以及背斜中和面以下部位，牵引褶曲部位等。4.3 围岩力学与煤与瓦斯突出的关系统计表明：坚硬围岩处煤层塑性变形小,煤体受破坏程度相对较小。在同等水平构造应力作用下,软弱围岩层区煤层的原生结构遭受破坏变形相对坚硬围岩强烈,坚硬围岩在一定程度上起到了保护煤体免遭破坏的作用。因此较弱围岩分布区构造煤相对发育,发生煤与瓦斯突出的概率相对也较大。4.4 埋藏深度、瓦斯压力与突出关系实践表明，随着开采深度的增加，地压不断增大，瓦斯压力总体上随深度的增加而增加,开采深度对突出影响显著。同一地质单元,随埋藏深度的增加,瓦斯压
16、力、瓦斯含量、突出强度、突出频率常呈现正比例关系。不同地质单元,瓦斯压力与深度关系在空间分布上很不均衡。不同矿区瓦斯压力梯度不同,同一矿区不同瓦斯地质单元瓦斯压力梯度也不相同。瓦斯压力这一空间分布属性显示,随着开采深度的增加,瓦斯压力不均衡特性显著增强。瓦斯压力在同等深度条件下出现显著差异,与差异的水平地应力密切相关。4.5 断层对突出的影响 断层对突出的影响比较复杂，大量研究实测资料和研究成果表明，突出具有明显的分区分带性，地质构造尤其是断层构造控制突出的分区分带性一般认为断层的产生是地应力释放的过程，因断层的产生在一定程度上减少了突出的危险性，但是在很多时候断层又作为煤与瓦斯突出的初始通道或突破口，因而需对其进行具体分析与研究。断层的性质不同其对突出的作用及影响截然不同，一般情况下，压性或压扭性断层为封闭性构造，瓦斯含量较高、瓦斯压力大、因此突出危险性也大;张性断层属
