1、专题部分专题部分关于矿井煤与瓦斯突出的研究论述摘要：本文对矿井煤与瓦斯突出的机理、特征、地质规律进行了研究。煤与瓦斯突出是瓦斯特殊涌出的一种动力现象，具有极大破坏性，所以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。并从本质上采取有效措施从本质上确保安全关键词：煤与瓦斯突出；机理；规律，关系，预防；监测；防治措1 引言 煤与瓦斯突出是瓦斯特殊涌出现象，极具破坏性杀伤力，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
2、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煤炭工业技术现状与发展方向2.1煤炭开采技术现状2.1
3、.1煤炭在经济结构中仍占主体地位在21世纪前50年内，世界能源的发展趋势仍将以化石燃料为主，其中煤炭是最安全、最经济、最可靠的能源。我国煤炭资源总量为5.6万亿t，占世界总储量的11%。煤炭在全国一次能源生产和消费中的比例长期占70%以上，在本世纪前30年内，煤炭在我国一次能源构成中仍将占主体地位。2.1.2国外煤炭开采技术装备水平的最新发展二十世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透，形成了以德国DBT、Eickhoff和美国JOY公司为代表的国际采矿设备厂商，基本垄断了综采设备的高端产品市场，代表了综采设备技术的发展方向。目前，国际上煤炭开采技术装备发展的主要技术特点是： （1）设备功
4、率增大。新型电牵引采煤机总功率已达15002000kW，最大牵引速度达到30m/min以上，设备生产能力达到了3000t/h以上；工作面刮板输送机向着大运量、软启动、高强度、重型化和高可靠性方向发展，其输送量已达6000t/h，装机功率4800kW，整机寿命（过煤量）达1000万t以上，最高达2000万t； （2）支架性能提高。液压支架为高工作阻力的支架，支护工作阻力600010000kN，最大12000kN，支架结构为整体顶梁，支架控制方式为环形供液及电液阀控制，支架的寿命试验高达50000次以上； （3）顺槽带式输送机已向长距离、大运量、高带速的主要方向发展。目前装机功率已达4970 kW
5、，运输能力已达5500 t/h，带速5m/s以上； （4）综采工作面可以实现自动化生产； （5）综采工作面的设备的供电电压已从1140V等级分别提高到2300V、3300V、4160V、5000V等级，大大改善了采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况。2.1.3国内煤炭开采技术的发展现状：（1）采用先进开采技术与装备，工作面单产与效率大幅提高。已出现多个千万吨级的矿井或采煤工作面，设计能力2000万t/a的矿井（布尔台矿）已经问世。（2）开采深度增加，开采条件复杂，开采难度加大。我国煤炭开采主要以井工开采为主，露天开采产量仅为5%左右。远远低于世界主要产煤国露采产量比重（加拿大露采产量比重8
6、8%，德国78%，美国61.5%，俄国56%）。目前，我国煤矿开采深度以每年812m的速度增加，深井开采问题日益突现。（3）矿区环境污染问题未得到实质性改变。煤层气开发尚处于起步阶段。目前，全国年瓦斯排放总量约100亿m3左右，但实际利用量只有20多亿m3，相当于年损失500多万t标准煤。另外，煤矸石排放、地表沉陷、地表水损失与地下水污染等现象普遍存在。2.2煤炭工业技术发展方向2.2.1加大机械化开采水平，进一步提高煤炭行业生产效率不断提高煤田地质勘探精度及巷道掘进与支护技术水平、提升煤矿综采成套装备水平，建设高产高效矿井。在薄及中厚煤层中推广刨煤机、螺旋钻采煤机等现代化手段，建设无人工作面
7、。2.2.2加大矿井灾害治理力度，提高防灾抗灾能力不断改进煤矿瓦斯、火灾、水灾等治理技术与装备水平，提高灾害预测预报能力。2.2.3深入研究深井开采技术进一步研究深井开采过程中的“三高一扰动”问题，即高应力、高地温、高岩溶承压水和强烈的开采扰动。研究解决深井巷道与采场的支护、瓦斯突出、地温异常等问题。2.2.4保护环境，科学开采进一步研究“三下一上”开采难题，减小开采过程对地表的破坏程度；研究矸石利用、充填开采问题，解放“三下”压煤，提高煤炭资源的回收率；研究保水开采、绿色开采，最终实现科学开采。2.2.5深入双能源开采技术加快研究煤与煤层气双能源共采技术，不断提升洁净煤技术水平，加快发展煤炭
8、资源的综合加工利用。2.2.6 重视井下热能利用技术加快研究井下热能（热风、热水）利用技术，变热害为热能，变井下降温过程为热能的提取过程，既改善了作业环境，又节约了能源、提高了安全程度，做到一举多得。3 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
9、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
10、 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，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
11、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
12、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 07016 070，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100_5次，占突出总数的16.4 070 04 煤与瓦斯突出的国内外研究现状4.1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
13、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机制方程。综合而言，煤与瓦斯突出是地应力、高压瓦斯与煤的物理及力学性质三者综合作用的结果。4.1.1 瓦斯作用说这类假说2认为煤内存储的高瓦斯是突出中起主要
14、作用的因素。在这类假说中“瓦斯包”说占有主要地位，它认为在煤层中存在着瓦斯压力和瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝，即“瓦斯包”，其煤质松软，孔隙与裂隙发育，且被透气性差的煤或围岩所包围，因此具有较强的存储瓦斯能力，当巷道揭穿“瓦斯包”时，在瓦斯压力作用下将松软的煤窝破碎并抛出，从而诱发突出。另一类瓦斯说则认为，甲烷在煤中以不稳定的化合物形式而存在，如多聚甲烷(CH4)n或结晶水化物CH46H2O,当巷道揭开饱含不稳定化合物的煤区时，因温度上升或瓦斯压力下降，促使它们急剧分解，放出大量瓦斯并夹带着煤而喷出。在引发突出现象的诸多因素中，瓦斯解吸是一个主要原因3-5。在煤的骨架上和内部缝隙及煤分子中存
15、在吸附瓦斯，这种相态的瓦斯是以扩散形式缓慢运移的，当它们扩散到达煤层的缝隙网络后，便迅速解吸为自由态的瓦斯并成为通过宏观孔隙流到工作面的自由流体。吸附瓦斯在解吸过程中必然释放出大量内能，煤层内能有两种储存形式，分别为气体介质的内能和固体介质的内能。在矿井采掘作业中，由于煤体结构和状态均发生了变化，这两种能量将转化为动能，因此，煤与瓦斯突出是一种由于存储于煤层中的瓦斯能量转换为动能而发生的煤层崩塌和瓦斯气体溢出的失效破坏过程。这种失效破坏可能是由于煤层中的应力超过煤介质的强度，以及在瓦斯释放时单位体积煤所释放的瓦斯内能足以超过引起单位体积煤发生突出所必须的功。4.1.2 化学本质说化学本质说2主
16、要包括：“爆炸的煤说”、“重煤说”、“地球化学说”、“硝基化合物说”。其中“爆炸的煤说”认为是由于煤在地下深处变质时发生的化学反应而引起的，即由于煤的变质，在爆炸转化的物质（爆炸的煤）的介稳区能呈现链锁反应过程，并迅速形成大量的CO2和CH4，从而引起爆炸即煤与瓦斯突出。“重煤说”认为煤在形成时有重碳（原子量13）及带氢的同位素（原子量2）重水参加，形成煤的重同位素，称为“重煤原子”，当进行采掘时，能发生突出。“地球化学说”认为煤与瓦斯突出是煤层中不断进行的地球化学过程，即煤层的氧化-还原过程，由于活性氧的存在而加剧，生成一些活性中间物，并与煤中有机物质发生相互作用，使煤分子遭到破坏。“硝基化合物说”认为突出煤中积蓄有硝基化合物，只要有不大的活化能量（如分布不均的地应力，瓦斯
