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。针对首山一矿所具有的特有的地质环境及煤层赋存特征，本文特别提出了首山一矿有突出危险煤层的综合预防及防治措施。关键词：煤与瓦斯突出；机理；预防；防治措施Prevention and Cure of Coal and Gas OutburstAbstractThe mechanismof coal and gas outburst 、the character of o
2、utburst danger coal and geological rule of outburst danger coal are studied. The regulation and omen of coal and gas outburst are analyzed. The forecasting outburst methods and effective preventing outburst measures are pointed out .The reference experience is provided for the prevention and cure of
3、 coal and gas outburst in mines.Aim at the own of geologic condition and coal special of the shou shan coal mine,the text special put forward shou shan coal mine the outburst danger coal of defend and prevent step.Key words :coal and gas outburst ; mechanism ；defend ；prevent step0 前言煤与瓦斯突出是煤炭地下开采过程中
4、产生的一种强烈的复杂动力现象。它在极短的时间内突然发生，从采掘工作面煤体内以极快的速度喷出大量的煤与瓦斯，同时产生强大的冲击破。煤与瓦斯的突然大量喷出，充塞采掘工作面和巷道，摧毁采掘设备和巷道设施，破坏通风系统，甚至造成矿井风流逆转。井下人员有可能被煤炭埋没和瓦斯窒息死亡的危险，危害极大。矿井风流中含有大量高浓度瓦斯，此时若遇井下火源可能引起瓦斯燃烧或爆炸事故。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
5、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，煤与瓦斯突出灾害将愈严重。我国煤与瓦斯突出矿井多,分布范围广,并且突出频繁,所以深入研究煤与瓦斯突出是非常必要的。1 我国煤与瓦斯突出的特点1.1 突出矿井多、分布广泛据全国国有重点煤矿统计，突出矿井占总数的三分之一以上。截止2004年底，我国大中型煤矿中共有突出矿井104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，南至广州、湖南，北至黑龙江。西起
6、甘肃，东至江西、江苏。1.2 中部、南部矿井突出严重有上面数据可以看出，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。其中重庆、贵州、湖南及河南等省份突出严重。1.3 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。1.4 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
7、家相比，我国煤矿煤与瓦斯突出不仅次数多而且强度大。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36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。1.5 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1.6 突出分布于不同煤层突出煤层赋存情况较复杂，有煤层群，也有单一煤层；有急倾斜煤层，也有倾斜缓倾斜煤层；有厚煤层也有薄及中厚煤层；且不少矿井主采煤层均为有突出危险的煤层，无解放层可采。本设计一般部分中的首山一矿就是这一条件。1.7 多数突出发生在煤巷，但揭石门突出强度最大根据质料，煤巷、上山及下山的突出突出的次数分别占
8、突出次数的47.3%、24.9%及3.8%，石门揭露虽然只占总突出次数的5.85%，但大型及特大型突出多发生在石门揭露时，其平均突出强度是煤巷及上下山突出的10倍以上，且大型、特大型突出占揭露石门突出次数相当高，比煤巷要高数十倍。1.8 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。1.9 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
9、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。2 煤与瓦斯突出的机理、类型与一般规律2.1 煤与瓦斯突出的机理我国根据现场资料和试验研究对突出机理进行了探讨,提出了新的见解和观点,特别是近几年随着研究的深入及新技术手段的应用,产生了许多新认识。目前已能对突出发生的原因、条件、能量来源作出定性的解释和近似的定量计算,为防治措施选择及效果检验提供理论依据。概括起来主要有以下几方面:中心扩张学说、流变假说、二相流体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳观点。国外关于煤与瓦斯突出机理的认识可归为4种观点:地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说。2.2 煤与
10、瓦斯突出类型煤与瓦斯的突出包括: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。由于突出时的原动力和表现现象不同,煤与瓦斯突出可分为突出、倾出、压出等3种情况。2.3 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。(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
11、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。3 突出危险煤层的基本特征国内外大量研究表明，突出煤层与非突出煤层在煤质、结构、赋存条件及瓦斯特征等方面存在明显的差异，这些差异是煤层突出危险性评价的基础。一般来说煤与瓦斯突出煤层有以下几个特征：3.1 突出危险煤层一般具有较高的变质程度我国多数严重突出的矿井煤层变质程度较高，而且在一定程度突出危险程度随煤层变质程度的增高而增大，突出强度随变质程度的增高而增大，但不是所有高变质煤层都发生突出。低变质煤也有发生突出的例子，所以，煤的变质程
12、度虽然与突出密切相关，但它不是决定性的因素3.2 突出危险煤层一般具有较高的瓦斯压力和较大的瓦斯含量瓦斯压力和瓦斯含量是引发突出的一个重要动力因素，高压瓦斯的存在是是突出能量来源的基础条件。针对特定的煤层条件，存在一个特定的最小瓦斯压力和瓦斯含量。我国规定最小瓦斯压力为0.74 MPa。3.3 突出危险煤层一般具有低透气性突出危险煤层的透气性一般较低，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瓦斯压力。因此，煤层的低透气性有利于瓦斯的保存，从而为突出的发生提供了内能条件。3.4 突出危险煤层的结构破坏类型较高，强度低
13、一般情况下突出煤层破坏类型为III，IV，V类，突出危险煤层的平均最小坚固系数f较小。一般情况下当f0.5时有突出危险。煤层的强度是发生突出的阻力因素，煤层的坚固系数在一定程度上反映了突出的难易程度。3.5 突出危险煤层的瓦斯放散初速度p较大一般情况下，P10时有突出危险。3.6 突出危险煤层的比表面积大煤的比表面积直接影响煤层吸附瓦斯的压力，比表面积大的煤层可吸附的瓦斯量就大，在相同的埋藏条件下，煤层中储存的瓦斯含量大，煤层突出潜能就打。3.7 突出危险煤层具有明显区别于非突出煤层的孔隙结构特征煤的总孔隙容积和滞后量越大，突出危险性越大。突出危险煤层的大、中孔隙容积之和在总孔隙容积比通常很大
14、，微、小孔隙孔占比例很小；而非突出煤层正好相反。因此可用大孔隙容积和小孔隙容积来判断煤层突出性。4 煤与瓦斯突出的地质规律分析4.1 地质构造分析以平煤集团首山一矿为例，在区域构造格局中,首山一矿中部处于白石山背斜轴部，井田大致构造为一背斜。根据区域地质构造的形成机制,弧形构造的凸侧遭受挤压而成为应力集中带,该带内由于裂隙发育而不利于瓦斯的聚集和保存,虽然轴部瓦斯含量略低，但弧顶部位应力集中程度最强，轴部仍是突出最严重的位置。以背斜轴为界，向两翼随埋深增大瓦斯含量增加。水平地应力对煤与瓦斯突出起着主导控制作用。受区域构造控制,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
15、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,吸附瓦斯能力越强,破坏煤体量越大吸附瓦斯总量越大。井田主采的己2号煤层均为构造煤,煤层瓦斯含量大,突出强度高。4.2 围岩力学与突出的关系首山矿区突出煤层顶底板及其附近绝大多数岩石为透气性差的泥岩、砂质泥岩,软弱围岩处煤层塑性流变发育,煤体受破坏程度加重,同时致密泥岩项底板又有利于瓦斯保存。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。己2煤顶板是一层36 m 厚的泥岩及砂质泥岩,底板是泥岩、砂质泥岩,吨煤瓦斯含量达10.46 m3/t。4.3 埋藏深度、瓦斯压力与突出关
