煤与瓦斯突出的预测及防治措施

煤与瓦斯突出的预测及防治措施

学院：能源科学与工程学院 专业： 学号： 姓名： 倪 开 放

煤与瓦斯突出的预测及防治措施

摘要:介绍了瓦斯的形成及赋存情况，并总结分析了国内外煤与瓦斯突出机理、突出类型、突出条件、突出一般规律和影响因素的基础上，重点比较分析了煤与瓦斯突出预测的各种方法及针对性防治措施，而且总结出了各种防突的方法的效果的比较。

关键词:煤与瓦斯突出 预测 防治措施

1 概述

古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。 煤层中瓦斯总体来说分为两个阶段： 一：生物化学成气时期，厌氧微生物分解有机物产生CH4；二：煤化变质作用时期，有机物在高温、高压下，挥发份减少固定碳增多，生成气体主要为CH4和CO2。 瓦斯不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯主要的赋存状态主要以游离态、吸附在煤的表面、吸着在煤上以键连在一起。

煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内，从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤、岩和瓦斯，并伴随有巨响及七郎现象，称为煤与瓦斯突出。这是煤矿地下开采过程中的一种动力现象。煤与瓦斯突出是煤矿重大灾难之一，事故时所产生的高速瓦斯流能够摧毁巷道设施，破坏通风系统，甚至造成风流逆转；喷出的瓦斯由几百到几万平方米，能够使巷道充满瓦斯，造成人员窒息；喷出的煤、岩由几千吨到万吨以上，能够造成煤流埋人；动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生，有时伴生瓦斯燃烧或爆炸。

2 煤与瓦斯突出的机理与过程

2.1 煤与瓦斯突出的机理

突出机理是解释煤与瓦斯突出原因和过程的理论见解。突出是十分复杂的自然现象，假说很多，至今还没有形成共识。但多数人认为，突出是地应力、瓦斯压力和煤层物理力学性质综合作用的结果。

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机制方程。 2.2 煤与瓦斯突出的类型 2.2.1 按动力现象的力学特征分类

根据动力现象的力学(能源)特征不同，煤与瓦斯突出可分为突出、压出与倾出三类。 （1）发动突出的主要作用力是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。

（2）发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。

（3）发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出的主要力是失稳煤的自重。

这三类力现象的发动都以地应力为主，所以它们的预兆相似(如有声响预兆等)，对震动以及引起应力集中的各因素都非常敏感，在应力 集中地带、地质构造带、软煤带等处都易发生这三类现象。 2.2.2 按突出强度分类

（1）小型突出：强度<50t/次（突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常）；

（2）中型突出：强度50～99t／次(突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；

（3）次大型突出：强度100～499t/次(突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；

（4）大型突出：强度500—999t/次（突出后，经过几天回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）；

（5）特大型突出：强度>1000t／次（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。

2.3 煤与瓦斯突出的一般规律

大量突出资料的统计分析表明，突出具有一定的规律性，掌握这些规律，对于制定防治突出的措施，具有重要的参考价值。

（1）突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深度称为始突深度，一般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。

（2）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层。

（3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、甘肃窑街)突出二氧化碳。 （4）突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大；透气性差；瓦斯故散初速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破坏的“构造煤”。

（5）突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。

（6）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。

（7）绝大多数突出都有预兆。

（8）煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石门突出强度最大。

3 煤与瓦斯突出的预测

3.1 突出预测方法的分类

按预测预报范围和时间的不同，预测方法可分为3类：第一是区域性预测，主要是确定煤田、井田、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测，它是在区域性的基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区或要点的突出危险性作出判断；第三是日常预测，它是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应，对突出危险发出警告。

1、煤层突出危险性预测包括：突出煤层、非突出煤层、预测指标。 A、动力现象：在采掘过程中发生过煤与瓦斯突出的煤层。

B、单项指标：煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力。

2、区域突出危险性预测包括： （1）预测指标

B

、综合指标法 ：D、K D (0.0075Hf 3)(P 0.074)

A、突出危险区 B、突出威胁区 C、无突山危险区。 3、工作面突出危险性预测

（1）接触式预测方法：q、S、Δh2 、K1

q:瓦斯涌出量 s:钻粉量 △h2:实验测试的瓦斯涌出量 （2） 非接触式连续动态预测方法：AE、瓦斯涌出量、T、电磁辐射等 3.2 国内外煤与瓦斯突出的预测方法 3.2.1 微震技术预测突出危险性

研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发生破裂和震动，当从震源传出震波或声波的强度和频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出。突出是由连续的多起断裂引

起的，而且异常的微震发射通常在断裂之前5～45s内产生，故微震法作为突出预报方法，有其广阔的应用前景。俄罗斯在地震声学预测方法中取得了较好的研究成果。 3.2.2 煤层温度状况预测突出的危险性

温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。

前苏联NA雷任科等学者，对采掘工作面近工作面地段的煤体温度状况进行了考察研究，用于突出危险性日常预测，并对掘进中发生的6次突出全部作出了预报。原苏联的另一些学者，采用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。

3.2.3 煤层中涌出的氦或氡浓度的变化预测突出

研究表明在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。前苏联学者考察了顿涅茨煤田中2个不突出煤层和4个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯压力也相应的高。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标，该项目正在继续进行。

3.2.4 电磁辐射强度预测突出危险

电磁辐射(EME)是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象，与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关。采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的优点是：电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动力现象的主要影响因素；可实现真正的非接触预测，无需打钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动态连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。 3.2.5 神经网络方法进行突出预测

煤与瓦斯突出，其发生是由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体结构及围岩特征诸多因素决定的。突出灾害的发生是极不规则的，其所处的系统是一个不断变化的系统，各种力学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。

人工神经网络方法的出现，为解决这一问题开辟了一条新途径。神经网络具有通过样本来“学习”的能力，一方面区别于传统的各种预测方法，实际应用时无须做出因素与突出相关

关系的任何假设，只需将实际数据直接提供给网络来训练；另一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值(只要训练数据足够多)，能够抽提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，尤其是那些尚未被人类认识和揭示的规律，这些优点是传统方法无法比拟的。

4 煤与瓦斯突出预兆

煤与瓦斯突出前一般都有预兆，没有预兆的突出是极少数的。研究与掌握预兆的发生规律，及时发出警报，撤离人员，就能减轻突出的的危害。突出预兆主要有：

（1）瓦斯涌出异常。主要预兆有：瓦斯涌出有忽大忽小的异常，打钻有顶钻、喷瓦斯、喷煤动力现象。

（2）地压增大。如来压声响，支架折断，煤炮声，煤岩开裂，煤壁外鼓，片帮，掉渣，底鼓，打钻时顶钻、夹钻。

（3）煤层结构、地质构造。主要预兆有：层里紊乱，煤层变软或软硬不均，颜色暗淡无光，煤层受挤压，煤层干燥等。

（4）其他方面。煤或气温降低等现象。

5 煤与瓦斯突出防治措施

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，因其具有突发性、不完全的可知性，很难完全防止它的产生。但是如果开展突出预测并采取行之有效的防治措施，其防治措施作用主要是减少瓦斯、降低地应力。目前防治煤与瓦斯突出工作，已不是单一的技术措施，而是一套完整的综合防治突出的系统工程。其主要防治措施：区域性防突措施和局部性防突措施。 5.1 区域性防突措施

区域性防突措施主要有开采保护层和大面积预抽煤层瓦斯两种，在开采前实施。开采保护层是预防突出最有效、最经济的措施。

目前国内大都采用远距离震动放炮的方法揭开煤层，揭煤防突主要是把好“七关”。 设计关：进行煤巷道的设计时，要避开地质构造带和应力集中区； 施工关：巷道和抽放钻孔必须按设计施工，落实到实处； 验收关：巷道和抽放钻孔必须有专人验收，确保质量；

封孔关：凡有矿井系统抽放和局部抽放系统的矿井，应采用新设备、新技术、新工艺、新材料，确保封孔质量，提高抽放效果；

抽放卸压关：应按表计算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯压力和解突安全抽放期等参数； 检验关：必须按照颁发的防突细则的有关规定进行效果检验，符合要求后方准揭煤； 二次卸压关：揭煤前可再打一组卸压孔，进行二次卸压。 5.2 局部性防突措施

局部性防突措施主要有：水力松动、水力压裂、卸压缝、卸压槽、卸压腔、超前钻孔和水力爆破等七种防突措施。

（1）水力松动

机理：水力松动的实质是在回采工作面或准备巷道工作面施工钻孔，通过钻孔向煤层压入特殊状态的水溶液，通过水对煤体结构的破坏作用改变工作面附近煤层的瓦斯动力状态和应力应变状态 ，在工作面附近煤层形成裂隙带，导致煤层失去支撑能力，引起集中应力带向煤体深部转移。由于煤层失去支撑能力，在工作面附近形成卸压带时，同时伴有瓦斯向外排放。

（2）水力压裂

机理：借助于钻孔向煤层注入高压水，将工作面附近煤层强制压出。由于水力压裂造成工作面附近煤层向采掘空间推出，使煤层发生松动、形成裂隙。此时在水力作用区应力严重

减小，煤层透气性大大提高，煤层局部卸压和湿润，压出煤体的机械强度和支撑能力降低，应力重新分布，因此最大支承应力点向煤体深部转移。

（3）卸压缝

机理：煤层卸压和排放瓦斯是防治煤与瓦斯突出的基本原则。沿工作面全长形成的卸压缝，使煤层边缘卸压，由此提高了煤层透气性，煤层瓦斯得到排放，增大了卸压排放带。

（4）卸压槽

机理：沿煤层全厚垂直于煤层顶底板，在巷道边壁处沿巷道掘进方向切割两条卸压槽，卸压槽是两个附加的暴露面，不但有助于巷道方向的拉应变，而且也有利于卸压槽方向的拉应变。这些变形决定了由工作面和卸压槽圈定煤层的卸压和瓦斯有效排放，这种形状和范围的安全卸压带的形成，使下一循环的安全进尺成为可能。

（5）卸压腔 机理：保护层开采 适用条件：半煤岩工作面 （6）超前钻孔

机理：在沿煤层打的钻孔周围出现塑性带，在塑性带内煤层应力和瓦斯含量严重下降。由于在钻孔周围煤体应力减小，煤层透气性增加，煤层瓦斯自然排放，导致其突出危险性消除。（7）水力爆破

机理：水力爆破可以理解为炸药在充水钻孔中的爆破。在煤层水力爆破处理时，通过煤的松动和由此引起的工作面附近煤层应力重新分布和瓦斯排放，达到防治煤与瓦斯突出。

各种防突措施效果比较

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