矿井瓦斯与矿尘防治技术课件第3章.ppt

第三章第三章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防-大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂隙中迅速喷出的现象。大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂隙中迅速喷出的现象。特点特点：时间突然，空间上集中，动力效应。：时间突然，空间上集中，动力效应。危害危害：造成局部地区、采区、一翼充满高浓度瓦斯；：造成局部地区、采区、一翼充满高浓度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火灾。窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火灾。根据瓦斯喷出裂隙呈现原因不同分根据瓦斯喷出裂隙呈现原因不同分：（1）地质来源；）地质来源；（2）采掘地压形成。）采掘地压形成。一、瓦斯沿原生地质构造洞缝喷出一、瓦斯沿原生地质构造洞缝喷出 发生地点发生地点：地质破坏带、石灰溶洞裂隙区、背斜：地质破坏带、石灰溶洞裂隙区、背斜or向斜向斜轴部储瓦斯区、断层、断裂区。轴部储瓦斯区、断层、断裂区。3.1 瓦斯喷出的分类及其特点瓦斯喷出的分类及其特点第三章第三章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防 特点特点：瓦斯流量大，持续时间长，无明显地压呈现预兆。瓦斯流量大，持续时间长，无明显地压呈现预兆。二、瓦斯沿采掘地压生成的裂缝喷出二、瓦斯沿采掘地压生成的裂缝喷出 发生地点发生地点：往往与地质构造有关，在地质破坏区，原来往往与地质构造有关，在地质破坏区，原来处于封闭状态的构造裂隙容易被利用，即在采掘地压和瓦斯处于封闭状态的构造裂隙容易被利用，即在采掘地压和瓦斯压力联合作用下会突然张开，成为瓦斯喷出通道。压力联合作用下会突然张开，成为瓦斯喷出通道。特点特点：喷出时有地压显现，有显著的预兆（工作面来压、喷出时有地压显现，有显著的预兆（工作面来压、支架响、掉碴、支架折断），持续时间较短。喷出瓦斯量与支架响、掉碴、支架折断），持续时间较短。喷出瓦斯量与卸压区的面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。卸压区的面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。p致使现场作业人员缺氧窒息；致使现场作业人员缺氧窒息；p可能导致瓦斯燃烧或爆炸等重大事故。可能导致瓦斯燃烧或爆炸等重大事故。如如1860年英国卡尔乌年英国卡尔乌德煤矿打井时遇瓦斯喷出，井引起德煤矿打井时遇瓦斯喷出，井引起瓦斯燃烧在井口形成巨大的火柱，燃烧达瓦斯燃烧在井口形成巨大的火柱，燃烧达9年之久，在半径年之久，在半径15km内都可见到通天燃烧的火柱。内都可见到通天燃烧的火柱。p另外，在钻探施工过程中发生瓦斯喷出还可能损坏设备或另外，在钻探施工过程中发生瓦斯喷出还可能损坏设备或致伤人员。致伤人员。第三章第三章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防3.2 瓦斯喷出的危害瓦斯喷出的危害一、第一类瓦斯喷出的防治一、第一类瓦斯喷出的防治1、加强地质工作、加强地质工作 采取打前探钻孔查明采掘区域前方地质构造、溶洞裂缝采取打前探钻孔查明采掘区域前方地质构造、溶洞裂缝的位置分布及其瓦斯储量。的位置分布及其瓦斯储量。2、根据瓦斯压力、瓦斯量和地质采掘条件制订防治瓦斯喷出、根据瓦斯压力、瓦斯量和地质采掘条件制订防治瓦斯喷出的设计与安全措施。的设计与安全措施。3、利用封堵缝口、利用封堵缝口（瓦斯量小，裂缝不大时）（瓦斯量小，裂缝不大时），引排瓦斯、加，引排瓦斯、加强通风等综合措施治理喷出瓦斯。强通风等综合措施治理喷出瓦斯。第三章第三章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防3.3 瓦斯喷出的防治瓦斯喷出的防治引排瓦斯引排瓦斯二、第二类瓦斯喷出的防治二、第二类瓦斯喷出的防治1、加强地质工作、加强地质工作 掌握层间岩性与厚度变化，邻近层的瓦斯压力与瓦斯含量，掌握层间岩性与厚度变化，邻近层的瓦斯压力与瓦斯含量，地压大小，顶底板的活动规律。地压大小，顶底板的活动规律。2、根据初期卸压面积估算卸压瓦斯量，以确定抽放卸压钻孔的、根据初期卸压面积估算卸压瓦斯量，以确定抽放卸压钻孔的数量及孔位。数量及孔位。3、加强职工业务培训、加强职工业务培训4、搞好顶板管理、搞好顶板管理5、加强通风管理。、加强通风管理。第三章第三章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防3.3 瓦斯喷出的防治瓦斯喷出的防治第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治 煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害，是世界各煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害，是世界各主要产煤国突出矿井共同面临的技术难题。主要产煤国突出矿井共同面临的技术难题。Exp:1834年年3月月22日，法国鲁阿煤田，伊萨克矿井（日，法国鲁阿煤田，伊萨克矿井（世界世界上第一次有记录的突出上第一次有记录的突出）。）。1950年，辽源富国西二井（年，辽源富国西二井（我国第一次有记录突出我国第一次有记录突出）。）。最大的突出最大的突出：前苏联前苏联（）：加加林矿，石门揭煤，（）：加加林矿，石门揭煤，14200t,250万万m3瓦斯瓦斯。中国中国（）（）：三汇坝一井：三汇坝一井,12780t,140万万m3瓦斯瓦斯.4.1 煤与瓦斯突出概况煤与瓦斯突出概况第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治危害：危害：1、产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏、产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏矿井通风系统。矿井通风系统。2、井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。、井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。3、喷出的煤岩，造成煤流埋人。、喷出的煤岩，造成煤流埋人。4、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。至至20062006年底年底，我国共发生突出，我国共发生突出1500015000余次，占世界突出余次，占世界突出总数总数40%40%。我国现有各类矿井我国现有各类矿井2800028000处处，其中，高瓦斯、煤与瓦斯，其中，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井占矿井总数的突出矿井占矿井总数的50%50%以上以上，突出矿井大约，突出矿井大约20002000个个。定义定义：在很短时间内（数分钟），从煤（岩）壁内部向采掘在很短时间内（数分钟），从煤（岩）壁内部向采掘工作面空间突然喷出煤（岩）和瓦斯的现象。工作面空间突然喷出煤（岩）和瓦斯的现象。突出机理复杂：突出地点、突出强度、突出时间很难预测突出机理复杂：突出地点、突出强度、突出时间很难预测 特点特点：伴有声响和猛烈的力能效应（：伴有声响和猛烈的力能效应（摧毁井巷设施、破摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统坏矿井通风系统），窒息、煤流埋人，可能引起瓦斯燃烧和），窒息、煤流埋人，可能引起瓦斯燃烧和爆炸。爆炸。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.2 煤与瓦斯突出的定义煤与瓦斯突出的定义4.3 煤与瓦斯突出预兆煤与瓦斯突出预兆1.1.声响预兆声响预兆 如闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声。如闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声。2.2.瓦斯预兆瓦斯预兆 如风流逆转瓦斯异常、瓦斯浓度互大互小、打钻喷孔、哨如风流逆转瓦斯异常、瓦斯浓度互大互小、打钻喷孔、哨叫声、蜂鸣声。像平顶山有瓦斯忽大忽小平均突出强度最大叫声、蜂鸣声。像平顶山有瓦斯忽大忽小平均突出强度最大3.3.煤体结构预兆煤体结构预兆 层理紊乱、煤体干燥、煤体松软、色泽变暗无光泽、煤层层理紊乱、煤体干燥、煤体松软、色泽变暗无光泽、煤层产状急剧变化、煤层波状隆起、层理逆转等。产状急剧变化、煤层波状隆起、层理逆转等。4.4.矿压预兆矿压预兆 支架来压、煤壁开裂、掉砸、片帮、工作面煤墙外鼓、底支架来压、煤壁开裂、掉砸、片帮、工作面煤墙外鼓、底鼓、钻孔夹顶钻、钻孔严重变形、炮眼装不进药等。鼓、钻孔夹顶钻、钻孔严重变形、炮眼装不进药等。5.5.其它预兆其它预兆 有些工作面温度降低、煤墙发凉、特殊气味等预兆。有些工作面温度降低、煤墙发凉、特殊气味等预兆。一、按力学特征分类一、按力学特征分类1 1、煤（岩）与瓦斯突然喷出、煤（岩）与瓦斯突然喷出-突出突出主要特点主要特点：v突出物的搬运特征突出物的搬运特征：形成固体与气体两相混合流，可以流：形成固体与气体两相混合流，可以流动到很远处。动到很远处。v突出物的堆积特征突出物的堆积特征：分选、沉积轮回，堆积角：分选、沉积轮回，堆积角安息角安息角（35-4035-40）v突出物的破碎特征突出物的破碎特征：产生大量手捻无颗粒的微尘。：产生大量手捻无颗粒的微尘。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类v瓦斯量瓦斯量：突出瓦斯量（：突出瓦斯量（m3/tm3/t煤）煤）瓦斯含量；瓦斯含量；v喷孔孔形状喷孔孔形状：口小内大的犁形，倒瓶形（与应力分布一致）：口小内大的犁形，倒瓶形（与应力分布一致）v作用力作用力：地应力（弹性变形能）地应力（弹性变形能）瓦斯压力（瓦斯潜能）瓦斯压力（瓦斯潜能）重力。重力。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2、煤（岩）突然压出并涌出大量瓦斯、煤（岩）突然压出并涌出大量瓦斯-压出压出主要特点：主要特点：v突出物的搬运特征：突出物的搬运特征：煤呈整体外移，碎体抛出一定距离。煤呈整体外移，碎体抛出一定距离。v突出物的堆积特征突出物的堆积特征：就地堆积（：就地堆积（oror很近距离）、无分选性、无很近距离）、无分选性、无沉积轮回，沉积轮回，安息角（安息角（35-4035-40）v突出物的破碎特征突出物的破碎特征：大小不同的块体与碎末混杂。：大小不同的块体与碎末混杂。v瓦斯量瓦斯量：瓦斯量（：瓦斯量（m m3 3/t/t煤）煤）瓦斯含量；瓦斯含量；v喷孔孔形状喷孔孔形状：口大内小、外宽内窄、楔形：口大内小、外宽内窄、楔形v作用力作用力：地应力（围岩弹性位能突然释放），开采集中压力：地应力（围岩弹性位能突然释放），开采集中压力4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治3、煤（岩）突然倾出并涌出大量瓦斯、煤（岩）突然倾出并涌出大量瓦斯-倾出倾出主要特点主要特点：v突出物的搬运特征突出物的搬运特征：煤沿倾斜下落，碎体抛出不远距离；煤沿倾斜下落，碎体抛出不远距离；v突出物的堆积特征突出物的堆积特征：就地堆积（就地堆积（or很近距离）、很近距离）、无分选性、无沉积轮回，无分选性、无沉积轮回，安息角（安息角（3540）v突出物的破碎特征突出物的破碎特征：大小不同的块体与碎末混杂。大小不同的块体与碎末混杂。v瓦斯量瓦斯量：瓦斯量（瓦斯量（m3/t煤）煤）瓦斯含量；瓦斯含量；4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治v喷孔孔形状喷孔孔形状：口小内大、舌形口小内大、舌形v作用力作用力：地应力（围岩弹性变形能）、重力。：地应力（围岩弹性变形能）、重力。多发生于急倾斜煤层，低强度时，易与冒落和突出混多发生于急倾斜煤层，低强度时，易与冒落和突出混淆。淆。三类动力现象的发生都以地应力为主，所以它们的预三类动力现象的发生都以地应力为主，所以它们的预兆相似，但三者的基本能源不同。兆相似，但三者的基本能源不同。人们习惯上将三类现人们习惯上将三类现象象统称为煤与瓦斯突出统称为煤与瓦斯突出。二、按强度分类二、按强度分类 强度强度-每次动力现象抛出的煤（岩）数量（每次动力现象抛出的煤（岩）数量（t or m3为单位）为单位）和瓦斯量和瓦斯量(m3)。1、小型突出小型突出：强度强度50t/次（次（突出后几十突出后几十min，瓦斯浓度恢，瓦斯浓度恢复正常复正常）；）；2、中型突出中型突出：5099 t/次（次（突出后几小时，瓦斯浓度恢复正突出后几小时，瓦斯浓度恢复正常常）；）；3、次大型突出次大型突出：100499 t/次（次（突出后一天，瓦斯浓度恢复突出后一天，瓦斯浓度恢复正常正常）；）；4、大型突出大型突出：500999 t/次（次（突出后几天，瓦斯浓度恢复正突出后几天，瓦斯浓度恢复正常常）；）；5、特大型突出特大型突出：1000 t/次（次（突出后，很长时间，瓦斯浓突出后，很长时间，瓦斯浓度恢复正常度恢复正常）。）。4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类三、突出危险程度划分三、突出危险程度划分 1、突出矿井和突出煤层突出矿井和突出煤层：矿井在采掘过程中，只要发生：矿井在采掘过程中，只要发生过过1次次煤（岩）与瓦斯突出（简称突出，下同），该矿井煤（岩）与瓦斯突出（简称突出，下同），该矿井即为即为突出矿井突出矿井，发生突出的煤层即为，发生突出的煤层即为突出煤层突出煤层。2、突出危险区突出危险区和和无无突出危险区突出危险区：突出煤层经区域预测可划：突出煤层经区域预测可划分为分为突出危险区突出危险区和和突出威胁区突出威胁区。3、突出危险工作面突出危险工作面和和无无突出危险工作面突出危险工作面：突出危险区进行：突出危险区进行工作面煤与瓦斯突出预测。工作面煤与瓦斯突出预测。四、防突措施的规定四、防突措施的规定 在突出危险区工作前，应采取防突措施，采取措施之在突出危险区工作前，应采取防突措施，采取措施之后应进行检验，有效后方可进行作业；在无突出危险区，后应进行检验，有效后方可进行作业；在无突出危险区，每推进一个工作面预测循环，都必须进行工作面预测，每推进一个工作面预测循环，都必须进行工作面预测，根据预测结果采取措施。根据预测结果采取措施。-“四位一体四位一体”4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类4.5 采掘工作面瓦斯动力现象的特点采掘工作面瓦斯动力现象的特点 采掘面的类型对突出诸因素的边界条件及在煤内空间与采掘面的类型对突出诸因素的边界条件及在煤内空间与时间上的分布产生重大影响，因此各类工作面的动力现象时间上的分布产生重大影响，因此各类工作面的动力现象具有不同的特点。具有不同的特点。Exp:石门突出：突出危险性最大，突出强度大，概率高，石门突出：突出危险性最大，突出强度大，概率高，典型突出次数最多典型突出次数最多。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治一、石门突出一、石门突出 类型类型：（1）放炮揭开煤层时的突出；放炮揭开煤层时的突出；（2）过煤门时的突出；）过煤门时的突出；（3）自行冲破岩柱的突出。）自行冲破岩柱的突出。其中，放炮揭开煤层时的突出所占的比例最大。其中，放炮揭开煤层时的突出所占的比例最大。1、揭煤与过煤门时的突出、揭煤与过煤门时的突出 exp1：exp2：原因原因：采掘应力叠加。：采掘应力叠加。石门石门第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治 2、自行冲破岩柱的突出、自行冲破岩柱的突出 原因：一般都存在于有利的地质构造条件。原因：一般都存在于有利的地质构造条件。例如：断层、褶曲、扭转等地质构造处。例如：断层、褶曲、扭转等地质构造处。3、延期突出、延期突出 突出过程：突出过程：准备、发动、发展、终止。准备、发动、发展、终止。延期时间：延期时间：几十分钟几十分钟 几十小时几十小时 第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治延期突出的实质：延期突出的实质：放炮后，突出的准备阶段沿未结束，在此期间煤层内发生放炮后，突出的准备阶段沿未结束，在此期间煤层内发生不稳定的蠕变，新暴露面附近煤内产生能量积累。不稳定的蠕变，新暴露面附近煤内产生能量积累。新暴露煤壁支承能力较大，能承受爆破时已升高的载荷和新暴露煤壁支承能力较大，能承受爆破时已升高的载荷和瓦斯压力作用，并继续积蓄弹性能。瓦斯压力作用，并继续积蓄弹性能。当震动放炮不规范时，煤壁的稳定性降低，使地应力大大当震动放炮不规范时，煤壁的稳定性降低，使地应力大大升高，直至处于过载应力状态。升高，直至处于过载应力状态。煤体突然破碎，瓦斯压力的推力也因煤体破碎裂隙增加而煤体突然破碎，瓦斯压力的推力也因煤体破碎裂隙增加而成倍增加，导致突出的发生。成倍增加，导致突出的发生。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治二、平巷突出（煤巷掘进面）二、平巷突出（煤巷掘进面）与石门突出相比，突出平均强度低。与石门突出相比，突出平均强度低。原因：原因：地应力方面地应力方面：缺少像石门那样硬岩约束条件，即无能缺少像石门那样硬岩约束条件，即无能量积累的过程条件。限制了合成量积累的过程条件。限制了合成和和 增大。增大。瓦斯方面瓦斯方面：工作面前方煤体的：工作面前方煤体的CH4和平和平 远低于石门远低于石门工作面前方煤体。因为瓦斯排放时间长。工作面前方煤体。因为瓦斯排放时间长。三、上山突出三、上山突出 倾出所占比例增多。倾出所占比例增多。煤的自重在动力现象中起作用。煤的自重在动力现象中起作用。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治四、下山突出四、下山突出 主要是主要是突出突出和和压出压出。煤的自重在动力现象中起阻力作用。煤的自重在动力现象中起阻力作用。五、采煤工作面突出五、采煤工作面突出 煤层倾角越小，突出危险性越大。煤层倾角越小，突出危险性越大。采煤工作面突出表现出明呈的区域性，在地质构采煤工作面突出表现出明呈的区域性，在地质构造上有造上有如下几种类型如下几种类型：向斜轴部附近；向斜轴部附近；地质构造交汇处；地质构造交汇处；主向斜轴部的局部隆起区域；主向斜轴部的局部隆起区域；小断层群及顶底板凹陷或凸起群区域；小断层群及顶底板凹陷或凸起群区域；煤厚及倾角突然变化区。煤厚及倾角突然变化区。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.6 煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出机理一、突出原因假说一、突出原因假说 怎样发生？原因何在？过程如何？怎样发生？原因何在？过程如何？1、瓦斯作用说、瓦斯作用说 认为煤内存在认为煤内存在高压瓦斯高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。是突出中起主要作用的因素。“瓦斯包瓦斯包”：“多聚甲烷多聚甲烷”：CH4在煤中形成不稳定的多聚甲烷（在煤中形成不稳定的多聚甲烷（CH4）n）或结晶水合物（）或结晶水合物（），当煤层揭开后，），当煤层揭开后，T升高或升高或P降低降低 促使它们急剧分解，从而放出大量瓦斯并促使它们急剧分解，从而放出大量瓦斯并夹带大量煤炭而喷出。夹带大量煤炭而喷出。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2、地应力作用说、地应力作用说 突出主要是突出主要是高地应力高地应力作用结果。作用结果。3、综合作用说、综合作用说 突出主要是突出主要是地应力、瓦斯、煤的力学性质地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素等因素综合作用结果综合作用结果。1）能量说）能量说 前苏联前苏联B.B.霍多特提出，突出是霍多特提出，突出是煤的变形能煤的变形能（w）和和瓦斯内能瓦斯内能突然释放引起工作面煤体的高速破碎。突然释放引起工作面煤体的高速破碎。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治激发突出的第一条件激发突出的第一条件 对于回采对于回采 对于掘进对于掘进 对于石门揭煤对于石门揭煤式中式中 W-煤的变形能；煤的变形能；-顶板岩石动能；顶板岩石动能；Q-煤内游离瓦斯所含的内能；煤内游离瓦斯所含的内能；F-煤向巷道移动功；煤向巷道移动功；U-煤的破碎功。煤的破碎功。激发突出的第二条件激发突出的第二条件 式中式中 Vp-煤的破碎速度煤的破碎速度；Vx-煤裂隙中瓦斯压力下降速度。煤裂隙中瓦斯压力下降速度。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治激发突出的第三条件激发突出的第三条件式中式中 P-瓦斯压力；瓦斯压力；s-煤破碎区段的横断面积；煤破碎区段的横断面积；f-煤沿某一表面移动时，该面的摩擦系数；煤沿某一表面移动时，该面的摩擦系数；-煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成倾角；煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成倾角；g-重力加速度；重力加速度；m-煤的质量；煤的质量；a-为了将煤抛出必须给煤的加速度；为了将煤抛出必须给煤的加速度；+，-煤移动方向，向上抛出取煤移动方向，向上抛出取“+”，反之取，反之取“-”。在瓦斯矿井，激发突出的第二与三条件实际上总是可在瓦斯矿井，激发突出的第二与三条件实际上总是可以满足，因此，第一条件便成为发生突出的主要而必需条件。以满足，因此，第一条件便成为发生突出的主要而必需条件。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2）地应力分布不均说）地应力分布不均说 前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。突出机理（原因）突出机理（原因）：突出煤层的围岩具有增高的和不均匀的应力分布；突出煤层的围岩具有增高的和不均匀的应力分布；产生围岩的不均匀位移；产生围岩的不均匀位移；顶底板接近的顶底板接近的“停滞停滞”和和“塞子塞子”的形成，产生一种的形成，产生一种脆弱的平衡；脆弱的平衡；靠近工作面的破碎带的尺寸降低，同时在近工作面范靠近工作面的破碎带的尺寸降低，同时在近工作面范围内部保持着较高的瓦斯压力。围内部保持着较高的瓦斯压力。采掘工作破坏围岩脆弱平衡时，造成急剧的位移和搓采掘工作破坏围岩脆弱平衡时，造成急剧的位移和搓揉，产生冲击和煤的破碎，发生突出。揉，产生冲击和煤的破碎，发生突出。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治发生突出的条件：发生突出的条件：a、突出煤层具有不同的地质构造与煤的结构；、突出煤层具有不同的地质构造与煤的结构；b、突出煤与非突出煤层的特性不同；、突出煤与非突出煤层的特性不同；c、突出区：瓦斯压力大，煤层透气性低，煤质松软，、突出区：瓦斯压力大，煤层透气性低，煤质松软，地质构造复杂。地质构造复杂。d、突出煤层，地应力处于紧张状态；、突出煤层，地应力处于紧张状态；e、突出主要发生在地质构造带内；、突出主要发生在地质构造带内；f、围岩地应力不均是突出危险性的一种标志。、围岩地应力不均是突出危险性的一种标志。因此，围岩的应力状态变化和能量的释放是造成因此，围岩的应力状态变化和能量的释放是造成突出的首要原因，瓦斯是突出的基本能源之一，瓦斯突出的首要原因，瓦斯是突出的基本能源之一，瓦斯压力决定了突出的强度。压力决定了突出的强度。二、力能计算二、力能计算 1、地应力、地应力 煤体内存在着煤体内存在着地应力地应力（自重应力、地质构造力和采动（自重应力、地质构造力和采动集中应力）、集中应力）、瓦斯压力瓦斯压力和煤的和煤的自重重力自重重力。自重应力：铅垂方向自重应力：铅垂方向 水平方向水平方向 地质构造应力：地质构造应力：水平方向水平方向 采动集中应力：采动集中应力：铅垂方向铅垂方向 煤的自重力：煤的自重力：铅垂方向铅垂方向 一般地，一般地，通常地应力在数值上为瓦斯压力的几倍到几十倍，突通常地应力在数值上为瓦斯压力的几倍到几十倍，突出过程中破碎煤体的主导力是地应力，特别是存在地质构出过程中破碎煤体的主导力是地应力，特别是存在地质构造应力时，尤其如此。造应力时，尤其如此。2、煤体弹性潜能、煤体弹性潜能 单向应力状态：单向应力状态：三向应力状态：三向应力状态：式中式中 wt-煤的弹性变形潜能，煤的弹性变形潜能，Mj/m3；-煤的平均应力煤的平均应力,Mpa；1、2、3-分别为三个方向的主应力，分别为三个方向的主应力，Mpa；、E-分别为煤的泊松比和弹性模量。分别为煤的泊松比和弹性模量。3、瓦斯内能、瓦斯内能 作用作用：破碎煤体；搬运突出物；使突出不断向煤体深：破碎煤体；搬运突出物；使突出不断向煤体深部扩展部扩展。热力学变化过程热力学变化过程：突出瞬间突出瞬间，膨胀瓦斯属于膨胀瓦斯属于等温过程等温过程；破碎煤脱离煤体；破碎煤脱离煤体后，属于后，属于多变过程多变过程；最后接近最后接近绝热过程绝热过程。根据热力学，可推得一吨煤瓦斯膨胀内能计算式为：根据热力学，可推得一吨煤瓦斯膨胀内能计算式为：式中式中 v1-吨煤瓦斯涌出量；吨煤瓦斯涌出量；P0、P1-突出前后，煤层瓦斯压力；突出前后，煤层瓦斯压力；n-过程指数。过程指数。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治三、突出过程及特点三、突出过程及特点1、突出发生过程、突出发生过程（1）准备阶段）准备阶段-能量积蓄能量积蓄 由于地质、采矿原因，煤体内的能量积聚逐渐发展到由于地质、采矿原因，煤体内的能量积聚逐渐发展到临界破坏，或过载的脆弱平衡状态。临界破坏，或过载的脆弱平衡状态。特点特点：工作面煤壁内形成高：工作面煤壁内形成高 和和 ，呈现出多种有声，呈现出多种有声或无声的预兆。时间有长，有短。或无声的预兆。时间有长，有短。（2）激发阶段）激发阶段 特点特点：地应力状态突然改变。：地应力状态突然改变。表现为表现为：极限应力状态的部分煤体突然破坏；发生巨响：极限应力状态的部分煤体突然破坏；发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，大大增加；膨胀瓦斯流形成，大量瓦斯解吸。破裂，大大增加；膨胀瓦斯流形成，大量瓦斯解吸。引发原因引发原因：落煤、打钻、修整工作面等。：落煤、打钻、修整工作面等。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治（3）发展阶段）发展阶段特点特点：a）突出从激发点起向内部连续）突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤。剥离并破碎煤。（由地应力和瓦斯压力共同作用由地应力和瓦斯压力共同作用）b）破碎的煤在不断膨胀的承压）破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送，边粉碎，瓦斯风暴中边运送，边粉碎，此过程主要是瓦斯内能作功的此过程主要是瓦斯内能作功的过程。过程。c）煤的剥离与破碎具有脉冲特）煤的剥离与破碎具有脉冲特性，存在多轮回过程。性，存在多轮回过程。（4）终止阶段）终止阶段 两种情况突出可能终止两种情况突出可能终止：a）在剥离与破碎煤体的扩展中遇到较硬的煤体；或地）在剥离与破碎煤体的扩展中遇到较硬的煤体；或地应力和瓦斯压力降低不足以破坏煤体。应力和瓦斯压力降低不足以破坏煤体。b）突出孔道被堵塞，突出物支撑建立起新的拱平衡；）突出孔道被堵塞，突出物支撑建立起新的拱平衡；孔洞内瓦斯压力因堵塞而升高，孔洞内瓦斯压力因堵塞而升高，和和 下降下降，不足，不足以破坏煤体。以破坏煤体。2、地应力和瓦斯压力在突出过程中的作用、地应力和瓦斯压力在突出过程中的作用地应力的作用地应力的作用：a）激发突出；）激发突出；b）发展阶段与瓦斯压力共同作用，对煤体进行剥离、）发展阶段与瓦斯压力共同作用，对煤体进行剥离、破碎；破碎；c）影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙。）影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙。瓦斯压力的作用瓦斯压力的作用：a）当瓦斯压力梯度很大时，能独立激发突出；）当瓦斯压力梯度很大时，能独立激发突出；b）发展与实现突出的主要因素）发展与实现突出的主要因素；c）膨胀瓦斯破碎，搬运煤岩，孔壁附近保持较高的地应力）膨胀瓦斯破碎，搬运煤岩，孔壁附近保持较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度为连续剥离煤体创造必要条件。梯度和瓦斯压力梯度为连续剥离煤体创造必要条件。4.7 突出发生的一般规律突出发生的一般规律1、突出发生在一定深度以后。、突出发生在一定深度以后。始突深度始突深度：矿井开始发生突出的最浅深度。：矿井开始发生突出的最浅深度。不同矿区差别很大，不同矿区差别很大，最小，最小，50m，（郴州罗卜安矿），（郴州罗卜安矿）最大，最大，640m，（抚顺老虎台矿），（抚顺老虎台矿）一般地，矿井始突深度均大于瓦斯风化带深度；一般地，矿井始突深度均大于瓦斯风化带深度；随着开采深度增加，煤层突出危险性增高。随着开采深度增加，煤层突出危险性增高。2、突出的次数和强度随着煤层厚度，特别是软分层厚度、突出的次数和强度随着煤层厚度，特别是软分层厚度的增加而增加。的增加而增加。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治3、突出需具有一定的瓦斯含量和瓦斯压力、突出需具有一定的瓦斯含量和瓦斯压力 同一煤层，其瓦斯压力越高，突出危险性越大。同一煤层，其瓦斯压力越高，突出危险性越大。安全规程：取安全规程：取 0.74 MPa。可按下式估算：可按下式估算：式中：式中：f-软分层厚度；软分层厚度；V-软分层挥发份含量；软分层挥发份含量；A、B-系数。系数。所以，所以，f 愈小，煤变质程度愈高（愈小，煤变质程度愈高（V愈小），愈小），Pmin越小越小。4、突出煤层的强度低，而且变化大。、突出煤层的强度低，而且变化大。5、突出危险区呈带状分布。、突出危险区呈带状分布。地质构造呈带状；地质构造呈带状；采动形成集中应力带采动形成集中应力带 第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治6、上山掘进比下山掘容易突出，突出次数随着煤层倾角、上山掘进比下山掘容易突出，突出次数随着煤层倾角增大而增多。增大而增多。7、采掘工作往往可以激发突出。、采掘工作往往可以激发突出。8、突出大多有预兆。、突出大多有预兆。地压呈现地压呈现：煤炮声、支架声响、掉碴、巷道底鼓、煤：煤炮声、支架声响、掉碴、巷道底鼓、煤壁外鼓、等壁外鼓、等。瓦斯涌出瓦斯涌出：瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小，使煤：瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小，使煤尘增大，工作面气温下降，气味异常。尘增大，工作面气温下降，气味异常。煤的力学性能与结构煤的力学性能与结构：层理紊乱、煤强度松软、煤质：层理紊乱、煤强度松软、煤质暗淡无光，煤厚变化，煤干燥等。暗淡无光，煤厚变化，煤干燥等。9、突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增高。、突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增高。10、石门突出危险性最高。、石门突出危险性最高。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.8 区域性防突措施区域性防突措施防突措施分类：防突措施分类：v按作用范围划分按作用范围划分：区域性防突措施、局部性防突措施区域性防突措施、局部性防突措施。v按作用效果划分按作用效果划分：防止突出发生的措施、突出时保证人：防止突出发生的措施、突出时保证人员生命安全的措施。员生命安全的措施。v按作用的技术性划分按作用的技术性划分：技术措施、组织管理措施。：技术措施、组织管理措施。区区域域性性防防突突措措施施：实实施施以以后后可可使使较较大大范范围围煤煤层层消消除除突突出出危险性的措施，称为危险性的措施，称为区域性防突措施区域性防突措施；局局部部防防突突措措施施：实实施施以以后后可可使使局局部部区区域域(如如掘掘进进工工作作面面)消除突出危险性的措施称为消除突出危险性的措施称为局部防突措施局部防突措施。本节主要内容：开采保护层、预抽煤层瓦斯、煤层注水本节主要内容：开采保护层、预抽煤层瓦斯、煤层注水。一、开采保护层一、开采保护层 保保护护层层：在在突突出出矿矿井井中中，预预先先开开采采的的、能能使使其其它它相相邻邻有有突突出出危危险险的的煤煤层层受受到到采采动动影影响响而而减减少少或或丧丧失失突突出出危危险险的的煤层称为煤层称为保护层保护层。被被保保护护层层：后后开开采采的的煤煤层层称称为为被被保保护护层层。保保护护层层位位于于被被保护层上方的叫保护层上方的叫上保护层上保护层，位于下方的叫，位于下方的叫下保护层下保护层。保护层保护层被保护层被保护层被保护层被保护层 保护层开采是预防突出保护层开采是预防突出最有最有效、最经济效、最经济的区域性预防突的区域性预防突出的技术措施，几乎所有发出的技术措施，几乎所有发生突出的国家都采用该措施，生突出的国家都采用该措施，我国我国1958年年成功使用此技术，成功使用此技术，目前开采保护层的矿井占突目前开采保护层的矿井占突出矿井总数的出矿井总数的26%。1、保护作用分析、保护作用分析 为什么保护层开采后，能有为什么保护层开采后，能有效消除煤层突出危险性？效消除煤层突出危险性？覆岩破坏移动分带示意图覆岩破坏移动分带示意图 I冒落带 II断裂带 III弯曲带a竖向裂隙 b离层裂隙保护作用过程保护作用过程：（a）保护层开采后，岩体中形成自由空间，破坏了原保护层开采后，岩体中形成自由空间，破坏了原岩应力平衡，地应力重新分布，上覆岩体向采空区方岩应力平衡，地应力重新分布，上覆岩体向采空区方向移动，发生顶板冒落下沉，底板鼓起，同时产生大向移动，发生顶板冒落下沉，底板鼓起，同时产生大小不等的裂隙。小不等的裂隙。（b）被保护层：被保护层：产生产生“卸压增流效应卸压增流效应”。（c)被保护层瓦斯排放后，煤层瓦斯压力降低，瓦斯潜被保护层瓦斯排放后，煤层瓦斯压力降低，瓦斯潜能降低。能降低。开采保护层的作用开采保护层的作用 (1)地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。(2)煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的采空区内，采空区内，瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。(3)煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。据测定，开据测定，开采保护层后，被保护层的煤硬度系数由采保护层后，被保护层的煤硬度系数由0.30.5增加到增加到1.01.5。所以，保护层开采后，不但消除或减少了引起突出的所以，保护层开采后，不但消除或减少了引起突出的两个重要因素：两个重要因素：地压和瓦斯地压和瓦斯，而且增加了抵御突出的，而且增加了抵御突出的能力因素煤的能力因素煤的机械强度机械强度。这就使得在卸压区范围内。这就使得在卸压区范围内开采被保护层时，不再会发生煤与瓦斯突出开采被保护层时，不再会发生煤与瓦斯突出。2、保护范围划分、保护范围划分 保护范围保护范围：指保护层开采后，在空间上使危险层丧失：指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。突出危险的有效范围。一般通过现场实测。一般通过现场实测。（1）保护层与被保护层之间的有效层间距）保护层与被保护层之间的有效层间距 下保护层影响范围大于上保护层，且与保护层的厚下保护层影响范围大于上保护层，且与保护层的厚度、层间岩性、煤层倾角等因素有关。度、层间岩性、煤层倾角等因素有关。（2）沿倾斜的保护范围沿倾斜的保护范围 确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界。上、下边界。为为岩石卸压角岩石卸压角，查表得出。，查表得出。保护层保护层被保护层被保护层被保护层被保护层1324保护线（3）沿走向的保护范围沿走向的保护范围-超前距超前距 超前距一般不得小于两个煤层之间垂直距离的两倍，超前距一般不得小于两个煤层之间垂直距离的两倍，至少不小于至少不小于30m。目的：目的：使被保护层能充分卸压和排放瓦斯。使被保护层能充分卸压和排放瓦斯。保护层被保护层被保护层h1L2h1L30mL2h2L30mh2（4）煤柱的影响）煤柱的影响 保护层开采后，在采空区上、下形成卸压区，而保护层开采后，在采空区上、下形成卸压区，而煤柱上方则产生集中应力区，在集中应力区内，增加煤柱上方则产生集中应力区，在集中应力区内，增加了突出危险性。了突出危险性。影响范围根据考察结果确定，否则，按以下角度影响范围根据考察结果确定，否则，按以下角度确定。确定。60456045煤柱煤柱影响区影响区影响区影响区3、抽放卸压瓦斯扩大保护范围、抽放卸压瓦斯扩大保护范围 随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力、瓦斯含随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力、瓦斯含量增高，为了提高保护层的保护效果、可靠程度和保证量增高，为了提高保护层的保护效果、可靠程度和保证被保护层顺利开采，被保护层顺利开采，抽放卸压瓦斯抽放卸压瓦斯是可以对被保护层卸是可以对被保护层卸压作用起到压作用起到补充补充和和深化深化作用。作用。作用作用：（：（1）降低被保护层残余瓦斯压力；）降低被保护层残余瓦斯压力；（2）扩大保护层间距。）扩大保护层间距。因为，随着层间距增大，因为，随着层间距增大，突出煤层卸压程度减弱，瓦斯自然排放条件差突出煤层卸压程度减弱，瓦斯自然排放条件差。根据前苏联经验，开采保护层，如结合抽放被保护根据前苏联经验，开采保护层，如结合抽放被保护层瓦斯，可使有效层间距增大层瓦斯，可使有效层间距增大1.4 1.6倍倍。4、选择保护层的原则、选择保护层的原则 （1）首先选择无突出危险的煤层作为保护层；）首先选择无突出危险的煤层作为保护层；（2）当所有煤层均有突出危险时，选择突出危险性小）当所有煤层均有突出危险时，选