防治煤与瓦斯突出讲义.pptx

2、我国煤与瓦斯突出情况我国是世界上发生煤与瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一，新中国成立后，随着我国煤炭工业的飞速发展，其采掘深度不断加深，由于地压与瓦斯压力不断加大，煤与瓦斯突出的次数、强度也不断增加，现已成为我国煤矿重要自然灾害之一。根据1995年的调查统计。建国以来，我国先后45个矿务局、138个国有重点煤矿178个井口，共发生煤与瓦斯突出10815次，死亡1266人，共突出煤量815800t，平均突出强度为27.5t/次。随着人们对煤与瓦斯突出动力显现的认识不断深入，为了防止它的发生，采用了煤层预先抽放瓦斯、突出危险性预测预报及各种直径的超前排放钻孔等防治煤与瓦斯突出的措施，有效的控制了煤与瓦斯突出对煤矿安全生产的危害众所周知，随着采掘深度的不断增加，地应力与瓦斯压力也日趋增加，尤其是过去一些没有发生过突出的煤层与矿井，也会出现突出动力现象，此种现象在四川、贵州等严重突出的矿区已日趋普遍，就连低沼气矿井也会转变成突出矿井。第1页/共129页全国国有重点煤矿历年瓦斯突出次数统计表第2页/共129页中国历年瓦斯突出类型组合图第3页/共129页1950年5月2日吉林省辽源矿务局富国二矿发生了我国首次有记载的煤与瓦斯突出。1975年8月8日天府矿务局三汇一矿发生了我国最大的一次煤与瓦斯突出，突出强度12780t，瓦斯140万m3。突出地点距地表垂深约500m。第4页/共129页二、瓦斯动力现象分类及鉴别二、瓦斯动力现象分类及鉴别根据实际情况，我国的研究者认为瓦斯动力现象可以分成以下4种类型：煤的突然倾出、煤的突然压出、煤与瓦斯突出、岩石和瓦斯突出。分类的基本原则是：(1)动力现象造成的空洞位置及形状(包括孔洞中心线和水平面所成之夹角);(2)喷出煤(或岩石)的粒度及其分选情况;(3)煤(或岩石)的抛出距离及堆积坡度;(4)强度(喷出的煤量及岩石量)；(5)喷出的瓦斯量及瓦斯流运行方向；(6)动力效应；(7)现象发生前的预兆。第5页/共129页1、煤的突然倾出煤的突然倾出是煤矿中常见的瓦斯动力现象。煤的突然倾出主要是重力引起的，而瓦斯在一定程度上也参与了倾出过程，这是由于瓦斯的存在进一步降低了煤的机械强度，瓦斯压力还促进了重力作用的显现，由于这种关系，煤的倾出能引起或转化为煤与瓦斯突出。在急倾斜煤层中，煤和瓦斯突出又多以煤倾出开始,最终转化为煤与瓦斯突出。2、煤的突然压出 煤的突然压出是由应力或开采层集中压力引起的，瓦斯只起次要作用。伴随着突然压出,使回风流中沼气浓度增高,但一般不会引起巷道瓦斯超限(或超限时间很短)。按表现形式不同，煤的突然压出又可分为煤的突然移动和煤的突然挤出两类。第6页/共129页3、煤与瓦斯突出 煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同参与下发生的，而应力是发动突出的的主要动力,其特征如下：(1)突出空洞的位置和形状是各式各样的，大部分空洞位于巷道上方及上隅角，但也有位于巷道下隅角。突出空洞的形状为口小腹大的倒梨形或椭圆形，有时呈很复杂的奇异的外形。空洞中心线与水平面之夹角可以小于自然安息角，也可大于自然安息角，但很少为水平平方向的。(2)煤与瓦斯突出的另一个重要特征是喷出的煤具有分选现象，即靠近突出空洞和巷道下部为块煤，其次为碎煤，离突出空洞较远处和煤堆上部是粉煤，有时粉煤能被抛出很远。(3)煤的抛出距离取决于突出强度，可以从数米到数百米，突出的煤可以堆满巷道全断面，造成巷道堵塞。煤的堆积坡度通常小于自然安息角。第7页/共129页(4)煤和瓦斯突出的煤量，可由数吨到数千吨，按强度可把煤与瓦斯突出分成如下5类：小型煤与瓦斯突出，强度小于10t，中型煤与瓦斯突出，强度1099t;次大型煤与瓦斯突出，强度100499t;大型煤与瓦斯突出，强度500999t;特大型煤与瓦斯突出，强度等于或大于1000t。(5)煤和瓦斯突出时喷出的瓦斯量，取决于煤的瓦斯含量和突出的煤量。特大型煤与瓦斯突出时，短时间能涌出数十万至数百万立方米的瓦斯，吨煤瓦斯涌出量高达100800 m3，超过煤层瓦斯含量530倍。瓦斯一般顺风流运行，而在特大型煤与瓦斯突出时，瓦斯与粉煤流以暴风形式，可逆风流运行并充满数千米长的巷道。(6)煤和瓦斯突出的动力效应明显，常表现为推翻矿车，搬动巨石，破坏木支架，造成冲击气浪以及声响等。第8页/共129页石门揭开煤层时发生的煤和瓦斯突出，可以在放炮揭煤时、过煤门放门坎炮时发生，当岩柱强度不足或岩柱尺寸不够时,也会发生自行揭开若不能一次全断面揭开或揭穿煤层时,还会发生延迟突出,其特点是强度强、危害性大。沿煤层掘进上山时，由于煤的重力作用，对发生煤和瓦斯突出是有利的。相对来说，下山的突次数较少。沿煤层打钻时也会发生煤与瓦斯突出.钻头以极高的速度揭开高应力、高瓦斯压力带时，即给煤和瓦斯突出刨造了有利条件。因钻孔直径很小，钻孔中一旦发生突出，随即发生煤的自行膨胀，并使孔内瓦斯压力升高，引起突出过程停滞，所以突出强度一般不大。我国煤矿大量采用长壁工作面,在回采之前早就掘好了准备巷道,使准备回采的煤体得到定程度的卸压和排放，因此回采工作面的煤与瓦斯。第9页/共129页4、岩石与瓦斯突出随着开采深度增加，在我国的些矿井相继发生了岩石与瓦斯突出(至1986年底为止：全国共发生58次)。在我国，突出的岩石主要是砂岩，也有含砾砂岩及安山岩，参与突出的瓦斯是二氧化碳和沼气。就全国情况看(截止到1981年底)，瓦斯突出次数占突出总次数的1/2左右，而煤的倾出和压出次数各占14左右，岩石与瓦斯突出仅占04。5、突出预兆突出的的预兆可分为有声预兆和无声预兆。有声预兆：俗称响煤炮，通常在煤体深处打闷雷声(放炮声)，噼啪声(枪声),劈裂声，嘈杂声，沙沙声等。无声预兆：煤变软，光泽变暗，掉渣和小块煤剥落，煤面轻微颤动，支架压力增加，瓦斯涌出量增高或者忽大忽小，煤面温度或气温降低等。第10页/共129页三、突出机理的研究与进展三、突出机理的研究与进展1 1、概述、概述煤与瓦斯突出机理是解释煤与瓦斯突出的发生原因、条件及发展过程，世界大多数的国家安全采用了对煤与瓦斯突出实例的统计分析、实验室研究和现场观测等方法，对煤与瓦斯突出机理开展了广泛的研究，提出了很多假说。大体上分为以下几类：(1)瓦斯主导说(2)地质主导说(3)化学本质说上述这些假说还是以推测居多，缺乏实践或实验室的研究依据。第11页/共129页(4)综合假说这是国内外多数研究人员所持有的观点，即煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯与煤的物理力学性质三者综合作用的结果。在防治煤与瓦斯突出工作的实践中，多数人认为综合假说能比较客观地解释一些煤与瓦斯突出现象，利用这种假说，指导防治煤与瓦斯突出工作，其效果也是令人满意的。2、综合假说的研究与实践煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯与煤的物理力学性质综合作用的结果。是一种能量突然释放的现象，从能量平衡角度出发，能量有释放就有能量集中，反之，有能量集中就回导致能量的释放。控制好其能量的释放速度，让其缓慢释放，就不会造成突然释放时所造成的强大的破坏作用。研究其能量集中的条件和方式，就可以防止或减少突出及其对生产的危害。第12页/共129页(1)、应力因素应力在煤与瓦斯突出发生的初期阶段，扮演着极其重要的角色。工作面的应力分为三种，即垂直应力、水平应力和采掘附加应力。垂直应力是岩石自重造成的，在一个比较小的范围内，可以看为定值。水平应力通常是指构造应力，在一个比较小的范围内，水平应力也可以认为是个常数。采掘附加应力是指人们进行采掘工作时，破坏了采掘工作地点的原始应力状态，在工作面附近形成了卸压区、增压区（应力集中区）和正常压力区。这三个区域的大小和其距采掘工作面的距离与工作面附近的岩性有关，在发生煤与瓦斯突出时的应力是一个变数：第13页/共129页工作面采掘应力正常分布示意图工作面采掘应力正常分布示意图第14页/共129页卸压区 靠近采掘工作面的煤（岩）体，由于破坏了其原始受力状态，煤的力学性质发生变化，强度降低，在靠近工作面方向的煤体，由于解除了压力，煤（岩）体向采掘空间发生位移（弹性恢复所形成后的膨胀变形），而造成靠近采掘工作面的煤（岩）体中的应力降低（该点应力值的小于垂直应力值）。其卸压范围的大小取决于煤(岩)体的力学性质,强度低,卸压范围大,反之,则小,通常为02m。集中应力区 集中应力是由于采掘工作，在工作面附近破坏了其原始应力分布，采掘后,由于应力重新分布,必然会导致出现集中应力峰值区（增压区）。其集中程度同样也取决于煤（岩）体的力学性质和采掘工作面类型,回采工作面大于掘进工作面，煤（岩）力学性质好的大于差的。集中应力峰值点一般距采掘工作面46m,宽度为48m,其变化范围同样也取决于煤(岩)体的力学性质与采掘工作面的类型。正常压力区 没有受到采掘工作面影响的地区称为正常压力区,通常距采掘工作面410 m以外的地区,它受制于卸压区与集中应力区范围的大小。上述三个区域的分布通常都采用钻屑量法确定。用测定应力的绝对值方法直接划分出上述三个区带是十分困难的。通常都采用测量打孔时排出的钻屑量的多少来加以划分,即每打一米钻孔,测量其排出的钻粉量（简称钻屑量)。第15页/共129页引发煤与瓦斯突出,应力因素分析 采掘工作面的应力集中现象,仅是发生煤与瓦斯突出的一个必要的先决条件。在煤与瓦斯突出的初始阶段，它必须满足以下两个基条件:a.集中应力峰值点必须该靠近采掘工作面;b.必须具有形成突然卸压的诱发条件。a条件能否出现,取决于煤(岩)的力学性质,当采掘工作面进入坚硬的煤(岩)体中，由于煤(岩)体强度高,其膨胀变形量小,垂直应力不易解除,卸压带小,就会造成集中压力峰靠近采掘工作面。b条件能否具备取决于地质构造所形成的煤(岩)体力学性质的突变以及采掘速度与方式,地质条件是不可改变的,而采掘方式与速度是可以改变的。突然卸压是煤与瓦斯突出必要的诱发条件,只有采掘工作面快速地由坚硬煤(岩)体进入软煤(岩)体中或由薄煤层进入厚煤层中,破坏了原有的应力平衡状态,造成了应力重新分布,形成了新的卸压区、应力集中区和正常压力区,达到了新的平衡。在快速地形成新的卸压区过程中,由于卸压速度过快,煤层受到快速的膨胀变形,煤层受到强烈拉伸而破碎并向采掘空间抛出。采掘工作面遇到的煤层强度变化越悬殊,煤与瓦斯突出的可能性越大,突出强度也越高。上述现象的发生发展过程可用以下四个示意图表示：第16页/共129页突出前工作面应力分布示意图突出前工作面应力分布示意图第17页/共129页工作面前方应力突变时应力分布图工作面前方应力突变时应力分布图第18页/共129页突出初期工作面煤体应力变化设想图突出初期工作面煤体应力变化设想图第19页/共129页突出发生发展过程中应力变化设想图突出发生发展过程中应力变化设想图第20页/共129页(2)、瓦斯因素 瓦斯也是发生煤与瓦斯突出过程中又一个不可缺少的要素，它的作用是利用压力梯度破碎煤体和瓦斯由煤中快速的解吸所形成的瓦斯气流,将被破碎的煤搬运出突出工作面,其搬运距离取决于所形成的瓦斯流的强弱。当瓦斯压力梯度足够大时,就可以破碎煤样,并可从卸载孔喷出。这也表明纯瓦斯因素也可以发生煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出在应力与瓦斯共通作用下,其突出强度通常将随瓦斯含量的增加而加大,但它还要受煤的解吸速度制约,即不但煤的瓦斯含量要大,煤的瓦斯解吸速度也要高,这就为我国发展煤与瓦斯突出预测预报工作技术提供了理论根据。同样,要使瓦斯因素在煤与瓦斯突出中起起作用,必须要有形成高的压力梯度,而导致高压力梯度的条件就事快速地暴露出新鲜的煤层暴露面,这与形成应力突然卸载的条件相一致。第21页/共129页(3)、煤的物理力学性质因素 煤的物理性质是指煤层对瓦斯的吸附能力与解吸速度,而力学性质是指煤层的强度。当煤的力学性质较弱时,煤层受力容易破坏,而突出就事煤层遭受破坏的一种现象。有关资与实践都表明,当煤层含有瓦斯时,强度都有降低的趋势,除此之外,高瓦斯含量的煤层除能利用瓦斯压力梯度破碎煤层外,还能快速地解吸出来的瓦斯,能形成强大的瓦斯气流,为搬运备破碎的煤提供了丰富的动力。因而煤层的这种物理力学性质也是发生突出时必不可少的条件之一。综合上述,煤与瓦斯突出的内在因素是应力、瓦斯和煤的物理力学性质。而外在因素是形成集中应力和造成突然卸载的条件,为了防治没与瓦斯突出,必需改善其内在因素和消除其形成集中应力和突然卸载的条件。第22页/共129页四、四、防治煤防治煤与瓦与瓦斯斯突出综合突出综合措施措施1 1、防突技术的发展历程、防突技术的发展历程通过长期的时间与研究表明，煤与瓦斯突出再很大程度上是可以防治的。防突措施的发展可分为三个阶段：第一阶段：以安全防护措施为主的阶段（第一阶段：以安全防护措施为主的阶段（2020世纪世纪5050年代以前）；年代以前）；第二阶段：以消除突出因素为主要目的的防止突出阶第二阶段：以消除突出因素为主要目的的防止突出阶段（段（2020世纪世纪50507070年代）；年代）；第三阶段第三阶段:采取综合防突措施阶段（采取综合防突措施阶段（2020世纪七十年代世纪七十年代至今）。至今）。防突技术的发展趋势是：研究采用高科技手段，预测煤层突出危险性和提高防突措施的针对性和有效性。第23页/共129页2、“四位一体四位一体”综综合合防突防突措施措施我国目前广泛采用的“四位一体”综合防突措施，主要包括：突出危险性预测、防治突出措施、防突措施的效果检验和安全防护措施四个方面的内容。其主要流程如下图。另外，煤科总院重庆分院曾提出“五步配套”综合防突措施，即在“四位一体”防突措施基础上增加合理的采掘部署一环，在矿井或采区设计阶段从采掘部署上就充分考虑防突问题，可以变被动为主动，减轻生产中的防突压力。第24页/共129页第25页/共129页第二讲第二讲 煤与瓦斯煤与瓦斯突出预测技术突出预测技术第26页/共129页一、概述一、概述在生产实践中煤与瓦斯突出具有区域性,即便是在同一采区也不是所有的地点都发生煤与 瓦斯突出。根据国内外的统计资料表明,突出地点仅占采掘面积的7-15%,如果我们不加区别的把所有的地点都按突出区域对待,那么,突出矿井不仅在人力与物力上都承担不起,而且将严重的制约矿井生产能力的发挥。为了解决突出矿井的困扰,人们提出了要预先知道煤层的突出危险性、突出危险区域、工作面的突出危险性,甚至要求知其突出强度和可能所造成的危害，这些要求都很高,可是要全部实现上述目标,显然难度很大。第27页/共129页突出预测根据预测区域范围的大小可分为区域预测和工作面预测。区域预测采用单项指标，类比和综合指标法，或者采用瓦斯地质法对采取井田进行突出危险区划分，并根据我国“防治突出细则”采取对应的工作方法。判断的主要指标为煤层瓦斯压力，地质构造，煤层的物理力学性质。例如：煤层的瓦斯压力，煤层的坚固性系数（f)和煤的瓦斯放散初速度（P)等。工作面预测的范围较小，目前预测的范围一般为工作面前方10m内的距离。所采用的参数为应力参数（钻屑量）瓦斯解吸量（h2）瓦斯解吸特征（K1）与钻孔瓦斯涌出初速度（q)。因上述方法都要打钻取样所以称为接触式突出预测。当采用微小地震（包括声发射），放炮后30min内的瓦斯涌出量，红外测量煤层变化，工作面煤层电磁辐射强度等都是连续不断的对工作面检测，因此称为非接触式突出预测。该类方法虽好，但仍处于研制摸索阶段。第28页/共129页二、区域突出危险性预测二、区域突出危险性预测区域预测是对新矿井、新采区或新水平进行突出危险性的划分,区域预测可将煤层或煤层区域划分为无突出危险区、突出危险区和突出威胁区三种。因被预测的地点煤层还未被揭露,只能通过钻孔、煤样进行测定煤层中的瓦斯压力和化验煤样的物理力学性质,或用上水平、邻近矿井的瓦斯、地质资料进行类比,得出结论。目前采用的方法有:单项指标法、地质统计法和综合指标法。近几年来又开展研究用物探的方法对突出煤层进行区域测,但还未能在生产中推广使用。现场常用的区域预测法有以下几种。第29页/共129页(1)、单项指标法采取煤样在实验室中测定其煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标(P)、煤的坚固性系数(f)并附以煤层瓦斯压力,进行区域预测。当其所有指标达到或超过防止煤与瓦斯突出细则中所规定的突出临界指标值时（见表21）,便预测为突出危险区。该法使用简单,但要取得准确的实测瓦斯压力值却不是一件容易的事,所以使用时要确保瓦斯压力的准确性。表21 预测煤层突出危险性单项指标值煤层的突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度P煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力P(Mpa)突出危险,100.50.74第30页/共129页 2、地质统计法根据已开采区域已确切掌握的煤层赋存和地质构造条件与突出分布的规律,对新采区新水平或新矿井进行煤层突出危险性区域预测,划分出突出危险区域或突出威胁区域。除此之外,80年代后焦作矿院在瓦斯地质方面作了大量的工作,提出了用瓦斯地质进行区域预测的一些定量指标在区域预测中使用,也取得了进展,这种方法与地质统计法同出一辙,其准确性取决于对未开拓区地质情况的了解程度,众所周知,要想深刻的了解未开拓地区的地质情况是较困难的。第31页/共129页3、综合指标法 这种方法是将单项指标法中的的瓦斯放散初速度指标(P)、煤的坚固性系数(f)与煤层瓦斯压力指标并考虑到采掘深度,用一个数量化指标进行判断。其判断指标如下:D=(0.0075H/f-3)(p-0.74)K=P/f 式中 D 煤层的突出危险性综合指标;K 煤的突出危险性综合指标;H 开采深度,m;p 煤层瓦斯压力,取几个测压孔实测瓦斯压力最大值,Mpa;P 软分层煤的瓦斯放散初速度指标;f 软分层的平均坚固性系数。第32页/共129页其判断突出时的临界指标值见表22。表22突出时的临界值煤层突出危险性综合指标D煤的突出危险性综合指标无烟煤其它煤种0.25 2015注:(1)D=(0.0075H/f-3)(p-0.74)式内两个括号内的计算值均为负时,则不论D值大小,都为突出威胁区;(2)地质勘探和新井建设时期进行煤层突出危险性预测时,突出威胁视为无突出危险煤层。第33页/共129页三、工作面突出危险性预测三、工作面突出危险性预测工作面预测使用于已经确定为突出危险区或突出威胁区的采掘工作面,以进一步缩小突出范围。其预测范围较小,仅能确定采掘工作面前方10 米内的煤层突出危险性。除此之外,工作面预测方法,还可以用于防治突出措施的效果检验和措施参数的测定。工作面预测可将工作面分为突出危险工作面、无突出危险工作面。工作面突出预测的理论基础在前面突出机理中已经述及,主要要确定集中应力的集中程度、位置和煤的解吸特征。使用工作面预测方法能否能达到预期效果,取决于判断突出危险临界指标值的确定,这是一个难度较大的课题。第34页/共129页常用的工作面预测方法有钻孔瓦斯涌出初速度法和钻屑指标法,另外还有声发射、放炮后30分钟内的瓦斯涌出量和电磁辐射法(还在探讨)等。现将主要的方法现分述如下：1、钻孔瓦斯涌出初速度法该法要求在没有受到卸压影响的煤体中使用,另外要求煤层的透气性较小,钻孔影响范围外的游离瓦斯,要求不向测定钻孔流动。当然这是理论上的要求,在现实工作中,很难实现这种要求。但在现实工作中应尽量考虑上述要求。在具有上述条件的煤体中打一个直经为42毫米的钻孔时,钻孔的周围与采掘工作面一样也会形成卸压区、增压区和正常压力区。见(图5).其卸压区的大小取决于地应力和煤的强度高低,如果在一个比较小的范围内,地应力变化不大,那麽,卸压区的大小就取决于煤的强度,并与煤的强度成反比。当煤层的瓦斯含量在比较小的范围内,也无明显地变化时,反映到钻孔瓦斯涌出初速度数值上的变化,就间接的表明是煤的物理力学第35页/共129页性质在变化。同样道理,当煤的物理力学性质无变化时,钻孔瓦斯涌出初速度数值的大小就间接的反映出煤瓦斯含量或应力的变化,因而它是个综合指标。众所周知,钻孔瓦斯涌出量会随着时间的增长而降低,尤其是突出危险煤层.其衰减系数较大,在测定时必须将测定时间控制在打完钻孔后的一定时间范围内,通常是两分钟,否则,就影响预测精度,容易产生错误的判断。一般来讲,颁布的防治煤与瓦斯突出细则上钻孔瓦斯涌出初速度法,孔深为3.5m,其突出临界值的判断指标也仅实用于该深度的钻孔,但现在生产实践已将其预测钻孔深度扩大到810m,由于使用条件的变化,应慎重使用 防治煤与瓦斯突出细则中所规定突出临界值的判断指标。第36页/共129页钻孔瓦斯涌出初速度法,通常不适用于执行了防治突出措施的效果检验,因为,被检验的区段已经遭受到措施卸压作用的影响,煤层的透气性已经变大,测出的钻孔瓦斯涌出量数值要比预测数值大,对煤层的突出危险性反应不真实。钻孔周围应力分布图：第37页/共129页2、钻屑指标法 钻屑指标包括两类指标,一为应力指标,指标以钻孔每米排粉量表达,二为瓦斯指标,以K1或h2表达。、应力指标现场实测应力是一件技术难度高、费用大,费时又费工的工作,作为实验研究还可以,不能在生产中推广应用,现场所需要的方法要求快速简便,他不需要应力绝对值,只需知道其应力的相对情况,根据这个要求,所有的采煤国家都采用了钻屑量这一指标来判断相对应力的大小,这个指标不但在煤与瓦斯突出预测上运用,也用于预测冲击地压。当在一个有应力存在的岩体中打钻,钻孔中排出的钻屑量由三部分组成:(A).钻头切削所产生的钻屑量;(B).钻头在岩体中,由于打钻时钻头在钻孔内跳动所产生的超切削钻屑量;(C).由于应力使钻孔变形、缩孔,被钻头附加切削出来的钻屑量。第38页/共129页从发生钻屑量组成来看,前二者可视为 定值,只有第三者为变量。当钻头为42mm时,每打1m,理论上计算出能排除实体煤1.3854l,再考虑到煤体膨胀和钻头超切削而导致钻屑增加量,此部分增加量为正常排屑量的30%,则理论上计算出的钻屑量为1.8 l/m。当实际钻屑量超过此数值时,便表明有应力作用,其量越大,则应力越高。实践表明,当钻屑量达到正常钻屑量的2.53倍时,表明仅应力一项因素就可以产生煤与瓦斯突出,如果没有瓦斯因素参与,多为压出(缓倾斜)或倾出(急倾斜煤层)类型;当有瓦斯因素参与,则发展成突出类型。因而,煤与瓦斯突出预测指标应考虑应力与瓦斯两个因素进行判断。在掘工作面,根据预测孔布孔要求打孔,每打2 m钻孔就需测量每米钻孔的钻屑量,以确定应力的大小,如果打钻时发生夹钻,喷孔等异常现象,则直接视为突出危险工作面。第39页/共129页、瓦斯指标瓦斯指标有解吸量(h2)和瓦斯解吸特征(k1)指标两种。（a）瓦斯指标有解吸量(h2)此指标由煤炭科学研究院抚顺分院自波兰引进,首先用于北票矿物局预测石门揭穿煤层时的突出危险性,尔后推广至掘进煤巷。该指标为一相对指标,在一定容的仪器中,放入10g,粒径为13mm的钻屑,并从钻孔取样3min后,启动仪器进行测量,由于钻屑中的瓦斯解吸作用,造成仪器容器中的气体压力增加,测出启动仪器后两分钟内容器中的压力增加值,该值就是h2,以Pa表示。（b）瓦斯解吸特征(k1)指标。K1是一种瓦斯解吸特征指标,其工作原理是计算出采取煤样后,在5分钟或10 分钟内,平均测量10个点,再根据估算出测定前的煤样暴露到大气中的时间,根据解吸巴雷尔公式(简称平方根公式),推算出每克煤样自煤体暴露后第一分钟内的瓦斯解吸量。它是瓦斯含量和瓦斯解吸特征的综合指标。第40页/共129页选用巴雷尔(R.M.barrer)公式,其公式如下:K1=（Qt+W）T-0.5K1 钻屑解吸特征,毫升/克.分-1/2;Qt 钻屑在t2时间内的解吸瓦斯量,毫升/克;T 钻屑从煤体被切削下来计算到测定时的总时间,分;t1 钻屑在钻内被运输的时间(用钻杆的转速,钻杆的螺距和输送效率计算出钻屑，每输送1米所需要的时间,再乘以长度L加以校正,用42 毫米电煤钻打钻时通常采用0.1*L加以校正)分;t2 煤样放入仪器中的准备时间(通常在3分钟之内),分;t3 煤样放入仪器后的测量时间,分;W 钻屑在t1+t2时间内已解吸出来的瓦斯量,毫升/克;上式可以写成直线方程式后为Qt=K1T-1/2-W用最小二乘方的方法计算出K1值.第41页/共129页该指标为我国绝大多数突出矿井中采用工作面预测指标,在试验初期,经现场测试并经验证的判断突出临界指标值为0.5,应当指出的是测定时的煤的坚固性系数f=0.2左右,后来推广到全国时,就出现过低于该指标时也发生突出,例如:南桐矿务局鱼田堡煤矿的K3煤层(f值在0.2以下),大于0.5也不发生突出,例如芙蓉矿务局白皎矿,应而,判断突出临界指标值的确定应考虑煤的强度f值。单一的判断指标不能完善地判断煤层突出危险性,一般要采取双指标法,即以钻屑量判断应力,以钻屑解吸特征判断煤层的瓦斯与煤的物理力学性质,综合考虑煤的突出危险性。其判断方法如下:第42页/共129页表表22 综合判断煤综合判断煤的突出危险性表的突出危险性表突出危险性等级钻屑量 l/m(Kg/m)K1 ml/g危险程度0 5.4(7,5)0.5 无突出危险1 5.4(7,5)0.5 有压出或倾出危险2 5.4(7,5)0.5有发生小突出危险3 5.4(7,5)0.5有突出危险第43页/共129页3、判断突出临界指标值的确定方法 工作面预测效果的好坏,取决突出临界指标值确定得是否妥当,仅从瓦斯因素而言,理论与实践表明它取决于煤的物理力学性质,即与煤的f值有关,随煤的f值增大而增加,这不难理解,随着煤的强度提高,破坏煤层所需要的压力也要增加(煤中的瓦斯压力梯度要远远大于煤的抗拉强度),近两年来,煤炭科学研究院重庆分院在这方面做了许多工作，例如：工作面突出预测敏感指标及临界值确定方法的研究和,取得了一定的突破,将在专叙述。这些方法,虽然精度较高,但使用的参数较多,现场使用有一定的困难。通常现场希望采用比较简便的确定方法,现简述如下：第44页/共129页、瓦斯压力确定突出临界指标值 仅从瓦斯因素而言，突出时煤层中的瓦斯压力必须达到某一定值，此值就是突出时所需的瓦斯临界压力。计算它的经验公式很多，常用的有以下几种：A、苏联的经验公式 Pmin=3.9f2 B、北票矿务局的经验公式 Pmin=2.79fmin +0.39 C、煤炭科学研究总院重庆分院经验公式 Pmin=2.2fmin 式中：Pmin 煤层突出时所需的最小瓦斯压力，Mpa;f 煤层的平均坚固性系数；f min 煤层的最小坚固性系数上述三个公式前两个适用于石门揭穿煤层时使用，第三个公式适用于煤巷掘进中确定煤层突出时所需的最小瓦斯压力。第45页/共129页 当确定出突出时最小瓦斯压力后，根据实验室中确定的K1与瓦斯压力P的关系，就可以确定出K1的突出临界指标判断值。实验室的研究表明，K1的大小与瓦斯压力符合下列关系式：K1=APminB 式中：P 瓦斯压力，Mpa;A，B 系数 最简便的公式（精度要求不高时），可采用下列公式确定。A,B两系数与煤的坚固性系数有关，最好是在实验室中经实验得出，也可采用经验公式确定，A=3.352e-2.953fB=1.176e-0.864f 应当指出,上述两个A,B值,是取掉煤中水分、灰分的影响,所以计算出K1值也是不含水分和灰分煤的K1(可燃基计算),在应用上公式应予以注意,要将计算出来的K1 值乘以(1-灰分-水分)后,方可作为临界指标使用。第46页/共129页类比法 将判断指标K1引入煤的物理力学性质因素概念,即采用K2=K1/f为判断煤层突出危险性的新判断指标,最初研究K1并确定突出临界指标值K1=0.5时的f值为0.2,其K2比值为2.5,当测定出K2=K1/f 大于2.5时,工作面的就具有突出危险性。但目前现场快速测定煤层的f 的方法现在还不够成熟,只有间隔一定距离采样在实验室中测定,远不能满足现场快速确定的要求,因而,多在一次测定后,使用于某一个区段，只能用类比法确定K1的判断临界值。其突出时的临界值的方法为：第47页/共129页K1(临)=K2f式中K2 为一常数2.5。为了确保安全,建议先将确定值降低20%使用，,然后在实践中逐步提高。特别应当指出,措施效果检验的方法,指标与判断方法与工作面预测相同,但选择判断断指标时要注意,选择钻屑解吸要比钻孔瓦斯涌出量指标要实用,因为煤层卸压后钻孔瓦斯涌出量有加大的趋势,且短时间衰减速度较慢,短时间内容易超出规程规定的临界指标值.第48页/共129页第三讲第三讲 防治煤与瓦斯突出防治煤与瓦斯突出 技术措施技术措施第49页/共129页 防治突出的技术措施也分为两类防治突出的技术措施也分为两类,即区域措施和局部即区域措施和局部措施措施(见下图见下图)。执行措施的主要目的是消除或缓和煤层的受力状态执行措施的主要目的是消除或缓和煤层的受力状态并排除煤层中的瓦斯，使煤层中的瓦斯含量或瓦斯压力并排除煤层中的瓦斯，使煤层中的瓦斯含量或瓦斯压力降低到不会发生突出时的安全水平。降低到不会发生突出时的安全水平。第50页/共129页一、区域防突措施一、区域防突措施目前我国使用最广泛的区域防突措施有预抽煤体中的瓦斯、水力化措施和开采保护层,现分述如下：1 1、预抽煤体中的瓦斯、预抽煤体中的瓦斯从工业气流获得量分析来看,预抽煤体中的瓦斯因突出煤层的透气性小,是没有实施价值的.但从防治煤与瓦斯突出观点来看,在没有保护层开采的条件下,它确实是一个好的防治突出的措施.由于实施工程量大,因此,不可避免的使使用成本增高.预抽煤体中的瓦斯所以能防治煤与瓦斯突出,其作用机理如下图所示。第51页/共129页第52页/共129页目前采用的预抽方法有网格式抽放和混合式抽放两目前采用的预抽方法有网格式抽放和混合式抽放两种。种。第53页/共129页网格式穿层钻孔沿煤层走向钻孔间距810m,沿倾斜钻孔间距510m,在采区内实施此措施,防突工程量大,开采成本高。为了降低成本,采用混合式进行预抽煤层中的瓦斯。在要掘进煤巷范围内,先用穿层钻孔预先处理一个瓦斯抽放带,带宽为2030m(根据煤层的突出危险性应适当加大或减小带宽),预抽达标后,开始掘进巷道,在已掘的巷道中,顺煤层倾斜,每隔35m,打抽放钻孔,以提高钻孔的利用率和降低打钻成本。应当指出的是打钻后,由于钻孔分布不均匀或抽放时间不够,在掘进煤巷时,仍有可能发生突出事故。采用网格式钻孔抽放方法判断其有效性指标为煤层的抽放率,应根据矿井实测资料确定,如无实测数据,可参考下列指标之一确定:(1)预抽煤层瓦斯后,突出煤层残存瓦斯含量应小于该煤层始突深度的原始煤层的瓦斯含量。(2)煤层瓦斯抽放率应大于25%,煤层瓦斯预抽率应用钻孔控制范围内煤层瓦斯储量与抽出瓦斯量计算(包括打钻时喷出的瓦斯量、自然排放量计算)。第54页/共129页达不到上述指标的区域,在进行采掘工作时,都必须采取防治突出的补充措施。采用煤层瓦斯抽出率作为有效性指标的突出煤层,抽放率必须达到或超过25%,在进行采掘作业时,还必须参照第35条所规定的方法，对预抽效果进行经常性严格的复查。应当指出25%的抽放率是一个相对指标,当煤层瓦斯含量高时,抽放率 虽然达到目25%的目的,但煤层中的残存瓦斯含量仍然大于该煤层始突深度的原始煤层的瓦斯含量,显然该煤层的突出危险仍然存在的。所以,高瓦斯煤层当抽放率已经达到了25%,在进行采掘工作时,仍然要用工作面预测方法进行复查检验的原因。为了加速煤体瓦斯抽放,一些矿井采用了交叉钻孔的布孔方式进行抽放。它是利用钻孔之间的相互卸压影响以提高钻孔瓦斯流量,因此平行孔平面与斜孔平面之间垂距不能太近,近了容易形成平行孔与斜交孔沟通,太远,则不能相互影响,一般为58倍钻孔直径为宜。第55页/共129页2、水力化措施（1）煤层注水煤层注水是一个较好区域性防治突出措施,煤层含水量超过5%时,煤层的突出危险性就会消失或降低。但突出煤层的透气性很差,且工艺又较为繁琐,在我国还未大量单独使用,如果要使用,最好与防尘注水措施结合起来一起使用。注水防治突出的机理是改变煤层的力学性质,使煤层又弹性变形转化为塑性变形,使煤层受力后变形量加大,以改善煤层采掘工作面附近的应力分布状态(使卸压区增大)。煤层注水可作为区域性防治突出措施，也可作为局部防突措施（用于石门揭穿煤层）。根据注水压力不同，煤层注水可分为水力疏松和水力湿润煤体。第56页/共129页（2)水力冲孔水力冲孔是我国独创的一种防治煤与瓦斯突出的方法，它是利用突出煤层钻孔有自喷能力的特点，人为地在钻孔内利用高压水的冲击力，快速破坏钻孔内的煤体而诱发突出。这种人为的钻孔内的突出，由于受钻孔内的空间和钻孔管道效应的影响，是可控的。冲孔防突的机理是增加煤层透气性，增加煤层稳定性，降低煤层瓦斯含量。水力冲孔工艺比较复杂，在煤巷掘进使用水力冲孔时要有足够的安全屏障，随着开采深度的延伸、瓦斯压力的增大，使用此措施时应慎用。第57页/共129页（3）水力压裂水力压裂是用强压将地层压开形成裂隙并沟通，以增加煤层的透气性。水力压裂原理为利用高压（超过地层覆盖的岩石压力），高排量的压裂液，强迫压入煤层，迫使煤层形成裂隙，并携入石英沙等支撑剂支撑裂缝，保持裂隙网畅通，从而达到提高煤层渗透能力、增加瓦斯抽放量的目的。水力压裂工艺流程包括打钻、固井、射孔、压裂及排水等工序。瓦斯在煤层中与压裂液为两相异态；此外如果突出煤层松软，支撑剂嵌入煤体将会失去支撑作用，因此其在软煤中难以达到理想效果。第58页/共129页（4）水力挤出向采掘工作面前方打钻孔，并注入高压水，使其注水速度超过煤的渗透速度，导致煤层破裂，并向工作面方向位移，使靠近工作面煤体处卸压和排放瓦斯的方法成为水力挤出。水力挤出工作原理实在工作面前方集中压力带注水时，破坏煤体并使其发生移动，降低承压能力，使集中应力带向煤体深部转移，增加卸压带宽度，使瓦斯充分释放，达到防止突出作用。水力挤出的钻孔要保证封孔质量、封孔深度。使用于采掘工作面（倾角大于25的上山巷道和急倾斜煤层的倒台阶采煤工作面除外）。水力挤出在我国在我国尚未试验和使用，其主要用作局部防突措施。第59页/共129页3、开采保护层(1)概述开采保护层被公认为最好、最经济的防止煤与瓦斯突出的区域措施,在有保护层可开采的矿井都应首选此措施。根据保护层与被保护层的相对位置可分为开采上保护层与开采下保护层。见下图。根据保护层与被保护层之间垂距h可将保护层分为今距离、中距离、远距离保护层.当h等于或小于10m时为近距离保护层,1050为中距离保护层，大于50为远距离保护层。第60页/共129页第61页/共129页被保护层随着与保护层之间的垂距加大,其有效性有所减低.通常保护层与被保护层之间的有效垂距见表所示：表中数据是指一般情况而言,有的地方要超过上述数值.为了提高保护效果,在开采保护层的同时,必须要进行抽放瓦斯,尤其是采用远距离保护层时,抽放瓦斯显得更为重要。在选择保护层时应优先考虑选择开采上保护层,没有上保护层可选择的条件下,也可选用下保护层开采,但开采下保护层时不得破坏被保护层。第62页/共129页(2)保护层开采后被保护层中应力与瓦斯变化规律保护层开采之后,开采空间周围的岩石应力、瓦斯压力发生一系列的有规律的变化。受采动的影响,保护层开采空间顶底板岩石和被保护层就会发生卸压、膨胀变形,原有的裂缝就会张开,并形成新的裂缝,使被保护煤层的透气性剧增,提高了煤层排放瓦斯能力。同时也使被保护层的应力明显的降低。由于开采层后应力的重新分布,因此在被保护层中形成正常压力带、集中压力带、卸压带和压力恢复带。第63页/共129页保护层的作用机理见下图：当开采保护层后不管远距离或近距离的被保护层中瓦斯压力都会降低,煤层也会产生急剧的膨胀变形,其变形量可达到0.6%左右,同时煤层的透气性明显的增加,有利于排放被保护突出煤层中的瓦斯。第64页/共129页(3)开采保护层应注意的事项开采保护层必须要严格遵守规程有关规定,其中最重要的是煤柱管理。即要严格按有关规定(防治煤与瓦斯突出细则)划出沿倾斜和走向的保护范围,在被保护层中进行采掘工作时,没有防治突出措施的情况下,千万不能进入未保护范围内进行采掘工作。因为此区域内受采掘附加应力的影响,应力集中系数很高,会造成煤层裂隙闭合,瓦斯不易排放,突出危险程度陡增,是突出事故高发地区。此地区突出频率高,强度大,已发生的最大突