突出礦井的鑒定指標(biāo)新探

1、突出礦井的鑒定指標(biāo)新探蔣承林 ,侯世松,李 磊(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院 ,江蘇徐州 221008)摘 要 :根據(jù)產(chǎn)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的原因 ,提出了現(xiàn)場(chǎng)判斷煤與瓦斯 動(dòng)力現(xiàn)象的特征指標(biāo) ;對(duì)影響礦井瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的因素進(jìn)行了分析 ,提 出了預(yù)測(cè)突出礦井的 “理想石門揭煤 ”模型和相應(yīng)的預(yù)測(cè)指標(biāo) ,可以定量 地將礦井根據(jù)可能出現(xiàn)的煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象大小分為非突出,壓出及突出礦井三種類型。關(guān)鍵詞 :突出;壓出 ;初始釋放瓦斯膨脹能 ;堆積角 ;鑒定指標(biāo)中 圖 分 類 號(hào) :TD713+.2 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 :B 文 章 編號(hào):1003-496X(2006)06-0047-03基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)

2、基金資助項(xiàng)目 (50274067);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專 資經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目 (2005CB221504)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中 ,巷道周圍的圍巖及煤體中常有各種各樣的動(dòng)力 現(xiàn)象出現(xiàn) ,這些動(dòng)力現(xiàn)象的出現(xiàn)影響著煤礦的安全生產(chǎn) ,輕者使人驚嚇 , 重者傷及工人的性命 ,破壞煤炭生產(chǎn)設(shè)施。 在各種動(dòng)力現(xiàn)象中 ,又以煤與 瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象危害最大。與煤與瓦斯有關(guān)的動(dòng)力現(xiàn)象有突出,壓出等。煤礦中一旦出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,在短時(shí)間內(nèi)涌出大量的瓦斯 ,拋出 幾噸到幾十噸以上的煤炭 ,沖毀生產(chǎn)設(shè)施 ,甚至引起瓦斯爆炸 ,給礦井的 安全生產(chǎn)和工人的生命安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅 ,人們把這類礦井叫做突出 礦井1。對(duì)煤礦中出現(xiàn)的動(dòng)力

3、現(xiàn)象進(jìn)行鑒定、判斷是否屬于煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象或者對(duì)現(xiàn)有的礦井進(jìn)行評(píng)價(jià) ,判斷是否會(huì)出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,在生 產(chǎn)中具有非常重要的指導(dǎo)意義。在那些出現(xiàn)了或可能出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng) 力現(xiàn)象的礦井 ,我們把它歸于突出礦井 ,需要在生產(chǎn)中采取預(yù)測(cè)及防護(hù) 措施 ,避免煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的再次發(fā)生 ;而在那些出現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象不 屬于煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象或近期不大可能出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的礦井 我們把它歸于非突出礦井 ,就可以不采取防治煤及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的措施 加快生產(chǎn)進(jìn)度 ,提高生產(chǎn)效益。但是在如何準(zhǔn)確地判斷或預(yù)測(cè)一個(gè)礦井 是否出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象方面 ,盡管前人做了很多工作 ,取得了很多 成果 ,但仍然存在著不盡如人意

4、的地方 ,仍是一個(gè)尚未完全解決的難題。 1 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的定義及判斷標(biāo)準(zhǔn) 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,就其字面來(lái)說(shuō) ,應(yīng)該是動(dòng)力引發(fā)的現(xiàn)象。 但是煤礦井 下的動(dòng)力有很多種 ,為此,我們提出了以 “力和介質(zhì) ”作為區(qū)分礦井動(dòng)力現(xiàn) 象的標(biāo)準(zhǔn) ,把地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用引起的動(dòng)力現(xiàn)象歸于煤與瓦斯 動(dòng)力現(xiàn)象。 在這類現(xiàn)象中 ,有突出和壓出兩種 ,其實(shí)壓出就是一種弱突出。 它是含有承壓瓦斯的軟煤中發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象 2 。 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象不同于煤體中地應(yīng)力單獨(dú)引起的動(dòng)力現(xiàn)象,如煤爆。出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí) ,硬煤或中硬煤發(fā)生脆性破壞 ,其中積聚的彈性能釋放 將煤體本身拋出。盡管拋出物的堆積角小于自然堆積角 ,與突出

5、物的堆 積類似 , 但拋出物是硬煤或中硬煤 ,很少伴隨有瓦斯涌出 , 與突出時(shí)拋出 的軟煤是非常容易區(qū)分的。 換行 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象更不同于重力引起 的動(dòng)力現(xiàn)象 ,如傾出。 有些松散煤體發(fā)生傾出后 ,盡管伴隨有顯著的瓦斯 涌出現(xiàn)象 ,但傾出時(shí)落下的煤體堆積角等于自然堆積角。它表明煤體內(nèi) 瓦斯壓力很小 ,落下的過(guò)程中瓦斯沒(méi)有作為一種力來(lái)推動(dòng)煤體運(yùn)動(dòng) ,也 不屬于煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象是否屬于煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,必須考慮地應(yīng)力 和瓦斯壓力都參與這一過(guò)程留下的證據(jù)。根據(jù)關(guān)于突出機(jī)理的 “球殼失 穩(wěn)”學(xué)說(shuō) ,突出過(guò)程的本質(zhì)是地應(yīng)力破壞煤體 ,煤體釋放瓦斯 ,瓦斯使煤體 裂隙擴(kuò)張并使

6、形成的煤殼失穩(wěn)破壞 ,將原本具有一定支撐作用的表面破 壞煤體拋向巷道 ,迫使應(yīng)力峰移向煤體內(nèi)部繼續(xù)破壞后續(xù)的煤體這樣一 個(gè)連續(xù)發(fā)展的過(guò)程 3 。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象后 ,突出物為軟煤 ,軟煤 堆積物呈現(xiàn)出堆積角小于甚至遠(yuǎn)小于煤體的自然堆積角的現(xiàn)象。這是 由這兩種力的特點(diǎn)決定的 ,地應(yīng)力的特點(diǎn)是數(shù)值大 ,作用方向由力大的 地方指向力小的地方 ,能將煤體迅速破壞 ,但作用的距離很短。 這時(shí),如果 沒(méi)有瓦斯壓力參與 ,破壞的軟煤只落在突出洞口的正下方附近 ,堆積角 等于自然堆積角。瓦斯壓力的作用特點(diǎn)是數(shù)值小 ,作用方向也是由高壓 指向低壓 ,但作用的距離遠(yuǎn) ,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)軟煤中含有承壓瓦斯時(shí) ,

7、地應(yīng) 力破壞軟煤 ,使軟煤離開(kāi)原地的過(guò)程中 ,瓦斯壓力將推動(dòng)煤體向突出孔 洞之外的巷道運(yùn)行。運(yùn)行的距離與煤體在這一過(guò)程中釋放出來(lái)的瓦斯 量有關(guān)。只要瓦斯壓力參與拋出煤體 ,其突出物的堆積角就小于煤體的 自然堆積角，見(jiàn)圖1所示。因此,堆積角是否小a拋出物自然堆積角；B 拋出物堆積角于自然堆積角是衡量瓦斯是否參與突出的一個(gè)重要指標(biāo)。如果現(xiàn)場(chǎng)的拋出物中存在軟煤 ,軟煤的堆積角小于其自身的堆積角 ,就可以判斷這是一次煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,該礦井就屬于突出礦井。圖 1 瓦斯壓力對(duì)拋出物堆積角的影響2 突出礦井的鑒定模式及鑒定指標(biāo)在那些尚未出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象的礦井中 ,要判斷該礦井是否屬于突出礦井 就要預(yù)測(cè)它是否

8、可能出現(xiàn)煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。在煤礦中 ,煤與瓦斯動(dòng)力 現(xiàn)象發(fā)生在含有承壓瓦斯的軟煤中 ,含有承壓瓦斯的軟煤在一個(gè)礦井中 的賦存狀態(tài)與該礦井是否屬于突出礦井密切相關(guān)。由于在一個(gè)時(shí)期內(nèi) 取樣的范圍有限 ,一個(gè)樣品代表的范圍也有限 ,因此在突出礦井鑒定中 有必要對(duì)該礦井的鑒定范圍作出明確界定。在這個(gè)界定范圍內(nèi) ,通過(guò)取 樣測(cè)定 ,可以作出是否突出的結(jié)論。 但在這個(gè)范圍之外 ,鑒定的結(jié)論是無(wú) 效的。在界定的范圍內(nèi) ,通過(guò)取樣 ,可以得到含有承壓瓦斯的軟煤。 但是這些含 有承壓瓦斯的軟煤在開(kāi)采過(guò)程中的揭露方式也與突出是否發(fā)生密切相 關(guān)。很明顯 ,在石門揭煤的條件下 ,含有承壓瓦斯的軟煤容易突出 ;而同樣

9、的含有承壓瓦斯的軟煤在煤巷掘進(jìn)中 ,突出危險(xiǎn)性就小得多 ,甚至不出 現(xiàn)突出現(xiàn)象。 此外 ,掘進(jìn)過(guò)程中 ,是否采取防突措施及防突措施的實(shí)施程 度也影響含有承壓瓦斯的軟煤暴露時(shí)是否發(fā)生突出 ,因?yàn)樗鼈冇绊懼?體揭露前的瓦斯泄漏程度。如果將所有的影響因素都加以考慮 ,則預(yù)測(cè)工作異常復(fù)雜。由于有些因素?zé)o法定量 ,可能導(dǎo)致無(wú)法預(yù)測(cè) ;但如果不考慮這些影響因素 ,也同樣無(wú) 法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是否發(fā)生突出。為此我們提出了一種突出預(yù)測(cè)的模型 “理想石門揭煤 ”即,考慮在放炮揭露這些含有承壓瓦斯的軟煤之 前,煤體內(nèi)的瓦斯沒(méi)有任何泄漏。 這是一種最危險(xiǎn)的情況 ,類似于煤礦中 的巷道誤入煤層的情況。在這種突出模型中 ,煤

10、體是否突出僅僅與煤體 內(nèi)的地應(yīng)力 ,瓦斯壓力及煤體強(qiáng)度等自然因素有關(guān),而與人為影響因素?zé)o關(guān)。以此作為突出礦井的鑒定模型在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn),在生產(chǎn)實(shí)踐中也具有重要的參考價(jià)值。按照“理想石門揭煤 ”鑒定模型 ,在突出礦井鑒定中 ,只要在界定的范圍內(nèi) , 取出相關(guān)地點(diǎn)的軟煤 ,測(cè)定取樣地點(diǎn)的煤層瓦斯壓力和溫度,在試驗(yàn)室測(cè)出各煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能 ,將它們與壓出的臨界值42.98mJ/g和突出的臨界值103mJ/g進(jìn)行對(duì)比4,通過(guò)綜合分析，就可以判斷該礦井 在界定的范圍內(nèi)是否屬于非突出礦井 ,壓出（弱突出）礦井或突出礦井。按 這種鑒定方法確定為突出的礦井在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中可能不一定真的發(fā) 生突出,因?yàn)?/p>

11、生產(chǎn)中不一定遇到 “理想石門揭煤 ”的情況。在很多情況下 , 煤體中的瓦斯都有不同程度的排放 ,煤體暴露時(shí)可能只發(fā)生壓出 ,有時(shí) 甚至不發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象 ,但它是按照最危險(xiǎn)的情況來(lái)考慮的,具有警示作用,比一些無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法得到的結(jié)果更具參考價(jià)值。此外,按這種模型進(jìn)行突出礦井鑒定 ,將突出危險(xiǎn)性分為非突出型 ,壓出型和突出型 三個(gè)等級(jí) ,更能夠客觀地反映出煤礦實(shí)際的煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的危害程度,不至于出現(xiàn)大的誤判。3 河南大平煤礦實(shí)測(cè)資料分析換行2004 年 10 月 20 日,鄭煤集團(tuán)大平煤礦在下山掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了 特大型的煤與瓦斯突出事故 ,接著又引起瓦斯爆炸 ,造成 148 名工人傷亡。 這

12、次事故的教訓(xùn)是慘痛的。為反映大平煤礦的實(shí)際突出危險(xiǎn)性 , 我們分 別從該礦的 13051工作面和 16071 工作面各采取煤樣 ,測(cè)定了不同瓦斯 壓力下的初始釋放瓦斯膨脹能的變化規(guī)律。如圖 2 所示?？梢钥闯?,大 平煤礦的煤樣中初始釋放瓦斯膨脹能隨著瓦斯壓力的增高而線性增加。將測(cè)定的數(shù)值與壓出的臨界值42.98mJ/g和突出的臨界值103mJ/g進(jìn)行 對(duì)比 ,我們可以得到這兩個(gè)煤樣發(fā)生壓出和突出時(shí)的瓦斯壓力臨界 值:1-16071 煤樣;2-13051 煤樣膨脹能與瓦斯壓力的關(guān)系測(cè)定曲線13051煤層的瓦斯壓力臨界值為：壓出0.48MPa突出為1.17MPa;16071工作面 為:壓出0.4

13、1MPa突出為0.98MPa。它表明，在大平煤礦目前的開(kāi)采煤層 中,如果存在著 “理想石門揭煤 ”的條件,發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象所需的瓦 斯壓力只要0.41MPa以上即可，而不是防治煤與瓦斯突出細(xì)則中建 議的0.74MPa。其原因是大平煤礦的煤層煤質(zhì)松軟，變質(zhì)程度較高，當(dāng)煤 體突然暴露時(shí) ,在地應(yīng)力作用下破壞 ,能夠迅速釋放出較多的瓦斯 ,推動(dòng) 煤體,形成突出。圖 2 大平煤礦煤樣的瓦斯根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院重慶分院 2003 年 12 月提交的鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán))公司大平煤礦煤與瓦斯突出礦井鑒定報(bào)告 ,在 16101 水巷附近測(cè)定的原始瓦斯壓力為0.64MPa。由此根據(jù)圖2的測(cè)定曲線可以算出,

14、13051工作面煤樣的初始瓦斯膨脹能為47.96mJ/g而16071工作面煤 樣的初始瓦斯膨脹能達(dá)到了56.71mJ/g都超過(guò)了發(fā)生弱突出的臨界值42.98mJ/g。從目前發(fā)生的情況來(lái)看，如果當(dāng)初按這種方法進(jìn)行突出礦井 鑒定,鄭州大平煤礦 16101 水巷以上應(yīng)該歸屬于可能發(fā)生壓出 (弱突出 ) 的礦井。當(dāng)沿著 21 巖石下山向下掘進(jìn)延伸時(shí) ,煤層中的瓦斯壓力必然上 升,將進(jìn)入發(fā)生突出的礦井行列。 如果當(dāng)初有了這一警示 ,必然采取積極 的防突措施，“ 10 事0故也就可能不會(huì)發(fā)生。4結(jié)論(1) 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象是地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用發(fā)生在軟煤中的動(dòng) 力現(xiàn)象。它與重力作用產(chǎn)生的傾出和地應(yīng)力單

15、獨(dú)作用產(chǎn)生的煤爆有著 本質(zhì)的不同。(2) 在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,其主要特征有拋出物為軟煤 ,拋出 物的堆積角小于其自然堆積角。(3) 在對(duì)那些尚未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的礦井進(jìn)行突出鑒定時(shí),必須界定需要進(jìn)行突出鑒定的空間范圍 ,鑒定的結(jié)論只對(duì)界定范圍內(nèi)有效。(4) 在界定范圍內(nèi) ,采用 “理想石門揭煤 ”的預(yù)測(cè)模型 ,按最危險(xiǎn)的情況來(lái) 判斷其是否會(huì)發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 ,既簡(jiǎn)化了預(yù)測(cè)對(duì)象 ,又對(duì)生產(chǎn)具 有重要的參考價(jià)值。(5) 突出礦井的鑒定按照“理想石門揭煤 ”的預(yù)測(cè)模式可以劃分為非突出、 壓出和突出三種類型 ,這樣更能夠客觀地反映出煤礦實(shí)際的煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象危害程度 ,不至于出現(xiàn)大的誤判。參考文獻(xiàn) :1 中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部 .防治煤與瓦斯突出細(xì)則 M. 煤炭工業(yè) 出版社,1995.2 蔣承林.井下動(dòng)力現(xiàn)象的分類研究J.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué) 報(bào). 1998,13(4):1-6 .3 蔣承林,俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理與突出防治技術(shù)M.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 換行出版社 ,1998:11