煤與瓦斯突出防治技術(shù)課件

煤與瓦斯突出

防治技術(shù)一煤與瓦斯突出綜合防治措施概述

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的礦井瓦斯動力現(xiàn)象,是煤礦井下最嚴重的自然災(zāi)害之一。從防治突出措施的發(fā)展來看，可概括為三個階段。第一個階段為以安全防護措施為主的階段，其主要措施是震動性放炮。在人員遠離工作面的條件下，放震動炮誘導(dǎo)突出，以保證人生安全。第二階段為普遍采用防止突出技術(shù)措施的階段，即在石門揭開突出煤層，以及在突出煤層的采掘工作面，普遍采用防止突出措施，如開采保護層、超前鉆孔、松動爆破等。第三階段為綜合措施階段，其主要特點是在綜合措施中加入了突出危險性預(yù)測和防突措施效果檢驗兩個環(huán)節(jié)，使防突工作更加有的放矢，措施防突效果進一步提高,有了量化的指標。

二簡要介紹“四位一體”防突措施的主要作用

按我國《防治煤與瓦斯突出細則》要求，在開采突出煤層時，必須采用綜合措施，包括：（1）突出危險性預(yù)測；（2）防治突出措施；（3）防治突出措施的效果檢驗；（4）安全防護措施。上述“四位一體”綜合措施，把煤礦防突技術(shù)明確地歸結(jié)為四個方面，符合當前對突出的理論認識水平和防突技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，對防突工作起到了指導(dǎo)作用。

突出危險性預(yù)測是防突綜合措施的第一個環(huán)節(jié)。預(yù)測的目的是確定突出危險的區(qū)域和地點，以便使防突措施的執(zhí)行更加有的放矢。國內(nèi)外多年來開采突出煤層的實踐表明，突出呈區(qū)域分布。在突出煤層開采過程中，只有很少的區(qū)域（大致占整個開采區(qū)域的10%30%）或區(qū)段才發(fā)生突出，因此，不論是否有突出危險，在突出煤層采掘過程中普遍采用防突措施，這在技術(shù)上是不合理的，在經(jīng)濟上是不合算的。這樣執(zhí)行的結(jié)果使防突工作帶有一定的盲目性，且由于在原來無突出危險的區(qū)域和地點采用了防突措施，必將導(dǎo)致人力和財力的浪費，大大減緩了采掘進度。隨著防突科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，突出預(yù)測已逐漸從試驗研究階段進入實用階段。我國1988年頒布了第一部《防治煤與瓦斯突出細則》后，普遍要求在各突出礦井開展突出預(yù)測工作。

防治突出措施是防突綜合措施的第二個環(huán)節(jié)。它是防止發(fā)生突出事故的第一階段，即防止突出發(fā)生。

防突措施的效果檢驗是防突綜合措施的第三個環(huán)節(jié)。目的是在措施的執(zhí)行后檢驗預(yù)測指標是否降低到突出危險值以下，以保證防突措施的防突效果。實踐表明，各種防突措施，特別是局部防突措施，盡管經(jīng)科學(xué)試驗證實防突措施是有效的，但在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用后，都無例外地發(fā)生過多多少少的突出。即使在同一突出煤層，該措施在通常情況是有效的，但在有些區(qū)段則無效。措施失效的原因在于井下條件的復(fù)雜性，如煤層賦存條件變化，地質(zhì)構(gòu)造條件變化以及采掘工藝方式變化等。根據(jù)對南桐、松藻、天府、中梁山和北票五個局1996年發(fā)生突出事例分析表明，當年共發(fā)生突出388次，其中81次是在執(zhí)行防突措施后發(fā)生的，占突出總次數(shù)的24.3%。前蘇聯(lián)在19811985年期間，共計發(fā)生突出240次（放炮誘發(fā)的突出未計算在內(nèi)）其中58次（占24%）是在采取措施情況下發(fā)生的，在這58次突出中，有21次是在措施執(zhí)行過程中發(fā)生的，有24次是未完全按措施和措施效果檢驗方法執(zhí)行而發(fā)生的，有13次是在措施執(zhí)行后發(fā)生的。為了提高措施的防突可靠性，要求在防突措施執(zhí)行后，對其防突效果進行立竿見影的檢驗。檢驗結(jié)果無效時，應(yīng)采取附加防突措施。安全防護措施是綜合防突措施的第四個環(huán)節(jié)，它是防止發(fā)生突出事故的第二道防線。安全防護措施的目的在于突出預(yù)測失誤或防突措施失效發(fā)生突出時，避免人身傷亡事故。我國煤與瓦斯突出已發(fā)生1.4萬余次，但突出造成的人身傷亡事故僅是極少數(shù)，主要時因為采取了安全防護措施（震動性放炮和遠距離放炮等）。三煤與瓦斯突出危險性預(yù)測

1煤與瓦斯突出危險性預(yù)測分類及突出危險性劃分突出的預(yù)測預(yù)報方法，世界各國都是建立在瓦斯、地壓及綜合假說的基礎(chǔ)上，利用煤層的強度、受力狀態(tài)、含瓦斯情況以及它們在突出前所出現(xiàn)的異常變化，及時判斷煤層的突出危險程度。目前我國根據(jù)煤層預(yù)測地點的范圍大小，將煤層突出危險性預(yù)測分為區(qū)域性突出危險性預(yù)測和工作面突出危險性預(yù)測（日常預(yù)測），其中，工作面突出危險性預(yù)測包括石門揭煤工作面、豎、斜井揭煤工作面，煤巷掘進工作面及采煤工作面的突出危險性預(yù)測。

區(qū)域預(yù)測應(yīng)預(yù)測煤層和煤層區(qū)域的突出危險性，并應(yīng)在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)、新水平和新采區(qū)開拓或準備時進行。工作面預(yù)測是預(yù)測工作面附近煤體的突出危險性，應(yīng)在工作面推進過程中進行。在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)、礦井生產(chǎn)時期應(yīng)進行區(qū)域預(yù)測，把煤層劃分為突出煤層和非突出煤層。突出煤層經(jīng)區(qū)域預(yù)測后可劃分為突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)和無突出危險區(qū)。在突出危險區(qū)域內(nèi)，工作面進行采掘前，應(yīng)進行工作面預(yù)測。采掘工作面經(jīng)預(yù)測后，可劃分為突出危險工作面和無突出危險工作面。2突出預(yù)測預(yù)報的理論基礎(chǔ)

眾所周知，突出發(fā)生的三大要素是地壓（包括采掘工作所造成的附加壓力）、瓦斯含量、煤的物理力學(xué)性質(zhì)，它們以誰為主，這要看當時的具體條件，當?shù)貕捍蟆⑼咚购枯^小時、壓出、傾出的可能性較大；當瓦斯含量大、地壓不顯著時，小型突出居多；只有當?shù)貕号c瓦斯含量都大時，才會產(chǎn)生較大的突出。煤的物理力學(xué)性質(zhì)則是上述三種情況必不可少的條件。突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶附近，通常都為壓扭性構(gòu)造。由于壓扭性構(gòu)造封閉條件較好，瓦斯不易散失，則發(fā)生突出的三大要素也較其它地區(qū)具備得更充分，當掘進工作面進入此地段時，突出的幾率也隨之而增加。

如果在此地段測定煤層中的地壓、瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)，都較正常區(qū)有顯著的變化。測定煤層地壓大小是一件既復(fù)雜而又困難的工作，因此在點預(yù)測預(yù)報工作中多采用間接的辦法，即利用鉆孔排粉量來間接地判斷地壓與煤的力學(xué)性質(zhì)狀況。測定煤層中瓦斯含量也是一項較困難的工作，因此在日常預(yù)測預(yù)報中，也采用了鉆孔瓦斯涌出初速度或鉆孔排出煤粉的瓦斯解析量或其解析特征，來間接地判斷煤層中瓦斯含量的大小。用上述兩種指標的大小綜合判斷煤層的突出危險性，做出日常預(yù)測預(yù)報結(jié)論。這些指標不在于其值的大小，而能否作出及時、正確的判斷取決于其變化的幅度，變化幅度越大，則突出危險性越高。這一條是突出預(yù)測預(yù)報能否取得成功的關(guān)鍵。3區(qū)域突出危險性預(yù)測

區(qū)域突出危險性預(yù)測，是經(jīng)區(qū)域突出危險性預(yù)測，把煤層劃分為突出危險和非突出危險煤層，再通過區(qū)域預(yù)測把突出危險煤層劃分為突出危險區(qū)、威脅區(qū)、和無突出危險區(qū)，最后通過工作面突出危險性預(yù)測把工作面劃分為突出危險和無突出危險工作面。僅在預(yù)測為突出危險的工作面采取防治突出措施，且在措施執(zhí)行后進行防突效果檢驗。在突出煤層的突出威脅區(qū)，只需采取安全防護措施，但應(yīng)根據(jù)煤層的突出危險程度，采掘工作面每推進30～100m，應(yīng)用工作面突出危險性預(yù)測方法連續(xù)進行不少于兩次的驗證性預(yù)測，當其中任何一次驗證為有突出危險時，該區(qū)域即改劃為突出危險區(qū)。煤層突出危險性區(qū)域性預(yù)測應(yīng)在礦區(qū)地質(zhì)勘探、新礦井建設(shè)和新水平開拓時進行。我國目前采用的區(qū)域性預(yù)測方法如下。1)利用單項指標法進行煤層突出危險性預(yù)測

設(shè)計新礦井前必須確定新建礦井煤層突出危險性，編制設(shè)計任務(wù)書的單位應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探部門提供的礦井突出危險性的基礎(chǔ)資料，并參照鄰近礦井突出情況和預(yù)測煤層突出危險性指標，與部授權(quán)的煤炭科研單位共同確定礦井突出危險性，方可將礦井突出危險性列入設(shè)計任務(wù)書中，報上級批準后，作為新礦井的設(shè)計依據(jù)。

新礦井預(yù)測煤層突出危險性的指標可用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度(P)、煤的堅固性系數(shù)(f)和煤層瓦斯壓力(p)，其判斷煤層突出危險性的臨界值，應(yīng)根據(jù)礦井的實測資料確定，如無實測資料時，可參考表1所列數(shù)據(jù)劃分，只有全部指標達到或超過其臨界值時方可劃為突出煤層。預(yù)測煤層突出危險性單項臨界指標值如表1所示。表1預(yù)測煤層突出危險性單項臨界指標值煤的破壞類型瓦斯放散初速度△p煤的堅固性系數(shù)f煤層瓦斯壓力P(Mpa)煤層突出危險性判別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ≥10≤0.5≥0.74有突出危險Ⅰ、Ⅱ100.50.74無突出危險2)利用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法進行突出煤層中的區(qū)域預(yù)測根據(jù)大量統(tǒng)計資料和突出事例表明，突出與地質(zhì)構(gòu)造存在明顯的關(guān)系。八十年代初，焦作礦業(yè)學(xué)院與湖南煤炭研究所進行了這方面的研究，并取得了一定的成果。用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法進行區(qū)域預(yù)測時，應(yīng)根據(jù)已開采區(qū)域確切掌握的煤層賦存和地質(zhì)構(gòu)造條件與突出分布的規(guī)律，劃分出突出危險區(qū)域與突出威脅區(qū)域。劃分突出危險區(qū)一般應(yīng)符合下列要求：（1）在上水平發(fā)生過突出的區(qū)域，下水平的垂直對應(yīng)區(qū)域應(yīng)預(yù)測為突出危險區(qū)；（2）根據(jù)上水平突出點分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，確定突出點距構(gòu)造線兩側(cè)的最遠距離線，并結(jié)合地質(zhì)部門提供的下水平或下部采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造分布，按照下水平構(gòu)造線兩側(cè)的最遠距離線向下推測下水平或下部采區(qū)的突出危險區(qū)域（圖1）；（3）末劃定的其他區(qū)域為突出威脅區(qū)。圖1用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法向下推測下水平或下部采區(qū)的突出危險區(qū)域示意圖1—斷層；2—突出點；3—上水平或上部采區(qū)突出點在斷層兩側(cè)的最遠距離線；4—推測的下水平或下部采區(qū)在斷層兩則的最遠距離線；5—推測的下水平或下部采區(qū)的突出危險區(qū)域3)利用綜合指標法進行突出煤層中的區(qū)域預(yù)測

采用綜合指標法對煤層進行區(qū)域預(yù)測時應(yīng)符合下列要求：（1）在巖石工作面向突出煤層至少打兩個測壓鉆孔，測定煤層瓦斯壓力。（2）在打測壓孔的過程中，每米煤孔采取一個煤樣，測定煤的堅固性系數(shù)（f）；（3）將兩個測壓孔所得的堅固性系數(shù)最小值加以平均作為煤層軟分層的平均堅固性系數(shù)；（4）將堅固件系數(shù)最小的兩個煤樣混合后，測定煤的瓦斯放散初速度指標（△P）。煤層區(qū)域突出危險性，可按下列兩個綜合指標判斷：

D=（0.0075H/f–3）(P–0.74)（1）

K=△P/f（2）式中D——煤的突出危險性綜合指標之一。它綜合反映了煤質(zhì)、瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用程度；

K——煤的突出危險性綜合指標之二。它集中反映煤的破壞程度和放散瓦斯的能力；

H——開采深度，m；

P——煤層瓦斯壓力，MPa；

△p——軟分層煤的瓦斯放散初速度；

f——軟分層的平均堅固性系數(shù)。綜合指標D、K的突出臨界指標值應(yīng)根據(jù)本礦區(qū)實測數(shù)據(jù)確定，如無實測資料，可參照表2所列的臨界值，確定區(qū)域突出危險性。表2用綜合指標D和K預(yù)測煤層區(qū)域突出危險性的臨界值注：（1）如果D=（0.0075H/f–3）(P–0.74)式中兩個括號內(nèi)的計算值都為負時，則不論D值大小，都為突出威脅區(qū)域；（2）地質(zhì)勘探和新井建設(shè)時期進行煤層突出危險傾階性預(yù)測時，突出威脅視為無突出危險煤層。（3）當D＜0.25時無突出危險；當D≥0.25，K＜15時，有突出威脅；而當D≥0.25，K＞15時，有突出危險。煤層突出危險性綜合指標D煤的突出危險性綜合指標K無煙煤其它煤種0.2520154)工作面突出危險性預(yù)測方法

工作面突出危險性預(yù)測預(yù)報是預(yù)報工作中難度較大的一種，因其能在施工前及時預(yù)報，故又稱日常預(yù)測。下面分別闡述常用的日常預(yù)測方法。預(yù)測方法種類雖多，但歸根結(jié)底都是以鉆粉量考察煤體受力狀態(tài)，以鉆孔瓦斯涌出初速度或鉆粉瓦斯解析量、解析特征等來判斷煤中瓦斯含量及其結(jié)構(gòu)等原理來進行突出危險性預(yù)測。下面分別闡述常用的日常預(yù)測方法。(1)鉆孔瓦斯涌出初速度法鉆孔瓦斯涌出初速度法可應(yīng)用于石門、煤巷和回采工作面突出危險性預(yù)測，下面以掘進工作面為例，說明采用鉆孔瓦斯涌出初速度法進行突出危險性預(yù)測的步驟。①在掘進工作面的軟分層中，靠近巷道兩幫，各打一個平行于巷道掘進方向，直徑42mm、深為610m的鉆孔（圖2）；②用專門的封孔器封孔，封孔后測量室長度為0.5m；③鉆孔瓦斯涌出初速度的測定必須在打完鉆后2min內(nèi)完成。④用鉆孔瓦斯涌出初速度法預(yù)測煤巷掘進工作面突出危險性時，如預(yù)測為無突出危險工作面，每預(yù)測循環(huán)應(yīng)留有2m預(yù)測超前距。表3鉆孔瓦斯涌出初速度指標臨界值qm煤的揮發(fā)份Vdaf（%）5151520203030qm（L/min）5.04.54.04.5圖2鉆孔瓦斯涌出初速度法鉆孔布置圖1——煤層巷道；2——鉆孔；3——封孔器；4——瓦斯排出管；5——測量室

判斷突出危險性的鉆孔瓦斯涌出初速度的臨界值qm應(yīng)根據(jù)實測資料分析確定；如無實測資料時，可參照表3中的臨界值qm。當實測的q值等于或大于臨界值qm時，煤巷掘進工作面應(yīng)預(yù)測為突出危險工作面；實測q值小于臨界值qm時，該工作面應(yīng)預(yù)測為無突出危險工作面。(2)R值指標法

R值指標法可應(yīng)用于石門、煤巷和回采工作面突出危險性預(yù)測，采用R值指標法時，應(yīng)按下列步驟進行：①在煤巷掘進工作面打2個（傾斜或急傾斜煤層）或3個（緩傾斜煤層）直徑為42mm、深為610m的鉆孔。鉆孔應(yīng)布置在較分層中，一個鉆孔位于巷道工作面中部，并平行于掘進方向，其他鉆孔的終孔點應(yīng)位于巷道輪廓線外24m（圖3）。②鉆孔每打1m，測定一次鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度。測定鉆孔瓦斯涌出初速度時，測量室的長度為1m，根據(jù)每個鉆孔的最大鉆屑量和最大瓦斯涌出初速度按下式確定各孔的R值：

R=（Smax—1.8）(qmax—4)（3）式中R-——綜合指標；

Smax——鉆孔最大鉆屑量，L/m；

qmax——鉆孔最大瓦斯涌出初速度，L/m·min。判斷煤巷掘進工作面突出危險性的臨界指標Rm應(yīng)根據(jù)實測資料確定；如無實測資料時，取Rm=6。當任何一個鉆孔中的RRm時，該工作面預(yù)測為突出危險工作面；當R<Rm時，該工作面預(yù)測為無突出危險工作面。R為負值時，應(yīng)用單項（取公式中的正值項）指標預(yù)測。③采用R指標法時，當預(yù)測無突出危險時，每預(yù)測循環(huán)應(yīng)留有2m的預(yù)測超前距。圖3R值指標法鉆孔布置圖(3)鉆屑指標法

在采用鉆孔瓦斯涌出初速度法預(yù)測突出時，遇到最大的困難是鉆孔垮孔，由于垮孔，特制的封孔器往往封不住孔或被煤卡死，使測量鉆孔瓦斯涌出初速度無法進行。重慶煤科分院在總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，試驗了以鉆屑瓦斯解析特征代替鉆孔瓦斯涌出初速度預(yù)測突出的鉆屑指標法，并獲得圓滿結(jié)果。鉆屑指標法可應(yīng)用于石門、煤巷和回采工作面突出危險性預(yù)測，采用鉆屑指標法時，應(yīng)按下列步驟進行：①根據(jù)煤層的賦存情況，在預(yù)測工作面打2個（傾斜和急傾斜煤層）或3個（緩傾斜煤層）直徑42mm、孔深812m的鉆孔，也可以使用超前排放鉆孔或深孔松動爆破孔作為探孔，使一孔多用，以減少施工工程量。其布孔原則是，孔的位置應(yīng)布置在工作面煤層的軟分層內(nèi)或盡可能多穿過軟分層，終孔位置應(yīng)位于巷道周邊24m處，目的是要探明工作面前方煤層的瓦斯及其賦存情況，其中尤其是特別注意到巷道上隅角的煤層及瓦斯賦存情況。鉆孔布置與前述R值指標法規(guī)定相同；②打鉆可用手持電鉆，輕型防突鉆機或巖石電鉆，鉆進速度應(yīng)保持勻速，約每分鐘1m左右；

③鉆孔每打1m測定鉆屑量一次，每隔2m測定一次鉆屑解吸指標?，F(xiàn)場測定時須詳細記錄取樣的鉆孔編號、孔深位置及取樣時間，采用重慶煤科分院生產(chǎn)的WTC突出預(yù)測儀進行測定，根據(jù)每個鉆孔沿孔長每米的最大鉆屑量Smax和鉆屑解吸指標K1預(yù)測工作面突出危險性；

④采用鉆屑指標法預(yù)測工作面突出危險性時，各項指標的突出危險臨界值，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場測定資料確定。如無實測資料時，可參照表4的數(shù)據(jù)確定工作面的突出危險性；

⑤采用鉆屑指標法預(yù)測突出危險性，當預(yù)測為無突出危險時，每預(yù)測循環(huán)應(yīng)留有2m的預(yù)測超前距。表4鉆屑指標法預(yù)測煤巷掘進工作面突出危險性的臨界

最大鉆屑量K1突出危險性Kg/mL/mmL/（g.min1/2）65.40.5突出危險工作面65.40.5無突出危險工作面四區(qū)域性防治突出措施

防治突出措施一般分為兩類：區(qū)域性防突措施和局部防突措施。根據(jù)局部防突措施的應(yīng)用巷道類別，可將局部措施分為石門揭煤措施、煤巷措施和采煤工作面措施等。區(qū)域防突措施的目的是消除煤層某一較大區(qū)域（如一個采區(qū)）的突出危險性。屬于該類措施的有開采保護層、大面積預(yù)抽煤層瓦斯和煤層注水等措施。區(qū)域防突措施的優(yōu)點是在突出煤層開采前，預(yù)先采取防突措施，措施施工與突出危險區(qū)的采掘作業(yè)互不干擾，且其防突效果一般優(yōu)于局部防突措施，故在采用防突措施時，應(yīng)先選用區(qū)域防突措施。局部防突措施的作用在于使工作面前方小范圍媒體喪失突出危險性。局部防突措施僅在預(yù)測有突出危險的采掘工作面應(yīng)用。屬于該類措施的有超前鉆孔、松動爆破、水力沖孔、金屬骨架等。

國內(nèi)外主要應(yīng)用的防突措施見圖3。在該系統(tǒng)圖中，高壓注水（包括濕潤、壓出和疏松等），除在雞西、陽泉礦務(wù)局一些礦井的采煤工作面作為防突措施應(yīng)用外，在其他礦區(qū)僅進行過為數(shù)不多的科研考察試驗。而這種措施在原蘇聯(lián)各突出礦區(qū)是主要的普遍應(yīng)用的局部防突措施。卸壓槽（縫）在俄羅斯少數(shù)礦井應(yīng)用，我國僅在焦作局進行過工業(yè)試驗，初步證明了其防突效果。局部防突措施的缺點是：措施施工與采掘工藝互相干擾，且防突效果受地質(zhì)開采條件變化影響較大，因此，《防突細則》規(guī)定在局部措施執(zhí)行后，要對其防突效果進行檢驗。圖3國內(nèi)外主要應(yīng)用的防突措施

五防突措施發(fā)展過程

在我的工作應(yīng)象中，從1983年開始使用煤電站打超前孔，3個8～10m卸壓孔，自然排放；1984～86年多排卸壓孔，掘進工作面強抽；91年有了《防突細則》、突出臨界指標，突出危險性預(yù)測預(yù)報，有重慶煤科院生產(chǎn)的ATY預(yù)測預(yù)報儀；然后出現(xiàn)了WTC預(yù)測預(yù)報儀，測定卸壓半徑、干（濕）煤層突出臨界值（k1、Smax）等。

六防突技術(shù)的應(yīng)用

由多次突出事故總結(jié)得出的教訓(xùn)，礦井發(fā)生突出事故時，為了保證撤人救災(zāi)安全．常常需要調(diào)控風(fēng)流方向，避免災(zāi)變生成的有毒有害氣體入侵人員撤退和救災(zāi)的線路．減小災(zāi)害影響范圍和減少