13第十三章煤与瓦斯突出分类、特点、机理及规律.ppt

安全工程专业,,中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,矿井瓦斯防治,程远平王亮,第十三章煤与瓦斯突出分类、特点、机理及规律,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理三、突出发生的一般规律,煤与瓦斯突出概念,煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放，表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量煤岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上万吨瓦斯从几百到上百万立方米，并可能诱发瓦斯爆炸。,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,,煤与瓦斯突出案例,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生大型煤与瓦斯突出,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,煤层,巷道掘进,2002年4月7日，淮北芦岭煤矿发生特大型突出,煤与瓦斯突出案例,,突出煤岩量10500t，死亡13人,煤与瓦斯突出案例,2002.4.7突出情况突出点二水平818-3溜煤斜巷突出点8、9煤合层厚9.5m;全搓揉成构造煤;瓦斯压力2.65Mpa;该巷恰位于小向斜轴部;区域构造应力较活跃,其方向恰与煤层走向垂直;突出后打钻确定出一个断距3m走向逆断层;受开采应力叠加影响。,煤与瓦斯突出实例及分析芦岭矿自行破岩突出瓦斯涌出量随时间的变化,2004年10月20日，郑州大平煤矿发生特大型突出，引发瓦斯爆炸，死亡148人。,,运输石门，自顶板方向揭穿4号煤层。该处距地表垂深325m，煤层倾角30，煤厚2.4m，煤层松软，顶板正常，底板有小错动。压力2.26MPa。石门工作面距煤层2m时，曾听到十多次声响，第次放震动炮揭开煤层时发生了突出，抛出煤粉36t，岩石20t，瓦斯4500m3。瓦斯浓度恢复正常后，沿煤门向前掘进，在第二次突出前一个班发现煤亮度变暗，层理紊乱，煤壁往巷道空间鼓动，有煤流出，工作面发冷，当放底炮崩4号煤底板时，发生了第二次突出，突出煤粉1473t，岩石80m3，瓦斯逆流冲出进风竖井井口到地面。,南桐矿务局鱼田堡矿150m水平主运输石门突出,1969.7.13在深710m主石门揭L3煤层,突出煤1.45万t,煤堵满主石门长度550m副石门长270m，瓦斯25万m3,突出孔面积超过1.1万m2;煤层倾角67。，瓦斯含量20m3/t，瓦斯压力5Mpa，注水75m3后为瓦斯压力降至2.43.9MPa，煤厚1.03m，构造煤厚0.4m。1、注水措施无效,构造煤未湿润；2、受逆断层、岩浆侵入、构造及构造应力影响（水平应力系数3倍）；3、石门保护煤柱集中应力；4、注水后瓦斯压力2.43.9MPa始突值。,顿巴斯加加林矿特大突出,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,1975.08.08突出12780t（煤60，矸石40），瓦斯140万m3；1977.07.05突出2807t，瓦斯60万m3；1983.01.14突出5000t，瓦斯44.5万m3。,三汇坝一、二矿主平硐三次特大突出,1988.8.8突出点情况突出点煤厚（构造煤）南帮5.0m;北帮0.1m；瓦斯压力0.7MPa；,距地表500m；位于F34-4逆断层下盘；煤岩破坏严重。震动性放炮揭煤，人员全部撤至地面，无其它防突措施。,三汇坝一矿主平硐突出,1988.10.16突出情况1突出点距地表垂深445m;瓦斯压力超过3.7MPa;2受向斜与扭转构造影响以及开采应力叠加作用;3大面积构造煤。,南桐鱼田堡矿石门自行破岩突出,1979.2.19.该巷放炮突出煤1200t,瓦斯23万m3。突出点煤厚48m,距地表垂深167m,水力冲孔不充分地段与两巷接近集中应力叠加。,红卫矿坦井1166-1煤巷突出,1967.3.14.该巷放炮突出煤1500t,瓦斯10万m3以上。突出点B煤顶板是厚12m的火成岩；底板是火成岩砂页岩；靠近顶板顶层煤厚7m为变质煤；底层45m为正常煤；倾角25度；距地表垂深373m；煤巷掘进头距三半煤门15.8m时，为防突打直径75mm钻孔8个，孔长6.510m,排放瓦斯17d后,掘进3.8m,残孔2.76.2m,工作面煤炮声连续不断,10min响煤炮达82次,打炮眼10个,深1m,炮响后约45min出现两次强烈震动,发生突出,12m煤柱被摧毁；火成岩构造，变质煤，两巷接近形成集中应力叠加等都对突出起了重要作用。排放孔残余长度不足，措施无效。,北票三宝一井175西9B煤巷突出,南桐鱼田堡矿1406煤巷突出,1968.1.20.在非爆破作业时突出，5000t煤,瓦斯350万m3。堵塞巷道549m。瓦斯逆流1621m直至进风量3600m3/min的进风井井口,波及全矿井，抽风井防爆门被冲开,工人前来关门时被瓦斯熏倒.突出点垂深315m，煤厚2.83m,倾角30o,在保护范围内掘进时,作业正常安全,但距保护层采止线7.15m时,巷道煤壁变松,迎头和两帮发生三次片帮,距采止线2.85m时,发生这次强烈突出.突出点位于一向斜轴与一潜伏断层交会地区。,南桐鱼田堡矿1406煤巷突出,红卫矿坦井二石门与1269-1煤巷突出,1972.2.20.二石门放炮揭煤突出突出4500t煤，138.5万m3瓦斯。瓦斯冲开风井口风门进入信号室并被炉子点燃，火焰高数十米，烧毁井口设施。瓦斯逆流到进风井地面工业广场的瓦斯浓度达0.7,主井井口瓦斯浓度一度达到15,较长时间稳定在9。1989.3.27.1269-1煤巷突出两突出点仅相距17m，突出2800t煤。突出点距地表202m，地质构造复杂，煤层顶板倾角8o，底板倾角38o，瓦斯压力1.65Mpa，水平厚度45m，煤搓揉严重，硬度低。煤巷掘进打钻喷孔、顶钻、响煤炮。,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,（一）按动力现象的力能特征分类（二）按动力现象的强度分类（三）按突出危险程度分类（四）岩石与瓦斯突出,煤与瓦斯突出矿井鉴定规范,煤与瓦斯动力现象,,,,,,,突然喷出煤与瓦斯,瓦斯涌出煤的压出伴随,瓦斯涌出煤的倾出伴随,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,,按动力现象的力能特征分类,,,突出的基本特征压出的基本特征倾出的基本特征,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,,按动力现象的力能特征分类,,小型突出突出强度＜50t／次；中型突出突出强度50～99t／次；次大型突出突强度100～499t／次；大型突出突出强度500～999t／次；特大型突出突出强度＞1000t／次。,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,,按动力现象的强度分类,强度分类的主要依据是抛出的煤（岩）质量,,,突出煤层；突出矿井；突出危险区和无突出危险区；突出危险工作面；无突出危险工作面。,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,,按突出危险程度分类,根据防突规定的相关要求，突出危险程度的划分如下,根据国内外资料，岩石与瓦斯突出一般具有如下规律,岩石与瓦斯突出大都发生在构造破坏带；国外的岩石与瓦斯突出，都发生在爆破时；岩石与瓦斯突出后，在岩体中形成一定形状的空洞。,一、煤与瓦斯动力现象的分类及其危险程度的划分,,岩石与瓦斯突出,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,（一）突出假说（二）突出过程现场测定实例（三）突出力能计算（四）化学本质说（五）综合作用假说,,,瓦斯为主导作用的假说地应力作用说化学本质说综合作用假说（国内外大多数学者认可）,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出假说,煤与瓦斯的突出机理是指煤与瓦斯突出的发动、发展和终止的原因、条件及过程。根据现场统计资料及实验研究提出的各种假说。归纳起来，这些假说可分为四类,,认为突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用的结果。较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面的主要因素。主要包括振动说、分层分离说、破坏区说、动力效应说、游离瓦斯压力说、能量假说和应力分布不均匀说。我国学者还提出了发动中心说、流变说、球壳失稳说和煤与瓦斯突出的力学作用机理等。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出假说,综合作用假说,认为突出是由煤的变形潜能和瓦斯内能引起的。含瓦斯煤层发生煤与瓦斯突出的条件，可简化为13-1式中煤的弹性能；瓦斯的膨胀能；煤破碎到标志突出特征的粉煤时的能量。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出假说,能量说,,,应力分布不均匀说该假说认为突出煤层的围岩中具有较高的不均匀分布的应力，其主要原因是地质构造运动，个别情况下是由于采掘过程引起的（如留煤柱、冒顶等）。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出假说,,实测简介试验地点在南井290m水平南西二半抬高石门揭穿背斜西翼K10煤层处，如图13-1所示。,图13-1中梁山矿石门揭K10煤层实测突出参数布置示意图1西太高石门；2西小茅口灰岩巷,图中№.1、№.2钻孔用于测定突出过程中瓦斯压力的变化，№.3钻孔用于测定突出过程中瓦斯流量的变化，№.4用于测定突出过程中煤层温度的变化。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出过程现场测定实例,中梁山煤矿突出过程现场测定,,,实测结果突出发展过程现场实测结果如图13-2、13-3所示。,图13-2中梁山矿石门揭煤层突出时各参数变化曲线，－分别为No.1、No.2钻孔测得的瓦斯压力变化曲线；－No.3钻孔测得温度变化曲线；－No.4钻孔测得瓦斯流量变化曲线；最上面的横线表示声响与时间的关系,图13-3中梁山矿石门揭煤层突出实测综合曲线,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出过程现场测定实例,,考察方法考察巷道超前杰列卓夫卡煤巷工作面90m，考察范围75m，如图13-4（a）所示。从考察巷道向杰列卓夫卡煤层施工56个钻孔，钻孔布置成3排，与水平倾角分别的0、22和34，如图13-4（b）所示。,（a）巷道布置平面图,（b）巷道及考察孔布置剖面图,图13-4537m水平杰列卓夫卡煤层考察巷道布置示意图,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出过程现场测定实例,前苏联煤巷突出测定,,考察结果（1）原始的透气性及瓦斯压力测定的煤层原始瓦斯压力如图13-5所示。,图13-5K3煤层原始瓦斯压力测定结果,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出过程现场测定实例,,（2）掘进工作面前方应力分布用震动放炮掘进煤层巷道时，观测到工作面前方存在三个带，分别为卸压排放带、压力集中带和原始煤体带，如图13-6所示,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出过程现场测定实例,自重应力在铅垂方向（13-2）在水平方向（13-3）地质构造应力在水平方向（13-4）甚至更高采动集中应力在铅垂方向（13-5）煤体自重力在铅垂方向（13-6）,式中地层平均密度，t/m3；重力加速度，m/s2；煤层埋藏深度，m；煤的密度，t/m3；突出孔垂高，m；以上各应力的单位为MPa。,,,,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出力能计算,煤体内存在着地应力（包括自重应力、地质构造力和采动集中应力）、瓦斯压力和煤的自重重力。,地应力,,一般情况下破碎煤体的主导力是地应力，特别是当存在地质构造应力时。但煤的破坏速度随着瓦斯压力梯度的增加而加快，见表13-1.,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出力能计算,,单向应力状态（13-7）三向应力状态（13-8）,,式中煤的弹性变形潜能，MJ/m3；煤的平均应力，MPa；分别为三个方向的主应力，MPa；煤的泊松比；煤的弹性模量，MPa。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出力能计算,煤体的弹性潜能,在突出全过程中，瓦斯的膨胀过程是比较复杂的。根据热力学，可用下式大致估算每吨煤的膨胀内能,,（13-9）,式中参与突出过程做功的吨煤瓦斯内能，MJ/t；参与突出过程做功的吨煤瓦斯涌出量，从突出时实测资料得出，该值大体上接近于煤内游离瓦斯含量，m3/t；煤抛出后工作面中的瓦斯压力，可按大气压力计算（0.1MPa）；突出前煤层的瓦斯压力，MPa；过程指数，对于等温过程n1对于绝热过程n1.31（CH4）对于多变过程n1～1.31。,,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出力能计算,瓦斯内能,,,从多数突出实例来看，突出的全过程接近于绝热过程，因此，近似计算可取1.25，并取0.1MPa，则上式可简化为,,（13-10）,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出力能计算,,地应力条件一般说来，地应力在突出中的作用有以下3点（1）围岩或煤层的弹性变形潜能做功，使煤体产生突然破坏和位移。（2）地应力场对瓦斯压力场起控制作用，围岩中的高地应力决定了煤层的高瓦斯压力，从而促进了瓦斯压力梯度在破坏煤体中的作用。（3）煤层透气性也取决于地应力状态，当地应力增加时，煤层透气性按负指数规律降低。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,突出发生的条件在研究突出发生条件时，必须首先研究地应力、瓦斯与煤的结构条件。,,应力状态的突然变化一般有下述几个原因（1）巷道进入地质破坏区。（2）石门揭开煤层时，如图13-7所示。（3）工作面迅速推进时，如爆破、打钻等，如图13-8所示。（4）巷道从硬煤带进入软煤带，如图13-9所示。（5）煤层突然加载，如巷道顶板下沉等，如图13-10所示。（6）煤层突然卸压，如悬臂梁的突然断裂，如13-11所示。（7）煤的冒落，如图13-12所示。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,图13-7石门揭开煤层时的潜能释放1石门；2煤层；3揭开前围岩和煤层中的潜能分布曲线；4解开后煤层中的潜能分布曲线,图13-8在工作面迅速推进时弹性潜能释放曲线1煤层；2工作面用普通速度掘进时释放的能量；3工作面迅速掘进时释放的能量,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,图13-9巷道从硬煤带进入软煤带时的潜能释放曲线1、2分别为硬煤和软煤；3掘进开始时煤层近工作面地带的潜能分布曲线；4从硬煤带转入软煤带后的能量分布曲线,图13-10煤层突然加载时煤层的潜能释放曲线1煤层；2直接顶；3基本顶；4煤层潜能分布曲线（画剖面线的区域为补充给煤层的能量）,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,图13-11煤层突然卸压时的潜能释放曲线1煤层；2直接顶；3基本顶；4卸压前煤层潜能的分布曲线；5由于顶板和底板以收敛角移近的结果而挤压煤层时煤层的潜能分布曲线（画剖面线的区域为卸压时释放的能量）3掘进开始时煤层近工作面地带潜能分布曲线；4从硬煤带转入软煤带后的能量分布曲线,图13-12煤层冒落时激发的突出1煤层；2煤冒落前煤层的应力和潜能分布曲线；3冒落前煤层的瓦斯应力分布曲线；4没有突出时冒落后的应力和潜能分布曲线；5煤层在应力、高瓦斯应力区段的暴露面4从硬煤带转入软煤带后的能量分布曲线,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,瓦斯条件对于煤体有三方面的作用（1）全面压缩煤的骨架，促使煤体中产生潜能。（2）吸附在微孔表面的瓦斯分子，对微孔起楔子作用，因而降低煤的强度。（3）具有很大的瓦斯压力梯度，从而造成作用于压力降低方向的力。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,煤结构和力学性质条件煤结构和力学性质与发生突出的关系很大，因为煤体和煤的强度性质抵抗破坏的能力、瓦斯解吸和放散能力、透气性能等，都对突出的发动与发展起着重要作用。一般来说，煤越硬、裂隙越小，所需的破坏功越大，要求的地应力和瓦斯压力越高；反之亦然。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,突出过程及其特点突出过程可划分为四个阶段（1）准备阶段突出煤体经历着能量的积聚过程，使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态。（2）激发阶段该阶段的特点是地应力状态突然改变，即极限应力状态的部分煤体突然破坏，向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,突出发生的机理,,,（3）发展阶段该阶段具有两个互相关联的特点，一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体；二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。图13-13是顿巴斯“红十月矿”m2煤层回采工作面一次突出的震动波图与突出孔的形成过程。,图13-13突出空洞的形成过程（a）及震动波实测曲线图（b）,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,,（4）终止阶段。突出的终止有以下两种情况一是在剥离与破碎煤体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低不足以破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高，地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离与破碎煤体。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,,,地应力与瓦斯压力在突出过程中的作用地应力、瓦斯在突出过程的各个阶段所起的作用可以是不同的。在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力（包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等），因为地应力的大小通常比瓦斯压力高几倍；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯内能。,二、突出假说、突出过程现场测定实例和突出机理,,突出发生条件与突出机理,三、突出发生的一般规律,（一）突出点的区域性分布与地质构造（二）突出危险性随采深的增加而增大（三）突出危险煤层的厚度（四）突出危险与巷道类型（五）突出危险与采掘工艺（六）突出预兆（七）突出孔洞形状各异（八）特大型突出的特点,,,尽管在地质条件简单的地点也发生突出，但是多数典型的煤和瓦斯突出及大强度突出发生在构造破坏带；同一矿井、同一煤层在不同地点的突出危险性也是不同的，即所谓的突出区域性分布。一般来说，突出危险区呈带状分布。,三、突出发生的一般规律,,突出点的区域性分布与地质构造,,,,对同一矿区的同一煤层，由于随着开采深度的增加，其地应力和瓦斯压力也相应增大，因此其突出危险性也相应增加。随着深度的增加，突出的危险性增高，这表现在突出的次数增多、突出的强度增大、突出煤层数增加、突出危险区域扩大（从浅部的“点”突出，发展到中部的“多点”突出，甚至再发展到深部的几乎点点突出）。,三、突出发生的一般规律,,突出危险性随采深的增加而增大,,,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，厚煤层或相互接近的煤层群的突出危险性比单一薄煤层大。对于同一煤层，当其厚度由薄变厚时，突出危险性有增大趋势。,三、突出发生的一般规律,,突出危险煤层的厚度,,,南桐矿务局的统计资料清晰的表明煤层的突出危险性随着煤层厚度的增大而增大，如表13-2所示。,三、突出发生的一般规律,,突出危险煤层的厚度,,,,三、突出发生的一般规律,,突出危险煤层的厚度,,,突出主要发生在巷道掘进工作面、回采工作面等井下最前方的作业区，而极少发生在采空区、已建成的巷道或已采区域内的掘进中。如表13-3所示。根据国内一些典型煤炭企业的突出统计资料，巷道或采煤工作面发生突出的概率由大到小排序为平巷、回采工作面、上山、石门、下山、大直径钻孔及其它。,三、突出发生的一般规律,,突出危险与巷道类型,,,,三、突出发生的一般规律,,突出危险与采掘工艺,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。,,地压显现方面的预兆有，煤炮声、支架声响、掉碴、岩煤开裂、底鼓、岩与煤自行剥落，煤壁外鼓、来压、煤壁颤动、钻孔变形等。瓦斯涌出方面的预兆有，瓦斯浓度增大，瓦斯涌出忽大忽小，打钻时顶钻、卡钻和抱钻，钻孔喷瓦斯，煤壁或工作面温度降低等。煤力学性能与结构方面的预兆有，层理紊乱、煤强度松软或软硬不均、煤暗淡无光泽、煤厚变化大、倾角变陡等等。,三、突出发生的一般规律,,突出征兆,在突出前大都有预兆，它是突出准备阶段的外部表现。预兆大体可分为三个方面,,,,煤与瓦斯突出孔洞的位置及形状是各式各样的，各类突出孔洞的特征如表13-4所示。,三、突出发生的一般规律,,突出孔洞形状各异,,,绝大多数特大型煤与瓦斯突出都发生在石门穿过危险煤层的过程中，在回采工作面也发生过特大型突出；绝大多数特大型煤与瓦斯突出都是放炮引起的。放炮与突出往往有几分钟甚至几小时的延迟时间；特大型煤与瓦斯突出时的瓦斯量（有时是二氧化碳）都很大，可达到吨煤80～100m3；多数特大型突出都发生在由地质构造变化而引起的煤层厚度变化地带；发生特大型突出的煤层几乎都有厚度不等的软分层存在，或是煤层本身就比较松软，破坏类型较高。尤其是软分层结构分散，多呈粒状或粉末状，易于破碎。在地质构造变化带，往往形成强烈的揉皱煤，层理和节理遭到破坏。,三、突出发生的一般规律,,特大型突出的特点,我国特大型煤与瓦斯突出有下述特点,