瓦斯喷出和煤与瓦斯突出及其预防.ppt

,第五节瓦斯喷出和煤与瓦斯突出及其预防,,第五节瓦斯喷出和煤与瓦斯突出及其预防一、我国煤矿瓦斯突出情况简介1834年3月22日，法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次有记载的突出。1879年4月17日，比利时的阿格拉波2号井，发生了当时在世界上第一次猛烈的突出。突出强度420t煤，瓦斯50万m3以上。最初瓦斯喷出量2000m3／min以上。瓦斯逆风流从提升井冲至地面，距该井口23m处绞车附近的火炉引燃了瓦斯，火焰在井口上高达50m，井口建筑物烧成一片废墟，2小时后火焰将熄灭时，又连续发生7次瓦斯爆炸每隔7min一次，死亡121人。迄今为止，世界各主要产煤国家都发生过煤和瓦斯突出现象。世界上最大的一次煤与瓦斯突出发生在1969年7月13日前苏联的加加林矿，突出煤炭14000t，瓦斯25万m3。我国有文字记载的第一次煤与瓦斯突出是1950年吉林省辽源矿区富国西二坑，在垂深280m煤巷掘进时发生突出。我国最大一次突出发生在1975年8月8日在天府矿区三汇坝一矿主平峒，突出煤炭12780t，喷出瓦斯120万m3。突出的严重的地区主要在东北的抚顺、湖南白沙、四川中梁山、南桐、天赋、山西的阳泉等地。西北地区突出的地区有两处，陕西韩城和甘肃窑街。我国突出的最浅的矿井是湖南白沙王庙煤矿仅50m，最大的是抚顺老虎台煤矿。突出的气体，除甘肃窑街三矿与吉林营城煤矿五井是CO2外，其余多为以CH4为主，而且这些绝大多数突出是发生在掘工作面，其中以石门揭穿煤层的突出强度为最大。,,二、矿井瓦斯喷出及其预防（一）瓦斯喷出的分类与特点大量的承压状态的瓦斯从可见的煤、岩裂缝中快速喷射涌出的现象叫作瓦斯喷出。由于瓦斯喷出在时间上与空间上的集中性和突然性，所以对安全生产的威胁很大。一旦发生，可以造成局部地区瓦斯积聚，甚至使采区或矿井的一翼充满高浓度瓦斯，致使人员窒息，也可能引起瓦斯爆炸或火灾等事故。按瓦斯从裂缝喷出显现的原因不同，可分为地质来源的和采掘地压形成的两大类。瓦斯沿原始地质构造洞缝喷出图2-23中梁山南井390m水平北茅口灰岩大巷瓦斯喷出地点地质构造示意图,,,图2-23中梁山南井390m水平北茅口灰岩大巷瓦斯喷出地点地质构造示意图1-北茅口灰岩大巷；2-北一石门；3瓦斯喷出裂缝,,1-北茅口灰岩大巷；2-北一石门；3瓦斯喷出裂缝高压瓦斯沿原始地质构造孔洞或裂缝喷出。这类喷出大多发生在地质破坏带包括断层带、石灰岩溶洞裂缝区，背斜或向斜轴部储瓦斯区以及其它储瓦斯构造附近有原始洞缝相通的区域。例如中梁山煤矿南井，309m水平北茅口灰岩大巷掘进中与石灰岩溶洞裂缝贯通发生瓦斯喷出。1960年月4日，北一石门北56m处，放炮揭穿连通溶洞的两条横向裂缝，缝宽10mm～l00mm，随炮声响起，一声轰鸣，像压气管破裂似的大量瓦斯喷出，“雾”气弥漫，充满整个回风巷道。两小时后测得流量为486m3／min，喷出持续两周，共喷出瓦斯36万m3。此处正处在背斜轴部区，距断层破坏带约40m。茅口灰岩位于煤层群底板，如图2-23所示。,,2．瓦斯沿采掘地压形成的裂缝喷出高压瓦斯沿采掘地压显现生成的裂缝喷出。这类喷出也往往与地质构造有关，因为在各种地质构造应力破坏影响区内，原有处于封闭状态的构造裂隙在采掘地压与瓦斯压力联合作用下很容易张开、扩展开来，成为瓦斯喷出的通路。若地压显现是突然发生，瓦斯喷出也必然是突然。这类喷出前均有预兆地压活动显现加剧，支架来压破坏，煤层变软、湿润、瓦斯发出的流动声响等。掘进工作面所发生的这类喷出，都发生在距掘进工作面一定距离例如20m～30m的巷道内。,,（二）瓦斯喷出的预防加强地质工作。施工前一定要通过前探钻孔探明采掘区域与岩巷井前方的地质构造，溶洞裂缝的位置分布以及瓦斯的储量。利用封堵、引排、抽放等综合方法处理瓦斯。当喷出量小，裂缝不大时，可用罩子或其它设施铁风筒。金属溜槽或2mm～3mm厚的铁板等将喷出裂隙封盖好，并利用管路把瓦斯引排到回风巷或地面。如果面积大，可以安设数个引排罩。设置引排罩时，先在喷出口周围挖出30mm～40mm的沟槽，然后用引排罩盖上，在罩子四周用混凝土或黄泥填实，利用管路借助瓦斯压力排出或在6.665kP负压下抽出。如图2-24-b所示。图2-241-引排瓦斯罩；2-软管；3-瓦斯管不能使用引排罩时，可以打钻孔抽放。钻孔直径为45mm～110mm．也可以先砌筑混凝土井壁或巷道碹体，然后在碹壁外注水泥浆封固，同时壁后插管可将瓦斯引排到回风流或地面，如图2-24-ａ所示。当瓦斯喷出十分强烈不能采用上述方法时，必须把喷出瓦斯巷道密闭。通过密闭墙把瓦斯抽出或引入回风巷。3．加强管理工作。加强职工安全教育，人人掌握瓦斯喷出预兆，配备隔绝式自救器，熟悉避灾路线。,,,图2-241-引排瓦斯罩；2-软管；3-瓦斯管,,三、煤与瓦斯突出的规律、机理（一）煤与瓦斯突出的分类1．按突出现象的力学特征分类1煤与瓦斯或二氧化碳突出简称突出。发动突出的主要因素是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力作用为主，瓦斯压力作用为辅，重力不起决定作用，实现突出的基本能源是煤内储存的高压瓦斯能。2煤突然压出并涌出大量瓦斯简称压出。发动与实现煤压出的主要因素是受采动影响所产生的地应力，瓦斯压力与煤的重力是次要的因素。3煤突然倾出并涌出大量瓦斯简称倾出。发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、饱含瓦斯、内聚力小的煤，在较高的地应力作用下，突然破坏，失去平衡，为其位能的释放创造了条件。实现突然倾出的主要力是失稳煤体的自身重力。,,2．按突出的强度进行分类突出强度是指每次突出抛出的煤岩数量和涌出的瓦斯量。出于瓦斯量的计量较难，暂以煤岩数量作为划分强度的主要依据。据此，可分为1小型突出，强度小于100t；2中型突出强度100t含100t至500t；3大型突出强度500t含500t至1000t；4特大型突出强度等于或大于1000t。,,（二）瓦斯突出的分布特点1．从地理分布来看，我国突出分布的总规律是南方多、北方少，东部多、西部少。根据全国煤与瓦斯突出分布的不均衡性，可将我国分为6个煤与瓦斯突出区域华南区、华北区、东北区、西北区、西藏区、台湾区，其中以华南区突出最严重。根据突出次数和严重程度，大体依次为湖南、四川、贵州、江西、辽宁、黑龙江、河南、山西、吉林、广东、广西、江苏、河北等省。2．从成煤时代分布来看，由最老的早石炭纪煤层如湖南金竹山地区到最新的第三纪煤层如抚顺都有突出发生。但突出最严重的是华南晚二叠世龙潭组煤系，其次是晚侏罗世和早第三纪煤系，然后是石炭二叠纪的太原组。,,3.突出分布的不均衡性是普遍现象。如我国南、北方和东、西方的不同，各时代煤系的不同，都是这种不均衡性的反映。从全国、省区、矿区、矿井，甚至从采区来看，这种不均衡性都是存在的。4.突出分布的不均衡性是普遍现象。如我国南、北方和东、西方的不同，各时代煤系的不同，都是这种不均衡性的反映。又如严重突出的四川天府煤矿，其南井的背斜东翼无突出；四川南桐矿区突出严重，但该矿区的直属四矿和红岩矿瓦斯突出并不严重；山东瓦斯普遍很低，但莒县煤矿不但瓦斯含量高，而且还有突出现象。总之，从全国、省区、矿区、矿井，甚至从采区来看，这种不均衡性都是存在的。,,（三）瓦斯突出的基本规律国内外煤与瓦斯突出的统计资料表明，发生瓦斯突出有如下规律；1．地压是发动突出的主要动力突出的危险性随着煤层埋藏深度的增加而增大。一般矿井发生突出的最浅深度约为瓦斯风化带深度的2倍。随着深度的增加，突出的危险性增高，表现为突出次数增多、强度增大、突出煤层数增加、突出危险区域扩大。2采掘工作形成的集中应力区是突出点密集区。3突出危险区集中在地质构造带，呈带状分布。向斜轴部地区、背斜构造中部隆起地区、地层扭转、断层附近、火成岩侵入形成的变质煤与非变质煤的交界附近等地区都是突出点密集地区，也是大型甚至特大型突出发生的地区。4产生强烈震动的采掘作业可能诱导突出。5受煤自重影响，上山掘进头发生突出的次数多，强度小，下山掘进头发生突出的次数少，强度稍大。,,2．瓦斯是抛出煤体和完成突出过程的主要动力突出危险煤层的瓦斯压力一般在0．7～1MPa，同一煤层中瓦斯压力越高的区域，突出危险性越大。2突出危险煤层的瓦斯含量和开采时的瓦斯涌出量都在10m3／t以上，突出发生时吨煤瓦斯喷出量是煤层瓦斯含量的几倍至几百倍。3突出气体的种类主要是甲烷，个别矿井突出二氧化碳。,,3．煤的物理力学性质决定突出发生发展的难易1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多。突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层。2突出的危险性随煤层倾角的增大而增加。3突出煤层的特点是强度低，手能捻成粉末；煤层结构软硬相间，至少存在2个以上的软分层；光泽暗淡，层理紊乱，煤质松软，湿度小，透气性低透气系数小于10m2/MPa2．d，瓦斯放散初速度高。,,4．大多数突出都有预兆。它主要表现在三个方面1地压显现方面的预兆煤炮声，支架声响，煤岩开裂，掉碴，底鼓，岩煤自行剥落，煤壁颤动，钻孔变形，垮孔顶钻，夹钻杆，钻机过负荷等；2瓦斯涌出方面的预兆瓦斯涌出异常，瓦斯浓度忽大忽小，煤尘增大，气温、气味异常，打钻时喷瓦斯、喷煤、哨声、风声、蜂鸣声等；3煤层结构与构造方面的预兆层理紊乱，煤强度松软或不均匀，煤暗淡无光泽，煤层厚增大，倾角变大，挤压褶皱，波状隆起，煤体干燥，顶底板阶梯凸起、断层等。,,四、煤与瓦斯突出的危险性预测在开采突出煤层时，必须采取以防止突出的措施为主、同时有避免人身伤害事故的四位一体的综合防突措施，其内容应包括突出危险性预测；防止突出措施；防治突出措施的效果检验及安全防护措施。突出预测是综合措施中的第一个环节，准确地预测煤层的突出危险性，不仅有利于安全生产，而且能正确地指导防突措施的应用，提高采掘进度，取得良好的经济效益。,,一煤层突出危险性预测的分类和突出危险性划分⒈煤层突出危险性预测的分类煤层突出危险性预测分为区域突出危险性预测简称区域预测和工作面突出危险性预测简称工作面预测或称突出预报。1区域预测是预测煤层和煤层区域包括井田、新水平和新采区的突出危险性，并应在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓时进行。2工作面预测包括石门揭煤工作面，煤巷掘进工作面和回采工作面的预测。它应预测工作面附近煤体的突出危险性，并应在工作面推进过程中进行。,,2．突出危险性划分突出煤层经区域预测后可划分为突出危险区域和突出威胁区域。1在突出危险区域内，工作面进行采掘作业前应进行工作面预测。经预测后，可划分为突出危险工作面和突出威胁工作面。1在突出危险工作面进行采掘作业前，必须采取防治突出措施。采取防突措施之后还必须对其效果进行检验，经检验证实有效后，方可采取安全防护措施进行作业。2在突出威胁工作面进行采掘作业时，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，可分为突出危险工作面和突出威胁工作面。在突出威胁工作面进行采掘作业时可不采取防治突出措施，但必须采取安全防护措施。2在突出威胁区域内，采掘工作面每推进50m～100m，应连续进行不少于两次的检验性工作面预测。其中任何一次预测为有突出危险时，该工作面即应预测为突出危险工作面，该区域应改划为突出危险区域。当工作面经连续两次检验性工作面预测均为突出威胁工作面时，该工作面仍可定为突出威胁工作面。,,二突出危险性预测预报方法1．区域突出危险性预测D法和K法的综合指标，可作为预测区域突出煤层的常用方法。D法指标、K法指标计算公式D＝（0.0075－3）（p－0.74）（2-12）K＝（2-13式中D──煤的突出危险性综合指标之一，若式中两个括号内的计算值都为负时，则不论D值大小，都为突出威胁区域；K──煤的突出危险性综合指标之二；H──开采深度，m；P──煤层瓦斯压力，取两个测压孔实测瓦斯压力的最大值，MＰa；△P──煤层中软分层煤的瓦斯放散初速度值；f──煤层中软分层的平均坚固性系数。根据以上两式计算,只有当D、K同时满足突出危险临界值时,才能确定该区域为突出危险区域，如表2-10。,,,,采用综合指标法对煤层进行区域预测时，应符合下列要求1在岩石工作面向突出煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层瓦斯压力。2在打测压孔的过程中，每米煤孔采取一个煤样，测定煤的坚固性系数。3将两个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均，作为煤层软分层的平均坚固性系数。4将坚固性系数最小的两个煤样混合后，测定煤的瓦斯放散初速度值。,,,2．采掘工作面突出危险性预测采掘工作面用钻粉瓦斯流量法预测，预测方法如下1在煤层掘进工作面打2个倾斜或急倾斜煤层或3个缓倾斜煤层直径42mm、深5.5m～6.5m的钻孔。钻孔应布置在软分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行于掘进方向，其它钻孔的终孔点应位于巷道轮廓线性外1.5m处。2钻孔每打lm，测定钻屑量体积和钻孔瓦斯涌出初速度。测定瓦斯涌出初速度时，测量室长度为lm。根据最大钻屑量和最大瓦斯涌出初速度按式2-14和（2-15）计算两个指标R1和R2的值R1＝Smax一1.8qmax一42-14R2＝Smax4.5qmax2-15式中Smax──每个钻孔的最大钻屑量，L／m；qmax──每个钻孔的最大瓦斯涌出初速度，L／min．m。根据以上二式计算的结果，参考表2-11的数值作为突出预报指标。,,,突出是十分复杂的动力现象，突出危险性取决于许多因素和这些因素的综合。各矿应根据各自的地质、开采条件及突出规律等具体情况选择最适用的指标和确定指标的临界值。,,四、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施防突措施一般分为两类一类是区域性措施，其目的在于使大面积煤层如一个采区失去突出危险性；另一类是局部措施，其目的在于使工作面前方小范围失去突出危险性。在采用防治突出措施时，应优先选择区域性防治突出措施。在不具备采取区域性防治突出措施的条件时，必须采取局部防治突出措施。一区域性防突措施区域性防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯以及煤层注水等三种。开采保护层是预防突出最有效、最经济的措施。,,1．开采保护层在开采煤层群的条件下，首先开采无突出危险、或突出危险较小的煤层,使距离它一定范围内的突出危险煤层受采动影响而减少或失去突出危险性,这个先开采煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层。位于突出危险层上方的保护层,称为上保护层，位于下方的叫下保护层。1开采保护层的作用开采保护层后被保护层将发生下述变化1地压减少，弹性潜能缓慢释放。2煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加，被保护层内的瓦斯大量排放到保护层的采空区内，瓦斯含量和瓦斯压力下降。3煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。总之，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地压和瓦斯，而且煤的机械强度增大。因此，在有条件的情况下，应优先采用这个简单、安全可靠和效果良好的措施。必要时，也可以将不可采煤层作为保护层开采。应当注意的是，在保护层的煤柱区域内被保护层仍有发生突出危险。2保护范围保护范围是指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。在这个范围内进行采掘工作，按无突出危险对待，不需要再采取其他预防措施；在未受到保护的区域，必须采取防治突出的措施。但是厚度等于或小于1.5m的保护层开采时，它的效果必须实际考察，如果效果不好，被保护层开采后，还必须采取其他的防治措施。,,,划定保护范围，也就是在空间和时间上确定卸压区的有效范围。突出危险矿井应根据实际观测资料，确定合适的保护范围，标明在矿井开采平面图上，如无实测资料，可参考下列数据。1垂直保护距离根据防治煤与瓦斯突出细则规定保护层与被保护层之间的有效垂距应根据各矿实际观察结果确定。未进行考察的矿井按表2-12所列数值选取。,,2沿倾斜方向的保护范围确定沿倾斜的保护范围就是沿倾方向划定被保护层的上、下边界。一般矿井的开采顺序都是由浅到深，上水平上阶段回采后，对被保护层的下水平下阶段能起到卸压作用，所以沿倾向的上部边界可不划定。如果煤层倾角平缓，沿倾斜的保护范围可能错开1～2个阶段，这时应将上下边界都划出。水平或阶段间留有煤柱时，必须划定该煤柱沿倾向的影响范围。执行说明规定，倾斜和缓倾斜煤层按岩石冒落角ψ１、ψ２划定，急倾斜煤层按煤层的法线向内减少７划定，如图2-25所示，图中A为保护范围。岩石冒落角应该实际测定，无测定资料时，可参考下列经验公式ψ1＝180β△α2-16ψ2＝180γ△＋α2-17式中ψ1、ψ2──岩石冒落角；β──倾斜方向采空区下边界岩石移动角，参见表2-13；γ──倾斜方向采空区上边界岩石移动角，γ＝90＋；△──冒落角与移动角之间的夹角，参见表2-13；α──煤层倾角。,,,,图2-25沿煤层倾斜的保护范围A-保护范围,,,3沿走向的保护范围Ａ．保护层回采工作面与被保护层采、掘工作面之间的超前距。规程规定，保护层的回采工作面，必须超前于被保护层的掘进工作面，其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30m。图2-26沿走向方向保护范围的划定1-保护层；2、3-突出危险煤层B．保护层回采工作面始采线两侧的保护范围，必须按实际考察结果确定。沿走向方向保护范围，就是确定保护层采空区左右两边缘开切眼与采止线采动后的保护界线。其确定方法是，在顶板方向为60斜线之内，在底板方向为45斜线之内。实践证明，这个范围是安全的如图2-26所示。开采保护层必须注意以下几点①如煤层群中有几个保护层时，应首先考虑上保护层。如果不得不开采下保护层时，要防止采动影响而破坏未采煤层结构。②矿井中所有煤层都有突出危险时，可选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，但在此保护层的采掘过程中，必须采取防治突出的措施。③保护层内不允许留煤柱，应全部采出。保护层开采后，在采空区上、下形成了卸压区，在其附近的煤柱未采区则产生了集中应力区。在集中应力区内，增加了突出危险性。④开采保护层时，应同时抽放被保护层的瓦斯。,,,图2-26沿走向方向保护范围的划定1-保护层；2、3-突出危险煤层,,2．预抽煤层瓦斯对于无保护层或单一突出危险煤层的矿井，可以采用预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施。3．煤层注水近些年来，国内外都在研究煤层注水防止煤和瓦斯突出问题。主要用在回采工作面。例如阳泉一矿北头咀井，在综采工作面进行浅孔煤体注水，使工作面压出次数减少82％少数几次压出发生在注水不充分区，瓦斯涌出量减少28％，煤尘降低49％。实践表明，只要能将水均匀地注入煤体，而且煤内水分达4％以上，就能防止突出的发生。其原因是水改变了煤的力学性质，增加了煤的可塑性，降低了煤的弹性模量，使应力分布均匀化，弹性能释放的速度变小，降低了释放的功率。采用反复间歇注水的效果比连续注水为好。适当地降低注水压力，可使煤体湿润得更加均匀，目前国内外使用的注水压力趋向低于8000kPa。,