防治煤與瓦斯突出基礎知識

防治煤與瓦斯突出基礎知識

 
 煤與瓦斯突出是煤礦中一種極其復雜的動力現(xiàn)象，它是威脅煤礦安全生產(chǎn)的嚴重自然災害之一，如果由于煤與瓦斯突出引起瓦斯爆炸和火災事故，后果更為嚴重。因此，如何防止煤與瓦斯突出，確保礦井安全生產(chǎn)事關重大。世界各國在防治突出方面雖進行了大量的工作，但到目前為止，對各種地質(zhì)、開采條件下突出發(fā)生的規(guī)律還沒有完全掌握，也未能完全杜絕突出發(fā)生。對煤礦安全生產(chǎn)來看，防治突出的任務有兩個方面：一是防止突出發(fā)生，或減少突出的頻率和強度；二是避免突出造成人身傷亡事故。
 一、煤與瓦斯突出的概念
 煤與瓦斯突出是指煤與瓦斯在一個很短的時間內(nèi)突然地自煤（巖）壁拋向巷道空間所引起的動力現(xiàn)象。在煤與瓦斯突出過程中，拋出的煤體有幾十噸至幾千噸，同時涌出大量的瓦斯充滿整個巷道空間。根據(jù)目前的研究結(jié)果，引起煤與瓦斯突出的動力有地應力和瓦斯的壓力。
 二、煤與瓦斯突出的危害
 1、產(chǎn)生的高壓瓦斯流，能摧毀巷道，造成風流逆轉(zhuǎn)、破壞礦井通風系統(tǒng)。
 2、噴出大量的煤巖造成埋住施工人員。
 3、井巷充滿瓦斯，造成人員窒息，引起瓦斯燃燒或爆炸。
 三、煤與瓦斯突出的形式及基本特征
 1、突出。地應力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，重力不起決定作用。
 （1）突出的向外拋出距離較遠，具有分選現(xiàn)象；
 （2）拋出的煤堆積角度小于自然安息角；
 （3）拋出的煤破碎程度較高，含有大量的煤塊和細小的煤粉；
 （4）有明顯的動力效應，破壞支架、推倒礦車、破壞和拋出安裝在巷道內(nèi)的設施；   
 （5）有大量的瓦斯噴出，瓦斯噴出量大大超過突出煤的瓦斯含量，有時會使風流逆轉(zhuǎn)；
 （6）突出的孔洞呈口小腔大的梨形、舌型、倒瓶形以及其它特殊的形狀。
 2、壓出。主要因素是受采動影響所產(chǎn)生的地應力，瓦斯壓力和煤的自重是次要因素。
 （1）壓出有兩種形式，即煤的整體位移和煤有一定距離的拋出，但位移和拋出的距離都較?。?br />  （2）壓出后，在煤層與頂板之間的裂隙中，常留有細煤粉，整體位移的煤體上有大量的裂隙；
 （3）壓出的煤呈塊狀，無分選現(xiàn)象；
 （4）巷道瓦斯涌出量增大；
 （5）壓出可能無孔洞或口大腔小的楔形孔洞。
 3、傾出。主要因素是地應力和重力。
 （1）傾出的煤就地按自然安息角堆積，并無分選現(xiàn)象；
 （2）傾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞軸線沿煤層傾斜或鉛垂方向發(fā)展；
 （3）無明顯的動力效應；
 （4）傾出常發(fā)生在媒質(zhì)松軟的急傾斜煤層中；
 （5）巷道瓦斯涌出量明顯增加。
 四、突出危險煤層的基本特征
 突出煤層和非突出煤層在媒質(zhì)、結(jié)構(gòu)、賦存條件以及特征等方面存在著明顯的差異，這些差異是煤層突出危險性評價的依據(jù)。一般來說，突出危險煤層具有以下特征：
 1、具有較高的變質(zhì)程度。
 2、具有較高的瓦斯壓力和瓦斯含量。（0.74MPa，8m3/t）
 3、透氣性較低，頂?shù)装逡话銥榉忾]型。
 4、結(jié)構(gòu)破壞類型較高、強度低。（III、IV、V類，f<0.5）
 5、瓦斯放散初速度較大。10m2MPa·d
 6、突出危險煤層具有明顯區(qū)別于非突出煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。大孔多，小孔少。
 ★在突出煤層中有下列情況之一的，視為突出危險工作面：
 1、在突出煤層的構(gòu)造破壞帶，包括斷層、褶曲、火成巖侵入等；
 2、煤層賦存條件急劇變化的區(qū)域；
 3、采掘應力疊加的區(qū)域；
 4、在工作面預測過程中出現(xiàn)噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象；
 5、工作面出現(xiàn)明顯的突出預兆。
 五、煤與瓦斯突出的一般規(guī)律
 （1）隨著開深程度的增加，突出的危險性增大。
 （2）突出強度隨煤層的厚度，特別是軟分層厚度的增加而增加。
 （3）瓦斯含量和瓦斯壓力越大，突出危險越嚴重。突出的氣體主要是瓦斯，少數(shù)情況下突出二氧化碳。
 （4）煤體破壞程度越嚴重，煤的強度越小，突出危險越大。
 （5）由上向下的突出占大多數(shù)，由下向上的突出是極少數(shù)。突出的危險性隨著煤層傾角的增大而增加。
 （6）突出與地質(zhì)構(gòu)造有密切關系。
 （7）在采掘形成的應力集中地區(qū)，突出危險性增加。
 （8）與其他類型的巷道相比，石門揭煤的突出危險性最大，突出強度也最高，突出一般以煤巷掘進時較多，回采工作面次之。
 （9）突出主要發(fā)生在工作面放炮時，其他有震動的作業(yè)或冒頂也能誘發(fā)突出。
 （10）煤層頂、底板的透氣性越差，越有利于煤層瓦斯的儲存，其突出危險性也越大。
 （11）突出前一般都有預兆：煤體和支架壓力增大，煤壁移動加劇，煤向外鼓出，掉碴，煤脫落，煤塊射出，有劈裂聲、煤炮聲、似跑車一樣的悶雷聲，煤塵變大，瓦斯忽大忽小，溫度降低或升高，頂鉆或夾鉆，煤硬度變化，煤質(zhì)干燥、光澤變暗、層理紊亂等。掌握預兆，及時采取措施，對保證人員安全是非常重要的。
 
 六、各類巷道突出的特點
 巷道類型不同，突出的條件也不同，這就引起突出諸因素的作用發(fā)生一定的變化，形成突出的各自特點。
 （一）石門突出
 石門突出有三種類型：爆破揭開煤層時的突出、延期突出、過煤門時的突出。其中以放炮揭開煤層時的突出所占比重最大，因為它對發(fā)生突出的條件來講最有利。
 1、爆破揭開煤層時的突出
 石門揭開煤層前，如煤層內(nèi)的瓦斯未經(jīng)排放，保存著原始的高瓦斯壓力。當放炮揭開煤層的瞬間，在很高的瓦斯壓力和一定的地應力共同作用下，就可能造成暴露的煤（巖）壁的表層突然破碎，破碎的煤（巖）被膨脹著的高壓瓦斯所攜帶拋向巷道，這種連鎖破碎拋出過程使突出向煤體深部擴展。從突出類型來看，爆破揭開煤層時的突出絕大部分屬于瓦斯突出類型，除具有瓦斯突出的基本特征外，還有以下特征：
 （1）靠近突出點一段距離的直巷幾乎被突出煤堵滿，彎曲巷道或上山也有堆積；
 （2）有時只有煤層的某一分層或某幾個分層突出，突出孔洞沿這些分層擴展；
 （3）突出孔洞位置和深度主要受瓦斯壓力和煤結(jié)構(gòu)分布的控制，在許多大突出中，突出孔洞往往深入到巷道集中應力帶以外很遠，深度超過10米以上。
 預防揭開石門的突出最主要的是采取預排巷道周邊一定范圍內(nèi)煤體瓦斯的措施。對于由底板方面揭開煤層的石門，應重點預排石門頂幫煤體的瓦斯；對于從頂板方面揭開煤層的石門，預排包括石門底部煤體在內(nèi)的石門四周煤體的瓦斯。
 2、延期突出
 這類突出是在放震動炮后遲延一段時間突然發(fā)生的，對安全生產(chǎn)威脅很大。關于延期突出的原因，還沒有完全研究清楚。發(fā)動突出，需要一定的時間，一般在幾秒到幾十秒以內(nèi)即可完成，但是延期突出所需要的時間較長，有的達幾小時到幾十小時。這說明，突出的發(fā)動和發(fā)展同時間因素有密切關系。如放炮時未突出，說明此時內(nèi)部條件未成熟，還需要一定的時間才能使突出的條件完備起來，在這段時間煤層內(nèi)發(fā)生著一定的變化，產(chǎn)生能量的積累過程。如果爆破后沒有及時支護或支護不合格，煤壁的穩(wěn)定性就會隨時間而逐步降低，硬煤體的應力逐漸升高，當煤體便突然破碎，瓦斯的推力也因裂隙的突然增加而成倍增加，導致突出的發(fā)生。
 預防延期突出的基本措施是，查清地質(zhì)，預排瓦斯，適當爆破，加強支護。
 3、過煤門時的突出
 煤層揭開時，由于高地應力的作用，煤的透氣性很低，因此煤門周圍煤壁附近仍然積蓄著高壓瓦斯，煤壁附近煤體也存在著較高的應力狀態(tài)，處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的過載煤體，哪怕是很小的震動力，也會使之失去平衡，誘發(fā)突出。這類突出有相當一部分是以地應力為主導力發(fā)動的。這時若某種原因，如放炮，誘發(fā)強大的地壓顯現(xiàn)時，煤體破碎，高壓瓦斯可將從煤巖拋出幾十米以外。
 預防這類突出，在技術上有卸壓和預排瓦斯兩種措施。在高地應力地區(qū)采取卸壓措施，如卸壓鉆孔、煤層注水、水力沖孔等，或者采取預排瓦斯措施，或者卸壓和預排瓦斯混合使用。這兩類措施都應有合格的支護措施相配合。
 在上述三類石門的突出中，以揭開煤層時的突出次數(shù)最多。除延期突出以外，其他幾類突出絕大多數(shù)為放炮所誘發(fā)。由于石門的突出強度最大，所以在揭開煤層或過煤門放炮時，都應嚴格執(zhí)行遠距離放炮措施，把人員撤到絕對安全地點，最好全部人員撤到地面，井下斷電，利用井下交接班時間在地面放炮。
 （二）煤巷平巷突出
 煤巷掘進中三種類型的突出都存在。與石門突出相比，煤巷瓦斯突出類型所占比重減少，而壓出與傾出類型所占比重增加，且突出的平均強度降低。在某些特殊場合，例如在應力集中系數(shù)很高的煤柱上下，特別是這個煤柱又位于有地質(zhì)構(gòu)造力的地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)時，煤層積累的彈性能往往很高，地應力大，煤的透氣性很低，能封閉住高壓瓦斯，當突出擴展到未經(jīng)排放瓦斯的煤體深部時，也會發(fā)生強度很高的突出，這是很值得注意的。因此，在地應力異常地區(qū)掘進巷道，突出的危險性大大增加，必須采取有效的預防措施。
 （三）上山突出
 上山掘進中三種類型的突出都有，但傾出類型明顯增多，在急傾斜煤層尤其如此。上山的突出強度在緩斜煤層與平巷差不多，在傾斜與急傾斜煤層比平巷突出的強度為小，這是煤的重力易于顯現(xiàn)的緣故。在突出煤層掘進上山，危險較高。
 （四）下山突出
 下山掘進中突出只見兩種類型，即突出于壓出。此時重力表現(xiàn)為突出阻力，所以一般不見傾出。強度與平巷差不多，一般無孔洞。
 （五）回采工作面突出
 許多礦區(qū)的突出統(tǒng)計資料指出，回采工作面發(fā)生突出現(xiàn)象較少。一般發(fā)生地地質(zhì)構(gòu)造復雜區(qū)域。
 （1）位于向斜軸部附近。
 （2）位于向斜軸和另一斷裂褶曲交匯地區(qū)。
 （3）位于小斷層群及頂板或底板凸起凹陷群區(qū)域。
 （4）煤厚及傾角突然變化區(qū)。
 七、煤與瓦斯突出的原因分析
 煤與瓦斯突出發(fā)生的前后，都有地應力、瓦斯和煤層的地質(zhì)構(gòu)造應力與力學性質(zhì)的種種異常表現(xiàn)，歸納起來，就是發(fā)生突出的三個主要因素：地應力、瓦斯和煤結(jié)構(gòu)。每次突出都有這三個因素同時起作用，前兩個因素是導致突出發(fā)生與發(fā)展的動力，后一個因素是阻礙突出發(fā)生的力。如果前兩個因素取得支配地位時，即加在煤體上的地應力與瓦斯壓力所引起的應力，大于煤的破壞強度時，就可能發(fā)生突出現(xiàn)象；當后一因素取得主導地位時，就不發(fā)生突出現(xiàn)象。如果在前兩個因素處于支配地位的地區(qū)，預先采取降低地應力與抽放瓦斯或提高煤的強度的措施，人為地造成后一因素取得主導地位的條件，那么突出危險就可消除，從而實現(xiàn)安全生產(chǎn)。
 （一）突出發(fā)生的具體原因
     突出礦井一般應有健全的組織機構(gòu)，較完善的管理制度，必要的技術裝備和防突措施，一般說，不應該發(fā)生突出事故。但由于各種因素影響，突出事故仍然時有發(fā)生，主要原因是:
    1、對防突工作思想麻痹，重視不夠，沒有按規(guī)定采取切實可行的防突措施。
     2、對防突綜合措施貫徹不力。
     3、執(zhí)行防突措施缺乏嚴肅性。
  4、不按《煤礦安全規(guī)程》和《防突規(guī)定》規(guī)定去認真制定有效的防突措施和建立措施效果檢驗制度。
 5、防突預測或效果檢驗失誤。
 6、疏于安全防護措施。
 7、缺乏先進、可靠的超前勘探構(gòu)造和突出危險預測的儀器裝備，在一定程度上影響了預測預報效果；也有的突出礦井當?shù)刭|(zhì)條件變化后，原有的防突措施、技術裝備、操作工藝已經(jīng)不適應，但一時未找到新的解決辦法。
 8、作業(yè)人員缺乏煤與瓦斯突出常識。例如對突出預兆缺乏認識和了解，又僥幸心理，未加防范。
 八、防突措施的發(fā)展
 就防突措施來看，可概括為三個發(fā)展階段。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，放震動炮誘導突出，以保證人身安全。第二階段為普遍采用防止突出技術措施的階段，即在石門揭開突出煤層，以及在突出煤層的采掘工作面，普遍采用防突措施，如開采保護層、超前鉆孔、松動爆破等，另輔助采用安全防護措施。第三階段為兩個“四位一體”綜合措施階段，使防突措施效果進一步提高。
 《防突規(guī)定》要求，在開采突出煤層時，必須采取兩個“四位一體”綜合措施，包括：
 區(qū)域綜合防突措施包括下列內(nèi)容：
 1、區(qū)域突出危險性預測；
 2、區(qū)域防突措施；
 3、區(qū)域措施效果檢驗；
 4、區(qū)域驗證。
 局部綜合防突措施包括下列內(nèi)容：
 1、工作面突出危險性預測；
 2、工作面防突措施；
 3、工作面措施效果檢驗；
 4、安全防護措施。
 突出危險性預測是防突綜合措施的第一個環(huán)節(jié)。預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)行更加有針對性。
 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)生突出事故的第一道防線，即防止突出發(fā)生。防突措施僅在預測有突出危險的區(qū)域和區(qū)段應用。
 防突措施的效果檢驗是防突綜合措施的第三個環(huán)節(jié)，目的是在措施執(zhí)行后檢驗預測指標是否降到突出危險值以下，以保證防突措施的防突效果。
 安全防護措施防突綜合措施的第四個環(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測失誤或防突措施失效發(fā)生突出時，避免人身傷亡事故。
 九、結(jié) 語
 防治煤與瓦斯突出是一項復雜的系統(tǒng)工程，防突工作任重道遠。在防治煤與瓦斯突出的工作中，人們一直在兩個方面進行著不懈的努力。其一，研究煤與瓦斯突出的機理，掌握突出的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，以便用理論指導實踐。但是由于突出是一種特別復雜的過程，人們尚未在理論上完全認識清楚突出的本質(zhì)，至今還沒有一種直接由突出理論導出的突出預測方法或防治方法用于煤礦現(xiàn)場。其二，研究煤礦現(xiàn)場使用的突出預測方法和突出防治方法。這種研究主要以現(xiàn)場的經(jīng)驗為基礎，對與突出有關的資料進行總結(jié)，形成一些便于現(xiàn)場應用的方法，然后在實踐中不斷改進。由于影響突出的因素較多，各礦區(qū)的地質(zhì)條件也不一樣，存在著突出預測臨界值隨礦井的不同而不同，防突措施效果差別較大。但只要我們牢固樹立突出事故是可防可控的思想，堅定必勝信心，采取科學合理的綜合防突措施，我們一定能夠戰(zhàn)勝突出這種自然災害。