煤與瓦斯突出的防治技術(shù)課件
軟件名稱: | 煤與瓦斯突出的防治技術(shù)課件 | |
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整理時(shí)間: | 2012-05-03 | |
軟件簡介: | 第二部分、煤與瓦斯突出的防治技術(shù) 一 . 煤與瓦斯突出機(jī)理 二 . “四位一體”綜合防突措施 三 . 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測 四 . 防治突出措施 五 . 防治突出措施的效果檢驗(yàn) 六 . 安全防護(hù)措施 一 . 煤與瓦斯突出機(jī)理(1) 突出機(jī)理就是解釋發(fā)生突出的原因和過程的理論。 煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,世界上許多產(chǎn)煤國家對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理開展了廣泛研究,提出了多種假說。 煤與瓦斯突出機(jī)理 (2) 1、 國外煤與瓦斯突出假說 瓦斯為主導(dǎo)作用的假說 地壓為主導(dǎo)作用的假說 化學(xué)本質(zhì)假說 能量假說 綜合假說 瓦斯為主導(dǎo)作用的假說 ?、偻咚拱f ?、诜勖簬дf ?、勖嚎紫督Y(jié)構(gòu)不均勻說 ?、芡怀霾ㄕf ?、萘严抖氯f ?、尥咚古蛎浾f ?、咝秮喭咚拐f ⑧火山瓦斯說 ?、岬刭|(zhì)破壞帶說 ?、馔咚菇馕f 地壓為主導(dǎo)作用的假說 ①巖石變形潛能說 ?、趹?yīng)力集中帶說 ?、奂羟袘?yīng)力說 ?、芩苄宰冃哉f ?、菡駝?dòng)波動(dòng)說 ⑥沖擊式移近說 ?、呃瓚?yīng)力波說 ?、鄳?yīng)力疊加說 ?、岱排谕怀稣f ⑩頂板位移不均勻說 化學(xué)本質(zhì)假說 ?、偻咚顾镎f ?、诒赫f ?、壑孛赫f ④地球化學(xué)說 ?、菹趸衔镎f 能量假說 蘇聯(lián)B.B.霍多特提出,長期以來在國際上享有盛譽(yù)。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從能量的觀點(diǎn)出發(fā),用數(shù)學(xué)方法分析計(jì)算了煤層的變形潛能Wt 、瓦斯內(nèi)能λ以及造成突出破壞需要的能量A ,提出了能量假說。 球殼失穩(wěn)假說 突出的發(fā)生發(fā)展是以球蓋狀煤殼的形成、發(fā)展及失穩(wěn)拋出為特點(diǎn)的 突出過程的實(shí)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)張并使形成的球殼失穩(wěn)破壞 瓦斯膨脹能是發(fā)動(dòng)突出的真正的動(dòng)力及能源 流變假說 含瓦斯煤巖體在外力的作用下,當(dāng)達(dá)到或超過其屈服載荷時(shí),則明顯地表現(xiàn)為時(shí)間上的三個(gè)階段,即變形衰減階段、均勻變形階段和加速階段 第Ⅰ、第Ⅱ階段對(duì)應(yīng)于突出的準(zhǔn)備階段,第Ⅲ階段是突出的發(fā)生發(fā)展階段,突出是含瓦斯煤巖體快速流變的結(jié)果 瓦斯、地應(yīng)力、煤的物理力學(xué)性質(zhì)和時(shí)間過程是突出的重要影響因素 綜合假說 50年代中期,蘇聯(lián)A.A.斯科琴斯基院士根據(jù)開采突出危險(xiǎn)煤層的經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)時(shí)科研工作的成果,提出煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、煤層瓦斯和煤層物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果。 目前綜合假說得到普遍認(rèn)同,是瓦斯突出防治技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 突出的動(dòng)力是 地應(yīng)力和 煤層中的瓦斯;突出的阻力是 煤層的物理力學(xué)性質(zhì)。這三者稱為煤與瓦斯突出的“三因素” 煤與瓦斯突出機(jī)理 (3) 3、煤與瓦斯突出的三因素: 〈1〉地應(yīng)力的作用 突出煤層中存在著地應(yīng)力,它包括上覆巖層自重應(yīng)力、地 質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力和采掘集中應(yīng)力,采掘工作面前方局部煤體內(nèi)存在一個(gè)集中應(yīng)力帶,這里的地應(yīng)力高于原始煤體的應(yīng)力,瓦斯壓力接近于原始煤體的瓦斯壓力。 地應(yīng)力的作用,一是使煤體產(chǎn)生位移和突然破碎,煤由靜 態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài);二是地應(yīng)力影響煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu),控制著瓦斯的流動(dòng)。由于工作面前方煤體內(nèi)存在著一個(gè)集中應(yīng)力帶,使距掘進(jìn)迎頭L米的集中應(yīng)力帶內(nèi),煤的裂隙、孔隙受壓縮 變小,阻礙煤體內(nèi)瓦斯的正常運(yùn)移流動(dòng)。那么,什么是地應(yīng)力呢?我們通過一個(gè)簡單的物理現(xiàn)象來予以說明。 煤與瓦斯突出的三因素 我們知道,一個(gè)彈簧,給它一個(gè)壓力P,就產(chǎn)生一個(gè)反作用力P1,也就是說,我們用力把彈簧壓下去后,彈簧就蓄積一個(gè)彈起的能量。同樣,煤巖層也具有一定的彈性,由于在幾百米深的地下開采,必然受到上覆巖層給它的一個(gè)壓力,使煤層蓄積一個(gè)向外膨脹的潛能。 在沒有開采前,煤巖體是處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài),當(dāng)開掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí),就破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài),使煤巖體的應(yīng)力重新分布,煤體向作業(yè)空間膨脹變形。 煤與瓦斯突出的三因素 采掘工作面地應(yīng)力狀況及對(duì)突出的影響: 采煤工作面前方存在一個(gè)集中應(yīng)力區(qū),其峰值距離采面煤壁的距離越小,越容易破壞采面煤體而引發(fā)煤與瓦斯突出。因此,必須加強(qiáng)工作面支護(hù),使采面煤體的集中應(yīng)力向煤體深部推移,或在采面采取人為卸壓措施,如打排放鉆孔、實(shí)施淺孔爆破等。 掘進(jìn)工作面前方的地應(yīng)力,可分為三個(gè)帶,即:卸壓帶、集中應(yīng)力帶和常壓帶,亦叫做原始應(yīng)力區(qū)。從防突角度 講,集中應(yīng)力區(qū)距離工作面越近,工作面煤體越易發(fā)生破壞而引發(fā)煤與瓦斯突出。解決該問題的措施,就是在突出危險(xiǎn)區(qū)域采取人為卸壓措施,如打排放鉆孔、實(shí)施深孔爆破和放慢掘進(jìn)速度等,使集中應(yīng)力帶向深部推移。 煤與瓦斯突出的三因素 以上情況說明,具有較高的地應(yīng)力是發(fā)生煤與瓦斯突出的先決條件,即起著發(fā)動(dòng)突出的作用。在地質(zhì)構(gòu)造帶,由于構(gòu)造應(yīng)力的存在,就是采深不大也可能發(fā)生突出。 因此,發(fā)生煤與瓦斯突出的第一個(gè)充分必要條件是: 煤層和圍巖具有較高的地應(yīng)力和瓦斯壓力,并且在近工作面地帶煤層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生突然變化,使?jié)撃苡锌赡芡蝗会尫拧?/p> 應(yīng)力狀態(tài)的變化一般有下列原因: 煤與瓦斯突出的三因素 (1)、巷道進(jìn)入地質(zhì)破壞區(qū); (2)、石門揭開煤層時(shí); (3)、巷道從硬煤進(jìn)入軟煤帶; (4)、煤的冒落等。 另外還有工作面迅速推進(jìn)時(shí);煤層突然加載,如巷道頂板下沉;煤層突然卸壓,如懸臂梁斷裂等。 煤與瓦斯突出的三因素 〈 2〉瓦斯的作用 瓦斯是成煤過程中的產(chǎn)物,以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存于 煤裂隙和孔隙中,促使煤體產(chǎn)生潛能,降低煤的強(qiáng)度。) 煤體中瓦斯含量是指每噸煤所含的瓦斯量,也就是煤體中游離和吸附兩種狀態(tài)瓦斯量的總和。其中吸附瓦斯量占瓦斯含量的80──90%以上。瓦斯壓力決定煤層中瓦斯含量的多少,是造成瓦斯突出的重要能源。 在卸壓帶瓦斯壓力梯度是平緩的,在集中應(yīng)力帶瓦斯壓力梯度顯著增大,形成作用于壓力降低方向(掘進(jìn)迎頭)的力,參與突出的發(fā)展。 煤與瓦斯突出的三因素 在掘進(jìn)巷道揭露煤層引起瓦斯流動(dòng)后,隨著煤壁暴露時(shí)間 t 的不斷增長,流動(dòng)場范圍 L 不斷擴(kuò)大,工作面附近瓦斯壓力梯度不斷下降變緩。最危險(xiǎn)的是在t→0時(shí),即爆破見煤的瞬時(shí),瓦斯壓力梯度最大,此時(shí)最容易發(fā)生突出。 因此,煤與瓦斯突出發(fā)展的第二個(gè)必要和充分條件是:有足夠的瓦斯流把碎煤拋出,并且突出孔道要暢通,以便在空洞壁形成較大的地應(yīng)力梯度和瓦斯壓力梯度,從而使煤破碎向深部擴(kuò)展 煤與瓦斯突出的三因素 〈3〉煤的物理力學(xué)性質(zhì)與突出的關(guān)系 煤結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),與發(fā)生突出的關(guān)系很大。一般來說,煤愈硬、裂隙愈小,所需的破壞功愈大,要求的地應(yīng)力和瓦斯壓力愈高。反之亦然。因此,在地應(yīng)力和瓦斯壓力為一定值時(shí),軟煤分層易被破壞,突出往往沿軟煤分層發(fā)展。 煤與瓦斯突出的三因素 〈4〉外部因素的影響 外部因素(工作面推進(jìn)度、爆破等)對(duì)煤與瓦斯突出的發(fā)生和發(fā)展也有重要影響。工作面快速推進(jìn)時(shí),有助于應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生突然變化,從而激發(fā)突出。反之,工作面緩慢推進(jìn)時(shí),應(yīng)力狀態(tài)變化是平緩的,發(fā)生突出的可能性就小。 工作面若快速推進(jìn)時(shí),由于工作面前方煤體中集中應(yīng)力帶沒有向深部推移時(shí)間,高壓瓦斯沒有有效排放,造成集中應(yīng)力帶距離工作面的正常距離L1大于異常距離L2,使工作面突出危險(xiǎn)性增加,特別是在爆破瞬間的突出危險(xiǎn)性最大。 二 .“四位一體”綜合防突措施 1.防突技術(shù)的發(fā)展 煤與瓦斯突出在煤礦出現(xiàn)已經(jīng)超過一個(gè)半世紀(jì),為了防治突出和避免造成人身傷亡事故,國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究,提出和應(yīng)用了多種防突措施。縱觀防突技術(shù)的發(fā)展史,大體有三個(gè)發(fā)展階段: 1、以安全防護(hù)措施為主的階段,即在突出發(fā)生時(shí),避免發(fā)生人身傷亡事故。在本世紀(jì)50年代前,屬于這一階段。 防突技術(shù)的發(fā)展 2、是以防治突出措施為主的階段,即在突出礦井普遍采用防突措施,使它不發(fā)生突出。本世紀(jì)50~70年代屬于這個(gè)階段。 3、是采取綜合防突措施階段,即將突出危險(xiǎn)性預(yù)測引入綜合防突措施。前蘇聯(lián)在70年代中期開始采用綜合防突措施,我國80年代末開始采用防突綜合措施 ,1988年我國《防突細(xì)則》頒布后,在各突出礦井普遍推廣。 2.“四位一體”綜合防突措施 突出危險(xiǎn)性預(yù)測 防治突出措施 防治突出措施的效果檢驗(yàn) 安全防護(hù)措施 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第177條和《煤與瓦斯突出細(xì)則》第2條之規(guī)定,開采突出煤層時(shí),必須采取突出危險(xiǎn)性預(yù)測、防治突出措施、防治突出措施的效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)措施等綜合防治突出措施。 三 .突出危險(xiǎn)性預(yù)測 1、 突出危險(xiǎn)性預(yù)測分類 2、 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測流程 3 、區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測 4、 工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測 1、 突出危險(xiǎn)性預(yù)測分類 2、 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測流程 突出危險(xiǎn)性預(yù)測的意義 國內(nèi)外開采突出煤層的實(shí)踐證明,突出只發(fā)生在某些局部地帶,突出煤層中突出危險(xiǎn)帶的面積僅占5~10%。通過在突出煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測,把突出煤層劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)、突出威脅區(qū)和無突出危險(xiǎn)區(qū);把采掘工作面劃分為突出危險(xiǎn)工作面和無突出危險(xiǎn)工作面,從而采取不同級(jí)別的綜合防突措施,做到在安全的前提下,大量地節(jié)約防突工程量、工作量,減少防突工作的盲目性。 3 、區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測 3.1 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測 3.2 突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測 3.1 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(1) ?、賹?shí)際突出鑒定 (《細(xì)則》第5條、《規(guī)程》第176條) ?、?單項(xiàng)指標(biāo)法 (《細(xì)則》第26條) ?、?煤層彈性變形特性E、G (俄羅斯) 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(2) ?、賹?shí)際突出鑒定 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第176條和《煤與瓦斯突出防治細(xì)則》第5條之規(guī)定,礦井在采掘過程中只要發(fā)生過一次煤與瓦斯突出,該礦井即定為突出礦井,發(fā)生突出的煤層即定為突出煤層。 突出礦井及突出煤層 確定程序 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(3) ?、趩雾?xiàng)指標(biāo)法 根據(jù)《煤與瓦斯突出防治細(xì)則》第26條之規(guī)定,可用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固性系數(shù)和煤層瓦斯壓力預(yù)測煤層的突出危險(xiǎn)性,其臨界值應(yīng)根據(jù)礦井的實(shí)測資料確定,如無實(shí)測資料,可參考《細(xì)則》推薦數(shù)據(jù)劃分,只有全部指標(biāo)達(dá)到或超過其臨界值時(shí)方可劃為突出煤層。 《細(xì)則》推薦劃分標(biāo)準(zhǔn) 煤的破壞類型Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 以上 瓦斯放散初速度ΔP ≥10 煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5 煤層瓦斯壓力P≥0.74 煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(4) ?、勖簩訌椥宰冃翁卣?/p> 俄羅斯學(xué)者從突出煤層和非突出煤層選取煤樣,在實(shí)驗(yàn)室利用超聲波確定其彈性模量E、剪切模量G,突出煤層和非突出煤層的E、G有明顯差異,并與煤層的變質(zhì)程度有關(guān) 對(duì)于非突出煤層的E、G有: G=(0.270-0.001Vdaf )?109 E=(0.790-0.006Vdaf )?109 當(dāng)某一煤層的E、G實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果大于上述計(jì)算值時(shí),該煤層屬突出危險(xiǎn)煤層 3.2 突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(1) ① 瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法 (《細(xì)則》第29條) ②綜合指標(biāo)法 (《細(xì)則》第30條) ?、蹎雾?xiàng)指標(biāo)H、E、G (俄羅斯) ④綜合指標(biāo)B (俄羅斯) 突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(2) 根據(jù)《煤與瓦斯突出防治細(xì)則》第28條之規(guī)定,突出煤層中的區(qū)域預(yù)測可采用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法或綜合指標(biāo)法進(jìn)行,預(yù)測結(jié)果報(bào)礦務(wù)局總工程師批準(zhǔn) ① 瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法(《細(xì)則》第29條) 根據(jù)已開采區(qū)確切掌握的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造條件與突出分布的規(guī)律,劃分出突出危險(xiǎn)區(qū)域和突出威脅區(qū)域 ?、?綜合指標(biāo)法(《細(xì)則》第30條) D=(0.0075H/f-3)(P-0.74) K= ΔP /f 當(dāng)D≥0.25、K ≥20(無煙)或15(其它煤種)時(shí),劃為危險(xiǎn)區(qū)域 突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測 (3) ③單項(xiàng)指標(biāo)H、E、G(俄羅斯) a、在臨界突出深度以下,煤層本身的彈性能和瓦斯能足以造成突出破壞,其發(fā)生與否,關(guān)鍵取決于煤層所需破碎功的大小 b、當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力作用于高彈性煤層時(shí),在有脆性破壞傾向的煤層中可以形成煤層破碎功小的區(qū)帶 c、用E、G表示煤層的突出危險(xiǎn)性傾向 d、通過計(jì)算煤層H、E、G的臨界值H0、E0、G0,并與H、E、G比較,確定區(qū)域突出危險(xiǎn)性 預(yù)測程序框圖 突出煤層危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(4) ?、?綜合指標(biāo)B(俄羅斯) 在地質(zhì)勘探階段,通過對(duì)煤層巖心和瓦斯資料的研究,根據(jù)綜合指標(biāo)B預(yù)測煤層的突出危險(xiǎn)性 該指標(biāo)經(jīng)過廣泛驗(yàn)證,列入部門標(biāo)準(zhǔn) B≥15,煤層具有突出危險(xiǎn) B<15,煤層無突出危險(xiǎn) X 煤層平均瓦斯含量 X0 煤層殘余瓦斯含量 R 煤層破壞程度 M 煤層厚度 C 煤層分層個(gè)數(shù) H 開采深度 fn 圍巖特性 4 、工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測 定性指標(biāo) 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和突出預(yù)兆確定工作面的突出危險(xiǎn)性 定量指標(biāo) ?、巽@孔指標(biāo)法 根據(jù)所打鉆孔的瓦斯涌出速度、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸特征等進(jìn)行預(yù)測 ?、谶B續(xù)動(dòng)態(tài)法 根據(jù)煤體破壞的地球物理特征、煤體結(jié)構(gòu)特性和工作面瓦斯涌出動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測 根據(jù)《規(guī)程》第188條和《細(xì)則》第23條之規(guī)定,在突出危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí),必須采取綜合防治突出措施,工作面進(jìn)行采掘前,應(yīng)進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測,將工作面劃分為突出危險(xiǎn)工作面和無突出危險(xiǎn)工作面。 4.1 工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo) 定性指標(biāo) 根據(jù)《煤與瓦斯突出防治細(xì)則》第31條之規(guī)定,在突出煤層中有下列情況之一者,應(yīng)視為突出危險(xiǎn)工作面: ?、僭谕怀雒簩拥臉?gòu)造破壞帶,包括斷層、褶曲、火成巖侵入等; ?、诿簩淤x存條件急劇變化的區(qū) ③采掘應(yīng)力疊加的區(qū)域; ?、茉诠ぷ髅骖A(yù)測過程中出現(xiàn)噴孔、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象; ?、莨ぷ髅娉霈F(xiàn)明顯突出預(yù)兆。 4.2工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo) 鉆孔指標(biāo)法 ?、?鉆孔瓦斯涌出初速度法 ?、?鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法 ?、?鉆屑指標(biāo)法 ?、?R值指標(biāo)法 以上4種預(yù)測指標(biāo)是我國《細(xì)則》規(guī)定的主要預(yù)測指標(biāo) 鉆孔瓦斯涌出初速度法 理論基礎(chǔ) 煤層鉆孔瓦斯涌出速度測定表明,在大多數(shù)情況下開始測量后0.5~2min函數(shù)q=f(t)達(dá)到最大值; 本方法由蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究所提出,在突出帶和非突出帶q和煤層力學(xué)性質(zhì)不同: 綜合反映了煤層的破壞程度、瓦斯壓力和瓦斯含量、煤體的應(yīng)力狀態(tài)及透氣性,可以綜合評(píng)價(jià)煤層的突出危險(xiǎn)性。 鉆孔瓦斯涌出初速度法 煤巷掘進(jìn)工作面測試方法(《細(xì)則》第36條) (1)靠近巷道兩幫,各打一個(gè)平行于巷道掘進(jìn)方向直徑42mm、深3.5m的鉆孔,鉆孔布置在軟分層中; (2)用專門的封孔器封孔,封孔后測量室長度為0.5m; (3)測試工作必須在鉆孔打完后2min內(nèi)完成。 每預(yù)測循環(huán)可進(jìn)尺1.5m,留2m的超前距。 鉆孔瓦斯涌出初速度臨界值(Vdaf ) 鉆孔瓦斯涌出初速度法 測試要點(diǎn) 測量室應(yīng)位于應(yīng)力集中帶或原巖應(yīng)力帶 采用節(jié)流式流量計(jì) 打鉆后立即封孔測量 封孔嚴(yán)密 測試前檢查儀器,無氣路堵塞現(xiàn)象 應(yīng)用效果 1969~1980年間在蘇聯(lián)頓巴斯127個(gè)礦井的3930個(gè)掘進(jìn)工作面和2070個(gè)回采工作面應(yīng)用,工作面共推進(jìn)1143Km,其中非突出危險(xiǎn)1104.6Km(占96.7%),突出危險(xiǎn)帶38.4Km(占3.3%)。工作面共穿過691個(gè)突出危險(xiǎn)帶,其中有677個(gè)(占89%)是用該方法發(fā)現(xiàn)的,只漏掉了14個(gè)危險(xiǎn)帶。 平煤集團(tuán)突出礦井主要采用該指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測,據(jù)94~97年間東三礦20個(gè)掘進(jìn)工作面統(tǒng)計(jì),危險(xiǎn)帶占總推進(jìn)度的5%左右,預(yù)測突出危險(xiǎn)帶的準(zhǔn)確率可達(dá)60%~80%。 目前該方法是國內(nèi)外突出礦井的主要預(yù)測方法。 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) 理論基礎(chǔ) 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)?h2或K1值表示瓦斯含量的大小和解吸速度的快慢,即表示瓦斯能的大小及釋放速度。 鉆屑瓦斯解吸規(guī)律可用巴雷爾公式表示,Q1=K1T0.5 , ?h2和K1值均表示煤樣在一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯解吸量, K1值是解吸第1分鐘的解吸量, ?h2是第4和第5分鐘內(nèi)的解吸量, K1是按解吸規(guī)律推算的, K1是實(shí)測的 按照巴雷爾公式推算, K1 =0.016 ?h2 測試儀器與方法 ?h2用MD-2解吸儀測定,K1用ATY突出預(yù)測儀測定 可用于石門揭煤工作面以及采掘工作面的突出危險(xiǎn)性預(yù)測 測試方法和臨界值根據(jù)《細(xì)則》第34條和附錄四進(jìn)行?;騅1值的測試方法和臨界值根據(jù)《細(xì)則》第34條和附錄四進(jìn)行 平煤集團(tuán)突出礦井采用?h2作為預(yù)測指標(biāo)之一 石門揭煤工作面?h2和K1的臨界值 鉆屑指標(biāo)法 理論基礎(chǔ) 鉆屑量S表示煤層應(yīng)力集中程度大小, ?h2或K1值表示煤層瓦斯大小及其釋放速度大小,分別從地應(yīng)力和瓦斯的角度反映了煤層突出危險(xiǎn)性的的大小,可以綜合反映煤層的突出危險(xiǎn)性 地應(yīng)力越大,S值越大 鉆屑瓦斯釋放速度越快, ?h2或K1值越大 測試方法 在煤巷掘進(jìn)工作面打2個(gè)(傾斜或急傾斜煤層)或3個(gè)(緩傾斜煤層)直徑42mm、深8~10m的鉆孔,鉆孔布置方式與《細(xì)則》第37條規(guī)定相同 鉆孔每打1m測定鉆屑量一次,每2m測定一次鉆屑解吸指標(biāo) 根據(jù)每個(gè)鉆孔的S、 ?h2或K1的最大值預(yù)測突出危險(xiǎn)性 當(dāng)任一指標(biāo)大于或等于臨界值時(shí),該工作面為突出危險(xiǎn)工作面 每預(yù)測循環(huán)留2m的超前距 鉆屑指標(biāo)法預(yù)測掘進(jìn)工作面的臨界值 R值指標(biāo)法 理論基礎(chǔ) R值指標(biāo)由蘇聯(lián)東方煤礦安全研究所1969年提出 鉆屑量S主要考慮了煤層的強(qiáng)度性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài),瓦斯涌出初速度則主要考慮了瓦斯因素,把兩者結(jié)合在一起用來預(yù)測突出危險(xiǎn)性是合適的 該方法同時(shí)考慮了工作面的應(yīng)力狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯含量、透氣性和煤層的放散能力,即考慮了決定突出危險(xiǎn)性的主要因素,是一個(gè)綜合指標(biāo) 判斷指標(biāo) R=(Smax –1.8)(qmax -4 ) 當(dāng)任一鉆孔的R≥6時(shí),突出危險(xiǎn)工作面 當(dāng)任一鉆孔的R<6時(shí),無突出危險(xiǎn)工作面 當(dāng)任一鉆孔的R≥6時(shí),突出危險(xiǎn)工作面 當(dāng)R為負(fù)值時(shí),應(yīng)用單項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測 R值指標(biāo)法 測試方法(《細(xì)則》第37條) (1)在煤巷掘進(jìn)工作面打2個(gè)(傾斜或急傾斜煤層)或3個(gè)(緩傾斜煤層直徑42mm、深5.5~6.5m的鉆孔 (2)鉆孔布置在軟分層中,一個(gè)鉆孔位于巷道工作面中部平行于掘進(jìn)方向,其它鉆孔的終孔點(diǎn)應(yīng)位于巷道輪廓線外2~4m處 (3)鉆孔每打1m,測定一次S和q (4)測q時(shí),測量室長度為1m,根據(jù)每個(gè)鉆孔的最大Smax和最大qmax 確定R值 (5)每預(yù)測循環(huán)留2m超前距 R值指標(biāo)法 應(yīng)用效果 七十年代下半期蘇聯(lián)東方煤礦安全研究所曾進(jìn)行了數(shù)千次R值的測定,在所有情況下只要R<6從未發(fā)生過一次突出,而在突出前R≥6; 目前在俄羅斯庫茲巴斯和卡拉干達(dá)礦區(qū)主要采用R值預(yù)測掘進(jìn)工作面的突出危險(xiǎn)性,在地質(zhì)破壞帶R值均大于6; 平煤集團(tuán)各突出礦井曾用R值預(yù)測突出危險(xiǎn)性。 平頂山礦區(qū)突出礦井預(yù)測指標(biāo) 四、防治突出措施 1、 區(qū)域性防突措施 2、 局部性防突措施 3、 各類防突措施適應(yīng)條件及優(yōu)缺點(diǎn) 制定防突技術(shù)措施的原則 降壓排瓦,增加煤體強(qiáng)度 降壓排瓦-----消除或減小能引起煤與瓦斯突出的能量聚集,并防止這種能量突然釋放,即排除瓦斯,卸除地應(yīng)力和瓦斯壓力的原則; 增加煤體強(qiáng)度------增強(qiáng)煤體的穩(wěn)定性,改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì),增加煤體的抗破碎能力,即加固煤體,抑制突出的原則。 1、 區(qū)域性防突措施 1.1 開采保護(hù)層 1.2 預(yù)抽煤層瓦斯 1.3 煤層區(qū)域性預(yù)先注水 在煤層采掘之前,對(duì)煤層實(shí)施大面積預(yù)先處理,以達(dá)到煤層卸壓、排放瓦斯及改變煤層物理力學(xué)性質(zhì)的目的,從而大面積消除煤層的突出危險(xiǎn)性。在選擇防突措施時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用區(qū)域性防突措施。 1.1開采保護(hù)層 作用機(jī)理 在開采煤層群時(shí),通過開采保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層的卸壓和瓦斯排放,消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性。 保護(hù)層的選擇 ?、偈紫冗x擇無突出危險(xiǎn)的煤層作為保護(hù)層。 ?、诘V井中所有煤層都有突出危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)選擇突出危險(xiǎn)性較小的煤層。 ?、蹆?yōu)先選擇上保護(hù)層。 有關(guān)保護(hù)層開采的技術(shù)要求和保護(hù)范圍、效果執(zhí)行《規(guī)程》和《細(xì)則》的規(guī)定。 1.2預(yù)抽煤層瓦斯 作用機(jī)理 通過預(yù)抽煤層瓦斯,減少煤層瓦斯壓力和含量,降低瓦斯內(nèi)能,提高煤體強(qiáng)度,以消除煤層的突出危險(xiǎn)性。 技術(shù)要求 ?、俨捎闷叫胁伎追绞?,鉆孔應(yīng)控制整個(gè)預(yù)抽區(qū)域并均勻布孔; ?、诿簩油咚诡A(yù)抽率應(yīng)大于30%; ?、垲A(yù)抽后,突出煤層殘存瓦斯含量應(yīng)小于該煤層始突深度處的煤層原始瓦斯含量; 在平頂山礦區(qū),由于煤層透氣性低,瓦斯預(yù)抽率一般不超過10%,抽放效果差,單靠預(yù)抽不能消除煤層的突出危險(xiǎn)性在采掘過程中還必須采取局部防突措施。 1.3煤層區(qū)域性預(yù)先注水 作用機(jī)理 水進(jìn)入煤層的裂隙和孔隙,使原始煤體濕潤,增加了煤的可塑性和柔性,彈性模數(shù)降低20~30%,應(yīng)力分布變的比較均勻,彈性能的釋放速度比較緩慢;水封閉了瓦斯流動(dòng)的通道,減小了瓦斯放散速度,降低了瓦斯能的釋放速度;注水可以提高f值,增加了煤層的強(qiáng)度。 技術(shù)要求 ?、倜簩幼钌儆幸粋€(gè)分層均勻濕潤,水分達(dá)到4%以上。 ?、谘孛簩幼呦蚝蛢A向不留空白區(qū)。 ③最好采用中低壓小流量長時(shí)注水。 該方法在俄羅斯作為區(qū)域性措施 2 、局部性防突措施 卸壓排放措施 超前鉆孔、抽放瓦斯、松動(dòng)爆破、卸壓縫 水力化措施 煤層注水、水力松動(dòng)、水力壓裂、水力爆破、水力沖孔 煤體圍巖強(qiáng)化措施 金屬骨架、前探支架 煤體圍巖強(qiáng)化措施一般與其它兩種措施共同使用 在煤層采掘過程中,在采掘工作面向煤層體實(shí)施處理措施,以達(dá)到煤層卸壓、排放瓦斯及改變煤層物理力學(xué)性質(zhì)的目的,從而消除工作面附近煤層的突出危險(xiǎn)性。 2.1超前鉆孔 作用原理 在采掘工作面向煤層施工一定深度的鉆孔,對(duì)煤層進(jìn)行卸壓和排放瓦斯,使應(yīng)力集中帶向工作面深部轉(zhuǎn)移,消除突出危險(xiǎn)性。 技術(shù)參數(shù) ?、巽@孔直徑75~120mm; ②保持一定的超前距(不小于5米); ?、劬蜻M(jìn)工作面應(yīng)控制到巷道斷面輪廓外2~4m; ?、茔@孔應(yīng)布置在煤層的軟分層中; ?、葶@孔個(gè)數(shù)和間距根據(jù)鉆孔有效排放半徑而定。 2.1超前鉆孔 2.2瓦斯抽放 掘進(jìn)工作面超前抽放 對(duì)突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重的掘進(jìn)工作面實(shí)施超前鉆孔抽放; 超前鉆孔直徑75~120mm,深度25~30m以上,鉆孔5~12個(gè),穿過工作面前方的應(yīng)力集中帶; 巷道輪廓四周的控制范圍2~4m; 抽放時(shí)間7~10天,一般不超過15天; 2.2瓦斯抽放 掘進(jìn)工作面隔離式抽放(邊掘邊抽) 對(duì)突出危險(xiǎn)性相對(duì)不大、瓦斯涌出量大推進(jìn)速度快的掘進(jìn)工作面實(shí)施隔離式抽放; 巷道兩幫卸壓帶內(nèi)瓦斯在抽放負(fù)壓的作用下,被引入到抽放鉆孔中,隔斷瓦斯向巷道的涌出,減少巷道瓦斯涌出量; 鉆孔開口位置距煤壁2~2.5m,抽放區(qū)段距煤壁3~5m,與巷道軸線的夾角小于5° ; 鉆孔抽放期2~3個(gè)月。 2.3 松動(dòng)爆破 掘進(jìn)工作面深孔松動(dòng)爆破 鉆孔直徑42mm,孔深不小于8m,孔數(shù)根據(jù)爆破有效半徑確定; 控制到巷道輪廓線外1.5~2m的范圍; 超前距不小于5m; 必須執(zhí)行撤人、停電、設(shè)警戒、遠(yuǎn)距離放炮、反向風(fēng)門等安全措施。 2.3松動(dòng)爆破 采煤工作面淺孔松動(dòng)爆破 適用于煤質(zhì)較硬、圍巖穩(wěn)定較好的煤層; 沿采煤工作面每隔2~3m打一個(gè)鉆孔,孔深不小于3m,炮泥封孔長度不得小于1m; 超前距不小于2m。 2.4卸壓縫 對(duì)突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重的采煤工作面,在工作面用專門機(jī)器開卸壓縫,引起煤層卸壓和排放瓦斯,消除突出危險(xiǎn)性; 主要參數(shù) 卸壓縫的位置、高度、深度和割縫速度; 卸壓縫深度不超過1.5m~2m,并保證0.5m的超前距; c、卸壓縫高度10~14mm,保證煤層充分卸壓,卸壓縫又能閉和,不積聚瓦斯; 應(yīng)編制割縫過程中的防突措施。 2.5卸壓槽 在掘進(jìn)工作面的兩個(gè)隅角開卸壓槽,引起應(yīng)力集中帶向深部轉(zhuǎn)移,消除突出危險(xiǎn)性; 卸壓槽深度不小于0.5m,寬度60~80mm; 進(jìn)尺超前距不小于0.5m; 可用鉆孔法或?qū)S霉ぞ咝纬尚秹翰邸?/p> 2.6水力松動(dòng) 作用機(jī)理 在工作面向煤層注入15~20MPa的高壓水,使煤層裂隙擴(kuò)張,形成平行于工作面煤壁的裂縫,引起煤體卸壓和排放瓦斯,應(yīng)力集中帶向煤體深部轉(zhuǎn)移。 主要參數(shù)根據(jù)煤層的具體條件而定,包括封孔深度、注水壓力、注水量、有效注水半徑等。 在俄羅斯約有20%的采掘工作面采用水力松動(dòng),回采工作面突出頻率0.055,準(zhǔn)備工作面突出頻率0.057。 2.7水力壓裂 作用機(jī)理 在工作面打直徑42~45mm的鉆孔,借助于高壓水將煤層向工作面方向強(qiáng)制壓出,引起煤壁卸壓和排放瓦斯,消除突出危險(xiǎn)性。 主要參數(shù) 鉆孔深度、封孔深度、鉆孔間距、注水壓力、注水時(shí)間、注水速度等 實(shí)施水力壓裂必須制定詳細(xì)的安全技術(shù)措施 在俄羅斯的應(yīng)用表明,回采工作面突出頻率0.264,準(zhǔn)備工作面突出頻率0.243。 3、各類防突措施適應(yīng)條件及優(yōu)缺點(diǎn) 五、 防治突出措施的效果檢驗(yàn) 1. 目的和要求 2. 鉆孔布置方式 3. 檢驗(yàn)方法 1. 目的和要求 為檢查控制防突措施的施工質(zhì)量和有效性,確保消除突出危險(xiǎn)性,保證工作面安全進(jìn)尺,必須實(shí)施防突措施的效果檢驗(yàn); 當(dāng)防突措施無效時(shí),必須再次執(zhí)行防治突出的補(bǔ)充措施,只有經(jīng)措施效果檢驗(yàn)有效后,方可在采取安全防護(hù)措施的前提下進(jìn)行采掘作業(yè),并留有不小于2m的檢驗(yàn)超前距。 2. 鉆孔布置方式 檢驗(yàn)孔的布置必須可靠控制防突措施的效果和有效范圍; 石門揭煤工作面檢驗(yàn)孔孔數(shù)為4個(gè),其中石門中間1個(gè),其它3個(gè)鉆孔位于石門上部和兩側(cè),終孔位置應(yīng)位于措施控制范圍的邊緣線上。 對(duì)于采掘工作面檢驗(yàn)孔位于措施孔之間,檢驗(yàn)孔孔深應(yīng)小于或等于措施孔; 檢驗(yàn)孔不得與措施孔交叉穿透,不得采用措施孔或預(yù)測孔進(jìn)行效果檢驗(yàn)。 3. 檢驗(yàn)方法 措施效果檢驗(yàn)方法根據(jù)《細(xì)則》第34條、第35條采掘工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測方法的規(guī)定執(zhí)行; 必須采用2個(gè)及以上指標(biāo); 選用的檢驗(yàn)指標(biāo)要適應(yīng)防突措施的特性,如煤層注水措施不采用鉆屑量指標(biāo),可采用鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等 嚴(yán)格執(zhí)行《細(xì)則》第四節(jié)防治突出措施效果檢驗(yàn)。 六、 安全防護(hù)措施 1. 安全防護(hù)措施的作用 2. 安全防護(hù)措施的內(nèi)容與要求 1.安全防護(hù)措施的作用 由于突出機(jī)理的復(fù)雜性,目前仍處于假說階段,尚未完全掌握突出發(fā)生、發(fā)展的數(shù)學(xué)物理本質(zhì),再加上煤層瓦斯賦存條件和地質(zhì)條件的多變性,以及預(yù)測、措施執(zhí)行和效果檢驗(yàn)過程中人為因素的影響,降低了預(yù)測、效果檢驗(yàn)的可靠性,即使在預(yù)測、效檢不超標(biāo)的情況下,仍有可能發(fā)生突出。平頂山礦區(qū)也發(fā)生過多次低指標(biāo)突出事故。 2. 安全防護(hù)措施的內(nèi)容 根據(jù)《規(guī)程》第209條和《細(xì)則》第91條的規(guī)定,井巷揭穿突出煤層或在煤層中進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí),都必須采取安全防護(hù)措施。安全防護(hù)措施包括震動(dòng)放炮、遠(yuǎn)距離放炮、避難所、壓風(fēng)自救系統(tǒng)和隔離式自救器等。 2.1 采用震動(dòng)放炮揭穿石門時(shí), 必須遵守下列規(guī)定: ?、?工作面必須有獨(dú)立可靠的加在風(fēng)系統(tǒng),必須保證回風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流暢通,并嚴(yán)禁人員通行和作業(yè); ?、?放震動(dòng)炮由礦總工程師統(tǒng)一指揮,并由救護(hù)隊(duì)在指定地點(diǎn)值班,炮后至少以30min,由礦山救護(hù)隊(duì)人員進(jìn)入工作面檢查。根據(jù)檢查結(jié)果,確定采取的恢復(fù)送電、通風(fēng)及排除瓦斯等具體措施; ③ 為降低震動(dòng)放炮時(shí)誘發(fā)突出的強(qiáng)度,應(yīng)采取擋樣設(shè)施; ④ 揭開煤層后,在石門附近30m范圍內(nèi)掘進(jìn)煤巷時(shí),必須加強(qiáng)支護(hù),嚴(yán)格采取防突措施。 ?、?震動(dòng)放炮要求一次全斷面揭穿或揭開煤層。對(duì)緩傾斜煤層,應(yīng)一次全斷面揭開巖柱。如果震動(dòng)放炮未能按要求揭穿煤層,在掘進(jìn)剩余部分進(jìn)(包括掘進(jìn)煤層和進(jìn)入底(頂)板2m范圍內(nèi)),必須按照震動(dòng)放炮的安全要求,進(jìn)行放炮作業(yè)。煤層特厚或傾角過小不能一次揭開全厚時(shí),在掘進(jìn)剩余部分時(shí),必須采用抽放瓦斯、排放鉆孔、水力沖孔等防突措施。 2.2 突出危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置反向風(fēng)門 反向風(fēng)門平時(shí)開,放炮時(shí)必須關(guān)閉。反向風(fēng)門必須安設(shè)在進(jìn)風(fēng)側(cè),一組反向風(fēng)門必須兩道,間距4m,風(fēng)門距工作面距離及組數(shù)應(yīng)根據(jù)突出強(qiáng)度確定。 墻垛用混凝土或磚砌筑,并嵌入周邊巖石中0.2m 以上,墻垛厚≥0.8m,門框厚度≥100mm,門厚≥50mm。 門垛上設(shè)鐵風(fēng)筒,并有防逆流隔斷裝置。 突出嚴(yán)重區(qū)應(yīng)采用液壓反向風(fēng)門(鋼結(jié)構(gòu))。 2.3 采用遠(yuǎn)距離放炮 采用遠(yuǎn)距離放炮時(shí),放炮地點(diǎn)應(yīng)設(shè)在進(jìn)風(fēng)側(cè)反向風(fēng)門之外或避難所內(nèi),放炮地點(diǎn)距工作面的距離根據(jù)實(shí)際情況由局總工程師確定。放炮地點(diǎn)應(yīng)配備壓風(fēng)自救系統(tǒng)或自救器。放炮時(shí),回風(fēng)系統(tǒng)都必須停電撤人,放炮30min后,方可進(jìn)入工作面檢查。 根據(jù)我國石門揭煤突出統(tǒng)計(jì),煤拋出的最大距離為1170m(天府局三匯一礦揭K1煤層時(shí)),而大多數(shù)特大型突出,拋煤距離均在200m以內(nèi)。據(jù)前蘇聯(lián)研究資料,從開始出現(xiàn)明顯的預(yù)兆到發(fā)生突出之間的最短時(shí)間間隔為2~3min。在此期間,如果人員以8Km/h的速度快跑的話,能跑出270~400m的距離??紤]到人員對(duì)出現(xiàn)預(yù)兆瓜的遲緩,以煤層揭開地點(diǎn)到避難所的距離取200m為宜。在采掘工作面附近和放炮啟動(dòng)地點(diǎn),也需設(shè)避難硐室,考慮到采掘工作面的突出強(qiáng)度比石門揭煤時(shí)為小,巷疲乏斷面也比石門端面小,因此,此距離應(yīng)小于200m,根據(jù)情況確定。 2.4 避難所、壓風(fēng)自救系統(tǒng)(1) 突出礦井應(yīng)在井下設(shè)避難所或壓風(fēng)自救系統(tǒng),根據(jù)情況,可設(shè)置其中之一或混合設(shè)置,并符合下列要求: (1)井下避難所的要求是: ?、僭O(shè)在采掘工作面附近和放炮地點(diǎn),數(shù)量和距采掘工作面的距離根據(jù)具體情況確定; ?、陂T必須向外開啟,室內(nèi)凈高不低于2m,長寬依工作地點(diǎn)最多人數(shù)確定,面積不得少于0.5m2/人,有直通調(diào)度室電話; ?、郾茈y所內(nèi)必須設(shè)有供給空氣設(shè)施,每人供風(fēng)量不少于0.3m3/min。應(yīng)有減壓裝置和帶有閥門控制的呼吸嘴; ?、鼙茈y所應(yīng)根據(jù)最多人數(shù)配備足夠的自救器。 避難所、壓風(fēng)自救系統(tǒng)(2) (2)壓風(fēng)自救系統(tǒng)的要求是: ?、?壓風(fēng)自救系統(tǒng)安設(shè)在井下壓縮空氣管路上; ?、?設(shè)置在距采掘工作面25~40m的巷道內(nèi)、放炮點(diǎn)、撤離與警戒人員所在位置及回風(fēng)道有人作業(yè)處。長距離掘進(jìn)巷道中,每隔50m設(shè)置一組壓風(fēng)自救系統(tǒng); ?、?每組可供5~8個(gè)人用,但每人不得少于0.1m3/min。 2.5 其它 ?、?電氣設(shè)備須有專人檢查、維護(hù),每旬查一次防爆性能; ② 突出煤必須及時(shí)清理,以防自燃引起瓦斯爆炸; ?、?對(duì)突出空洞,應(yīng)充填或支護(hù),不應(yīng)放出松散煤體; ?、?突出礦井每一入井人員,必須隨身攜帶隔離式(壓縮氧和化學(xué)氧)自救器。 |
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