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防治煤与瓦斯突出基础知识
来源:煤矿安全网2018-04-283442
       煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,它是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一,如果由于煤与瓦斯突出引起瓦斯爆炸和火灾事故,后果更为严重。因此,如何防止煤与瓦斯突出,确保矿井安全生产事关重大。世界各国在防治突出方面虽进行了大量的工作,但到目前为止,对各种地质、开采条件下突出发生的规律还没有完全掌握,也未能完全杜绝突出发生。对煤矿安全生产来看,防治突出的任务有两个方面:一是防止突出发生,或减少突出的频率和强度;二是避免突出造成人身伤亡事故。

一、煤与瓦斯突出的概念

煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯在一个很短的时间内突然地自煤(岩)壁抛向巷道空间所引起的动力现象。在煤与瓦斯突出过程中,抛出的煤体有几十吨至几千吨,同时涌出大量的瓦斯充满整个巷道空间。根据目前的研究结果,引起煤与瓦斯突出的动力有地应力和瓦斯的压力。

二、煤与瓦斯突出的危害

1、产生的高压瓦斯流,能摧毁巷道,造成风流逆转、破坏矿井通风系统。

2、喷出大量的煤岩造成埋住施工人员。

3、井巷充满瓦斯,造成人员窒息,引起瓦斯燃烧或爆炸。

三、煤与瓦斯突出的形式及基本特征

1、突出。地应力和瓦斯压力的联合作用,重力不起决定作用。

(1)突出的向外抛出距离较远,具有分选现象;

(2)抛出的煤堆积角度小于自然安息角;

(3)抛出的煤破碎程度较高,含有大量的煤块和细小的煤粉;

(4)有明显的动力效应,破坏支架、推倒矿车、破坏和抛出安装在巷道内的设施;

(5)有大量的瓦斯喷出,瓦斯喷出量大大超过突出煤的瓦斯含量,有时会使风流逆转;

(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状。

2、压出。主要因素是受采动影响所产生的地应力,瓦斯压力和煤的自重是次要因素。

(1)压出有两种形式,即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出,但位移和抛出的距离都较小;

(2)压出后,在煤层与顶板之间的裂隙中,常留有细煤粉,整体位移的煤体上有大量的裂隙;

(3)压出的煤呈块状,无分选现象;

(4)巷道瓦斯涌出量增大;

(5)压出可能无孔洞或口大腔小的楔形孔洞。

3、倾出。主要因素是地应力和重力。

(1)倾出的煤就地按自然安息角堆积,并无分选现象;

(2)倾出的孔洞呈孔大腔小,孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂方向发展;

(3)无明显的动力效应;

(4)倾出常发生在媒质松软的急倾斜煤层中;

(5)巷道瓦斯涌出量明显增加。

四、突出危险煤层的基本特征

突出煤层和非突出煤层在媒质、结构、赋存条件以及特征等方面存在着明显的差异,这些差异是煤层突出危险性评价的依据。一般来说,突出危险煤层具有以下特征:

1、具有较高的变质程度。

2、具有较高的瓦斯压力和瓦斯含量。(0.74MPa,8m3/t)

3、透气性较低,顶底板一般为封闭型。

4、结构破坏类型较高、强度低。(III、IV、V类,f<0.5)

5、瓦斯放散初速度较大。10m2MPa·d

6、突出危险煤层具有明显区别于非突出煤层的孔隙结构特征。大孔多,小孔少。

★在突出煤层中有下列情况之一的,视为突出危险工作面:

1、在突出煤层的构造破坏带,包括断层、褶曲、火成岩侵入等;

2、煤层赋存条件急剧变化的区域;

3、采掘应力叠加的区域;

4、在工作面预测过程中出现喷孔、顶钻等动力现象;

5、工作面出现明显的突出预兆。

五、煤与瓦斯突出的一般规律

(1)随着开深程度的增加,突出的危险性增大。

(2)突出强度随煤层的厚度,特别是软分层厚度的增加而增加。

(3)瓦斯含量和瓦斯压力越大,突出危险越严重。突出的气体主要是瓦斯,少数情况下突出二氧化碳。

(4)煤体破坏程度越严重,煤的强度越小,突出危险越大。

(5)由上向下的突出占大多数,由下向上的突出是极少数。突出的危险性随着煤层倾角的增大而增加。

(6)突出与地质构造有密切关系。

(7)在采掘形成的应力集中地区,突出危险性增加。

(8)与其他类型的巷道相比,石门揭煤的突出危险性最大,突出强度也最高,突出一般以煤巷掘进时较多,回采工作面次之。

(9)突出主要发生在工作面放炮时,其他有震动的作业或冒顶也能诱发突出。

(10)煤层顶、底板的透气性越差,越有利于煤层瓦斯的储存,其突出危险性也越大。

(11)突出前一般都有预兆:煤体和支架压力增大,煤壁移动加剧,煤向外鼓出,掉碴,煤脱落,煤块射出,有劈裂声、煤炮声、似跑车一样的闷雷声,煤尘变大,瓦斯忽大忽小,温度降低或升高,顶钻或夹钻,煤硬度变化,煤质干燥、光泽变暗、层理紊乱等。掌握预兆,及时采取措施,对保证人员安全是非常重要的。

六、各类巷道突出的特点

巷道类型不同,突出的条件也不同,这就引起突出诸因素的作用发生一定的变化,形成突出的各自特点。

(一)石门突出

石门突出有三种类型:爆破揭开煤层时的突出、延期突出、过煤门时的突出。其中以放炮揭开煤层时的突出所占比重最大,因为它对发生突出的条件来讲最有利。

1、爆破揭开煤层时的突出

石门揭开煤层前,如煤层内的瓦斯未经排放,保存着原始的高瓦斯压力。当放炮揭开煤层的瞬间,在很高的瓦斯压力和一定的地应力共同作用下,就可能造成暴露的煤(岩)壁的表层突然破碎,破碎的煤(岩)被膨胀着的高压瓦斯所携带抛向巷道,这种连锁破碎抛出过程使突出向煤体深部扩展。从突出类型来看,爆破揭开煤层时的突出绝大部分属于瓦斯突出类型,除具有瓦斯突出的基本特征外,还有以下特征:

(1)靠近突出点一段距离的直巷几乎被突出煤堵满,弯曲巷道或上山也有堆积;

(2)有时只有煤层的某一分层或某几个分层突出,突出孔洞沿这些分层扩展;

(3)突出孔洞位置和深度主要受瓦斯压力和煤结构分布的控制,在许多大突出中,突出孔洞往往深入到巷道集中应力带以外很远,深度超过10米以上。

预防揭开石门的突出最主要的是采取预排巷道周边一定范围内煤体瓦斯的措施。对于由底板方面揭开煤层的石门,应重点预排石门顶帮煤体的瓦斯;对于从顶板方面揭开煤层的石门,预排包括石门底部煤体在内的石门四周煤体的瓦斯。

2、延期突出

这类突出是在放震动炮后迟延一段时间突然发生的,对安全生产威胁很大。关于延期突出的原因,还没有完全研究清楚。发动突出,需要一定的时间,一般在几秒到几十秒以内即可完成,但是延期突出所需要的时间较长,有的达几小时到几十小时。这说明,突出的发动和发展同时间因素有密切关系。如放炮时未突出,说明此时内部条件未成熟,还需要一定的时间才能使突出的条件完备起来,在这段时间煤层内发生着一定的变化,产生能量的积累过程。如果爆破后没有及时支护或支护不合格,煤壁的稳定性就会随时间而逐步降低,硬煤体的应力逐渐升高,当煤体便突然破碎,瓦斯的推力也因裂隙的突然增加而成倍增加,导致突出的发生。

预防延期突出的基本措施是,查清地质,预排瓦斯,适当爆破,加强支护。

3、过煤门时的突出

煤层揭开时,由于高地应力的作用,煤的透气性很低,因此煤门周围煤壁附近仍然积蓄着高压瓦斯,煤壁附近煤体也存在着较高的应力状态,处于不稳定平衡状态的过载煤体,哪怕是很小的震动力,也会使之失去平衡,诱发突出。这类突出有相当一部分是以地应力为主导力发动的。这时若某种原因,如放炮,诱发强大的地压显现时,煤体破碎,高压瓦斯可将从煤岩抛出几十米以外。

预防这类突出,在技术上有卸压和预排瓦斯两种措施。在高地应力地区采取卸压措施,如卸压钻孔、煤层注水、水力冲孔等,或者采取预排瓦斯措施,或者卸压和预排瓦斯混合使用。这两类措施都应有合格的支护措施相配合。

在上述三类石门的突出中,以揭开煤层时的突出次数最多。除延期突出以外,其他几类突出绝大多数为放炮所诱发。由于石门的突出强度最大,所以在揭开煤层或过煤门放炮时,都应严格执行远距离放炮措施,把人员撤到绝对安全地点,最好全部人员撤到地面,井下断电,利用井下交接班时间在地面放炮。

(二)煤巷平巷突出

煤巷掘进中三种类型的突出都存在。与石门突出相比,煤巷瓦斯突出类型所占比重减少,而压出与倾出类型所占比重增加,且突出的平均强度降低。在某些特殊场合,例如在应力集中系数很高的煤柱上下,特别是这个煤柱又位于有地质构造力的地质构造带内时,煤层积累的弹性能往往很高,地应力大,煤的透气性很低,能封闭住高压瓦斯,当突出扩展到未经排放瓦斯的煤体深部时,也会发生强度很高的突出,这是很值得注意的。因此,在地应力异常地区掘进巷道,突出的危险性大大增加,必须采取有效的预防措施。

(三)上山突出

上山掘进中三种类型的突出都有,但倾出类型明显增多,在急倾斜煤层尤其如此。上山的突出强度在缓斜煤层与平巷差不多,在倾斜与急倾斜煤层比平巷突出的强度为小,这是煤的重力易于显现的缘故。在突出煤层掘进上山,危险较高。

(四)下山突出

下山掘进中突出只见两种类型,即突出于压出。此时重力表现为突出阻力,所以一般不见倾出。强度与平巷差不多,一般无孔洞。

(五)回采工作面突出

许多矿区的突出统计资料指出,回采工作面发生突出现象较少。一般发生地地质构造复杂区域。

(1)位于向斜轴部附近。

(2)位于向斜轴和另一断裂褶曲交汇地区。

(3)位于小断层群及顶板或底板凸起凹陷群区域。

(4)煤厚及倾角突然变化区。

七、煤与瓦斯突出的原因分析

煤与瓦斯突出发生的前后,都有地应力、瓦斯和煤层的地质构造应力与力学性质的种种异常表现,归纳起来,就是发生突出的三个主要因素:地应力、瓦斯和煤结构。每次突出都有这三个因素同时起作用,前两个因素是导致突出发生与发展的动力,后一个因素是阻碍突出发生的力。如果前两个因素取得支配地位时,即加在煤体上的地应力与瓦斯压力所引起的应力,大于煤的破坏强度时,就可能发生突出现象;当后一因素取得主导地位时,就不发生突出现象。如果在前两个因素处于支配地位的地区,预先采取降低地应力与抽放瓦斯或提高煤的强度的措施,人为地造成后一因素取得主导地位的条件,那么突出危险就可消除,从而实现安全生产。

(一)突出发生的具体原因

突出矿井一般应有健全的组织机构,较完善的管理制度,必要的技术装备和防突措施,一般说,不应该发生突出事故。但由于各种因素影响,突出事故仍然时有发生,主要原因是:

1、对防突工作思想麻痹,重视不够,没有按规定采取切实可行的防突措施。

2、对防突综合措施贯彻不力。

3、执行防突措施缺乏严肃性。

4、不按《煤矿安全规程》和《防突规定》规定去认真制定有效的防突措施和建立措施效果检验制度。

5、防突预测或效果检验失误。

6、疏于安全防护措施。

7、缺乏先进、可靠的超前勘探构造和突出危险预测的仪器装备,在一定程度上影响了预测预报效果;也有的突出矿井当地质条件变化后,原有的防突措施、技术装备、操作工艺已经不适应,但一时未找到新的解决办法。

8、作业人员缺乏煤与瓦斯突出常识。例如对突出预兆缺乏认识和了解,又侥幸心理,未加防范。

八、防突措施的发展

就防突措施来看,可概括为三个发展阶段。第一个阶段为以安全防护措施为主的阶段,其主要措施是震动性放炮。在人员远离工作面的条件下,放震动炮诱导突出,以保证人身安全。第二阶段为普遍采用防止突出技术措施的阶段,即在石门揭开突出煤层,以及在突出煤层的采掘工作面,普遍采用防突措施,如开采保护层、超前钻孔、松动爆破等,另辅助采用安全防护措施。第三阶段为两个“四位一体”综合措施阶段,使防突措施效果进一步提高。

《防突规定》要求,在开采突出煤层时,必须采取两个“四位一体”综合措施,包括:

区域综合防突措施包括下列内容:

1、区域突出危险性预测;

2、区域防突措施;

3、区域措施效果检验;

4、区域验证。

局部综合防突措施包括下列内容:

1、工作面突出危险性预测;

2、工作面防突措施;

3、工作面措施效果检验;

4、安全防护措施。

突出危险性预测是防突综合措施的第一个环节。预测的目的是确定突出危险的区域和地点,以便使防突措施的执行更加有针对性。

防治突出措施是防突综合措施的第二个环节,它是防止发生突出事故的第一道防线,即防止突出发生。防突措施仅在预测有突出危险的区域和区段应用。

防突措施的效果检验是防突综合措施的第三个环节,目的是在措施执行后检验预测指标是否降到突出危险值以下,以保证防突措施的防突效果。

安全防护措施防突综合措施的第四个环节,它是防止发生突出事故的第二道防线。安全防护措施的目的在于突出预测失误或防突措施失效发生突出时,避免人身伤亡事故。

九、结 语

防治煤与瓦斯突出是一项复杂的系统工程,防突工作任重道远。在防治煤与瓦斯突出的工作中,人们一直在两个方面进行着不懈的努力。其一,研究煤与瓦斯突出的机理,掌握突出的发生发展规律,以便用理论指导实践。但是由于突出是一种特别复杂的过程,人们尚未在理论上完全认识清楚突出的本质,至今还没有一种直接由突出理论导出的突出预测方法或防治方法用于煤矿现场。其二,研究煤矿现场使用的突出预测方法和突出防治方法。这种研究主要以现场的经验为基础,对与突出有关的资料进行总结,形成一些便于现场应用的方法,然后在实践中不断改进。由于影响突出的因素较多,各矿区的地质条件也不一样,存在着突出预测临界值随矿井的不同而不同,防突措施效果差别较大。但只要我们牢固树立突出事故是可防可控的思想,坚定必胜信心,采取科学合理的综合防突措施,我们一定能够战胜突出这种自然灾害。

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