煤与瓦斯突出及其防治

煤与瓦斯突出及其防治

作者：常建飞

来源：《科学与财富》2011年第04期

[摘要] 煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象，也是煤矿中一种严重的自然灾害.从1950年至今,在我国不同类型的200多个矿井中已发生了一万多次突出,约占全世界总突出次数的三分之一.其强度最大的一次,突出煤量12780吨、瓦斯140万米~3.我国已成为突出最严重的国家之一.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。因此，必须把防治突出作为一项重要工作来抓。

[关键词] 煤与瓦斯突出；突出机理;防治

0前言

煤与瓦斯突出是煤矿井下采煤过程中发生的一种煤与瓦斯的突然运动,是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象; 可在极短的时间内, 由煤体内部向采场、巷道等采掘空间喷出大量的煤和瓦斯。突出物会造成埋人,破坏设施,突出的瓦斯使人窒息,甚至引起瓦斯爆炸,造成严重的人员伤亡和矿井损毁事故。我国煤与瓦斯突出矿井多,分布范围广, 并且突出频繁, 突出后，在煤体内形成各种奇异分岔形的突出空洞。不同类别的突出，起主要动力原因不同，表现的特征不同，采取的防治措施也不同。因此深入研究煤与瓦斯突出是非常必要的。

1 煤与瓦斯突出的机理、类型与一般规律

1.1 煤与瓦斯突出的机理

我国根据现场资料和试验研究对突出机理进行了探讨，提出了新的见解和观点,特别是近几年随着研究的深入及新技术手段的应用,产生了许多新认识。目前已能对突出发生的原因、条件、能量来源作出定性的解释和近似的定量计算,为防治措施选择及效果检验提供理论依据。概括起来主要有以下几方面:中心扩张学说、流变假说、二相流体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳观点。

国外关于煤与瓦斯突出机理的认识可归为4种观点:地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说[1,2]。

1.2 煤与瓦斯突出的类型

煤与瓦斯的突出包括:煤与甲烷突出、岩石与甲烷突出、煤与CO2突出、岩石与CO2突出等。由于突出时的原动力和表现现象不同,煤与瓦斯突出可分为突出、倾出、压出等3种情况。

1.3 煤与瓦斯突出的一般规律

突出的次数和强度随开采的深度增加而增加；突出多发生在地质构造地区,如褶曲、断层处及岩浆侵入地区；煤体破坏程度越严重,煤的强度越小,突出危险性越大；煤层中的厚度大、倾角大或其厚度和倾角发生变化以及煤层中的软分层由薄变厚的地区,容易发生突出；掘进工作面应力集中的地区易发生突出；在外力冲击作用下,如放炮或采煤机割煤时煤体受到震动,诱导瓦斯发生突出；围岩的透气性越差、致密的岩层越厚, 煤层的瓦斯含量越高,其突出的危险性也就越大；突出多发生在揭煤和煤层掘进工作面[3]。

2煤与瓦斯突出的预兆与预测

2.1 煤与瓦斯突出的预兆

煤与瓦斯突出前一般都有预兆,没有预兆的突出是极少数的。突出预兆伴随其突出过程,按其主要特征大体可分为“三个阶段”

2.1.1早期预兆,煤变软、光泽暗、层理节理都紊乱

2.1.2中期预兆,钻沫多、钻进慢,夹顶、喷孔异常,预兆严重突出危险区域表现强烈

2.1.3临突预兆,工作面来压、煤炮响、瓦斯涌出异常

2.2 煤与瓦斯突出的预测

科学确定煤与瓦斯突出敏感指标临界值。通过理论分析、实验室实验和现场试验相结合的方式,对各种煤与瓦斯突出预测指标进行敏感性分析研究,确定煤与瓦斯突出敏感指标临界值。对部分防突指标检验值超过规定的或出现动力现象的煤层,应进行突出危险性鉴定或进行突出危险区域划分,未鉴定划分前要按突出煤层进行管理。国内外煤与瓦斯突出的预测方法有以下几种:(1)微震技术预测突出危险性(2)煤层温度状况预测突出的危险性,温度状况预测突出危险性的理论根据是:瓦斯解吸时吸热,导致煤层温度降低。温度降低越多, 说明煤层瓦斯解吸能力越强,则突出危险性越大。(3)电磁辐射强度预测突出危险（4）煤层中涌出的氦或氡体积分数的变化预测突出[4]。

3 预防煤与瓦斯突出的措施

防治煤与瓦斯突出,在预测它发生的地区、范围后,采取必要的防治措施,改变其发生突出应具备的基本条件,从而可以使其不发生或降低其突出强度。预防突出措施按作用范围来划分,有区域性措施和局部性措施。

3.1 预防突出的区域性措施

3.1.1优先开采保护层

开采具有煤和瓦斯突出危险的煤层群时,预先开采无突出危险或危险性较小的煤层,使有突出危险的煤层卸压,大量泄出瓦斯,从而使其减弱或失去煤和瓦斯突出危险。对有条件进行保护层开采的突出煤层,坚定不移地实施保护层开采,对不具备保护层开采条件的突出煤层不安排采掘活动,同时创造条件研究解决保护层开采的新技术。

3.1.2煤层开采前瓦斯预先抽排

煤层开采前瓦斯预先抽排,消除高地应力,提高煤层透气性, 在回采前消除突出。

3.1.3煤层注水

水湿润的煤力学性能发生很大变化,塑性提高, 弹性模量减小,从而使地应力分布均匀化,地应力和瓦斯压力梯度都减小,弹性潜能降低,释放的速度变小,大大减小了突出释放弹性潜能的功率水平;水进入煤的孔隙,降低了瓦斯放散初速度,增加了瓦斯流动阻力,从而削弱了瓦斯在突出过程中的作用;抽排瓦斯降低了瓦斯压力和瓦斯含量,减小了瓦斯内能[5]。

3.2预防煤和瓦斯突出的局部性措施

3.2.1水力冲孔

在进行采掘工作之前,使用高压水射流,在有突出危险的煤层(或石门揭煤)中,冲出若干直径较大的孔洞。冲孔过程中可排出大量瓦斯和一定数量的煤炭,因而在煤体中形成局部卸压区域,在这个区域内,则可防止发生突出。水力冲孔常用于石门揭煤、煤层巷道掘进和回采工作面。在石门揭煤时,采用水力冲孔在工作面前方应保留3~5m的安全岩性。

3.2.2排放钻孔

在预定的石门(井筒)揭穿煤层的断面轮廓外布置多排扇形穿层钻孔, 通过钻取煤炭与排放瓦斯来防止揭穿煤层时发生突出。该法简便易行,效果显著,特别适用于急倾斜煤层条件。

3.2.3金属骨架