煤与瓦斯突出预测及防治

煤与瓦斯突出分类
• 1、按动力现象的力学(能量)特征分类
• 根据动力现象的力学(能源)特征不同，煤与瓦斯突出可分为突出、 压出与倾出三类。 • （1）发动突出的主要作用力是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常 以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本 能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。 • （2）发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重 是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。 • （3）发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、含有瓦斯致使内 聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位 能的释放创造了条件，实现倾出的主要力是失稳煤的自重。 这三类力现象的发动都以地应力为主，所以它们的预兆相似(如有 声响预兆等)，对震动以及引起应力集中的各因素都非常敏感，在应 力 集中地带、地质构造带、软煤带等处都易发生这三类现象。
煤与瓦斯突出分类
• 2、按动力现象的强度分类 • （1）小型突出：强度<50t/次（突出后，经过几十分钟瓦 斯浓度可恢复正常）； • （2）中型突出：强度50～99t／次(突出后，经过一个工 作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)； • （3）次大型突出：强度100～499t/次(突出后，经过一 天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)； • （4）大型突出：强度500—999t/次（突出后，经过几 天回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）； • （5）特大型突出：强度>1000t／次（突出后，经过长 时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。
K
P f
D (0.0075H f 3)(P 0.074)
煤与瓦斯突出预测方法
• 3、工作面突出危险性预测 • （1）接触式预测方法：q、S、Δh2 、K1 • （2） 非接触式连续动态预测方法：AE、 瓦斯涌出量、T、电磁辐射等
煤与瓦斯突出防治措施
• 1、区域性防突措施 • 2、局部性防突措施 • 防突措施的作用：减少瓦斯、降低应力
局部性防突措施
• （4）卸压槽
• 机理：沿煤层全厚垂直于煤
层顶底板，在巷道边壁处沿巷 道掘进方向切割两条卸压槽， 卸压槽是两个附加的暴露面， 不但有助于巷道方向的拉应变， 而且也有利于卸压槽方向的拉 应变。这些变形决定了由工作 面和卸压槽圈定煤层的卸压和 瓦斯有效排放，这种形状和范 围的安全卸压带的形成，使下 一循环的安全进尺成为可能。
局部性防突措施
• • • • • • • • • （2）水力压裂 水力压裂参数 钻孔深度 封孔深度 钻孔间距a 煤角至钻孔距离b 超前距离 最大注水压力和最终压力 注水时间t和注水速度v
局部性防突措施
• （3）卸压缝 • 机理：煤层卸压和排 放瓦斯是防治煤与瓦 斯突出的基本原则。 沿工作面全长形成的 卸压缝，使煤层边缘 卸压，由此提高了煤 层透气性，煤层瓦斯 得到排放，增大了卸 压排放带。
煤与瓦斯突出防治措施
• • • • 1、区域性防突措施 （1）开采保护层 （2）预抽煤层瓦斯 （3）煤体 • • • 2、局部性防突措施 （1）水力松动 （2）水力压裂 （3）卸压缝 （4）卸压槽 （5）卸压腔 （6）超前钻孔 （7）水力爆破
局部性防突措施
煤与瓦斯突出特征与规律
• 根据我国主要突出矿区如天府、南桐、里王庙、焦作、六 枝等的统计资料表明，突出发生的一般规律有： • （1）突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深 度称为始突深度，一般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。 • （2）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚 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。 • （3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、 甘肃窑街)突出二氧化碳。 • （4）突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大； 透气性差(透气性系数〈10m2／(Mpa2.d)〉；瓦斯故散初 速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破坏 的“构造煤”。
局部性防突措施
• （7）水力爆破 • 参数
• • • • • • • • （1）钻孔深度.................................................................11m （2）钻孔直径..................................................................60mm （3） 炸药类型...................................................№1岩石硝铵炸药 （4）炸药质量...................................................................8.4Kg 炮泥长度: （5）水封............................................................................4.5m （6）砂质粘土.....................................................................0.5m 炸药结构为单列圆柱
煤与瓦斯突出特征与规律
• （5）突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出 的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造 具有带状分布的特征。 • （7）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与 震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可 使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。 • （8）绝大多数突出都有预兆。 • （9）煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石 门突出强度最大。
煤与瓦斯突出机理
• 综合作用假说 • 该类假说最早由前苏联的Я.Э.聂克拉索夫斯基教授在50年代提出， 他认为煤与瓦斯突出是由于地压和瓦斯的共同作用引起的。到50年代 中期，А.А.斯科钦斯基院士根据开采突出危险煤层的经验，以及当时 的科研工作成果，提出突出是由于下列因素综合作用的结果： • （1）地压； • （2）包含在煤体中的瓦斯； • （3）煤的物理力学性质，煤的微结构和宏观结构及煤层结构； • （4）在急倾斜煤层中，煤层工作面附近的煤的自重。 • 这些为综合假说奠定了基础。 • 综合作用假说认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦 斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说 观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果。
• （5）卸压腔 • 机理：保护层开采 • 适用条件：半煤岩工 作面
在突出危险缓倾斜煤层上方卸压腔（缝）形成示意图 а——利用掘进机工作机构；б——利用割缝装置 1——卸压缝；2——保护岩柱；3——一个掘进循环允许的巷道工作面进尺
局部性防突措施
• • • • • （5）卸压腔 卸压腔参数 （1）卸压缝高度 （2）卸压缝宽度 （3）无论在掘进方向，还是在巷道侧壁的 最小超前距，以及卸压缝到煤层的距离都 不应小于0.5m。 • （4）卸压缝长度增量采用40 cm
局部性防突措施
• （4）卸压槽 • 卸压槽参数
• 根据顿涅茨克矿区突出危险煤层的开采经验，并 考虑到安全性，卸压槽的深度应不超过2.5m，宽 度为60～80mm。 • 卸压槽有效卸压距离为2m，故卸压槽之间的距离 不应大于4m。 • 对于卸压槽长度的允许进尺深度，即最小超前距 取0.5m。
局部性防突措施
局部性防突措施
• （2）水力压裂
• 水力压裂过程 • ①注水开始阶段，水经钻孔注水部分进入钻孔周围的卸压区。随着注 水压力增高，沿钻孔轴向的垂直和平行方向，密封弹性膨胀元件向钻 孔壁传递不断升高的载荷。第一保证了钻孔及其附近煤体的可靠密封， 其次在密封端头向采掘空间方向传递压力，保证在钻孔封孔深度处产 生拉应力，形成煤层破坏弱面。 • ②注水压力达到最大值时，在煤层中封孔深度处，沿弱面形成一条平 行于工作面煤壁的断裂裂缝。随着向煤层继续注水，在几乎所有情况 下，断裂缝向工作面方向发生偏移。在此期间，煤层中可听到特殊的 劈裂声。 • ③在形成断裂缝的同时，作用于裂缝壁的注水压力使该部分煤体应力 升高，产生弹性变形，即发生能量积聚。 当断裂缝中存在最大注水压 力时，煤层的这部分附加潜能将一直保存。 • ④随着水力裂缝面积的扩大和附加潜能的积聚，工作面附近煤层的总 绝对应力达到极限值，水力处理区域的煤层开始破坏和推出。在水力 处理区域水向工作面喷出时，停止水力压裂。
煤与瓦斯突出预测方法
• • • • 煤层突出危险性预测 区域突出危险性预测 工作面突出危险性预测 《防治煤与瓦斯突出细则》、《煤矿安 全规程》、《煤与瓦斯突出鉴定方法》、 《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》
煤与瓦斯突出预测方法
• • • • • 1、煤层突出危险性预测 （1）突出煤层 （2）非突出煤层 （3）预测指标 A、动力现象：在采掘过程中发生过煤与瓦斯突出 的煤层。 • B、单项指标：煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指 标、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力。
• （1）水力松动 • 机理：水力松动的实质是在回采工作面或准备巷 道工作面施工钻孔，通过钻孔向煤层压入特殊状 态的水溶液，通过水对煤体结构的破坏作用改变 工作面附近煤层的瓦斯动力状态和应力应变状态 ， 在工作面附近煤层形成裂隙带，导致煤层失去支 撑能力，引起集中应力带向煤体深部转移。由于 煤层失去支撑能力，在工作面附近形成卸压带时， 同时伴有瓦斯向外排放。
煤与瓦斯突出预测及防治
河南理工大学瓦斯地质研究所 魏风清
煤与瓦斯突出预测及防治
• • • • • 煤与瓦斯突出机理 煤与瓦斯突出分类 煤与瓦斯突出特征与规律 煤与瓦斯突出预测方法 煤与瓦斯突出防治措施
煤与瓦斯突出机理
• • • • • 单因素假说 综合假说 流变假说（周世宁，何学秋） 球壳失稳理论（蒋成林，俞启香） 固流偶合失稳理论（章梦涛，梁冰）
局部性防突措施
• • • • • （6）超前钻孔 参数 （1）钻孔直径 （2）钻孔深度 （3）钻孔有效作用半径（卸压和排放作用 半径） • （4）钻孔最小超前距 • （5）钻孔之间的距离
局部性防突措施
• （7）水力爆破 • 机理：水力爆破可以 理解为炸药在充水钻 孔中的爆破。在煤层 水力爆破处理时，通 过煤的松动和由此引 起的工作面附近煤层 应力重新分布和瓦斯 排放，达到防治煤与 瓦斯突出。
局部性防突措施
• （3）卸压缝 • 卸压缝工艺 • ①卸压缝的连续性和 其几何参数的均匀性。 • ②使用专门在煤层中 开缝槽的割缝机
局部性防突措施
• • • • • • • （3）卸压缝 卸压缝参数 卸压缝的位置 高度 深度 割缝速度 卸压缝煤角部分底部的形状 上述参数不但要保证在割缝过程中的突出防治， 而且要保证随后回采过程中的突出防治。
局部性防突措施
• （1）水力松动
水力松动时裂隙发育图 1—煤层工作面；2—封孔器；3—钻孔充水部分；Ⅰ～Ⅳ—裂隙发育阶段
局部性防突措施
• （1）水力松动
• 水力松动参数
• • • • • • • 钻孔深度，m………………………………………………6～11 钻孔直径，m………………………………………………42～45 钻孔封孔深度，m…………………………………………4～8 钻孔间距，m………………………………………………6～12 钻孔超前距离，m…………………………………………2～3 吨煤设计注水量，L………………………………………..20 注水压力，MPa……………………………………………
局部性防突措施
• （2）水力压裂 • 机理：借助于钻孔向煤层 注入高压水，将工作面附 近煤层强制压出。由于水 力压裂造成工作面附近煤 层向采掘空间推出，使煤 层发生松动、形成裂隙。 此时在水力作用区应力严 重减小，煤层透气性大大 提高，煤层局部卸压和湿 润，压出煤体的机械强度 和支撑能力降低，应力重 新分布，因此最大支承应 力点向煤体深部转移。
局部性防突措施
• （6）超前钻孔 • 机理：在沿煤层打的 钻孔周围出现塑性带， 在塑性带内煤层应力 和瓦斯含量严重下降。 由于在钻孔周围煤体 应力减小，煤层透气 性增加，煤层瓦斯自 然排放，导致其突出 危险性消除。
局部性防突措施
• （6）超前钻孔 • 特点
• （1）钻孔直径的增加 ， 突出深度减小 • （2）随着采矿深度、钻 孔深度和直径、打钻速度 的增大，在打煤层钻孔过 程中突出发生的概率将增 加 • （3）塑性带尺寸随钻孔 半径的增加而增大，随各 向压缩应力的增加即采矿 深度的增加而减小
煤层突出危险性 突出危险 煤的破坏类型 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 瓦斯放散初速度指标 ≥10 煤的坚固性系 数f ≤0.5 煤层瓦斯压力， MPa ≥0.74
煤与瓦斯突出预测方法
• 2、区域突出危险性预测
• • • • • • • （1）预测指标 A、瓦斯地质统计法 B、综合指标法 ：D、K （2）预测结果 A、突出危险区 B、突出威胁区 C、无突山危险区。