煤与瓦斯突出防治技术-哈尔滨.ppt

煤与瓦斯突出防治技术,中煤科工集团重庆研究院 胡千庭 2013.8于哈尔滨,一、煤与瓦斯突出的基本情况,煤与瓦斯突出现象,历史上中国、日本、前苏联、波兰、法国、德国、英国、澳大利亚、美国等20多个采煤国家都发生过煤与瓦斯突出，其中尤为严重的要数中国、日本、前苏联等国家； 突出矿井开采成本高、事故风险大、有效控制突出成为世界性难题，1990年后，日本煤矿基本关闭，英法德等国煤矿也急剧减少，前苏联的突出矿井也大多予以关闭，美、澳等开采煤层自然条件远比中国好，开采突出煤层少;露天开采占主体；,一、煤与瓦斯突出的基本情况,我国2012年有1191对突出矿井，有史以来已发生近3万次突出，最大一次突出发生在1975年8月8日重庆天府矿务局三汇一矿，突出煤量12780t，涌出瓦斯140万m3；涌出瓦斯量最多的一次突出发生于1968年1月20日南桐矿务局鱼田堡煤矿+150m的1406大巷，涌出瓦斯量3.50106m3，突出吨煤涌出瓦斯量达700m3/t；北票、阜新、营城、窑街、铜川、永荣等矿区也发生过岩石与瓦斯突出。窑街突出的瓦斯气体主要是CO2。 年突出次数最多的1100多次、死亡近400人，多次引发特大型死亡百人以上的瓦斯爆炸事故；最近十年高瓦斯突出矿井平均开采深度由460m增加到635m，突出矿井数量也由不足250对增加到1191对，净增3.8倍。,一、煤与瓦斯突出的基本情况,煤与瓦斯突出的统计特征 突出多发生于构造破坏带 突出多发生于软煤层内 煤与瓦斯突出煤炭具有明显的堆积分选性，孔洞多呈口小腔大的倒梨形，突出吨煤涌出瓦斯量多在50m3/t以上； 压出型突出分选性不明显，孔洞多呈口大腔小的锥形、有时看不到孔洞，但周围较大范围煤体产生裂纹松动，突出吨煤涌出瓦斯量30m3/t以上，否则不属于突出研究范畴。,二、煤与瓦斯突出演化过程,一维粉化破坏实验,突出事故现场遗留的层裂破坏痕迹,瓦斯作用的粉化层裂破坏实验,现场监测到的多次循环突出发展,二、煤与瓦斯突出演化过程,依据实验室和现场事故案例分析表明：,应力瓦斯作用的层裂破坏实验,二、煤与瓦斯突出演化过程,典型煤与瓦斯突出经历准备、发动、发展、终止四个演化过程,突出具有如下演化流程：,突出力学条件的孕育 采掘活动使一部分煤岩体失去承载能力，形成支承压力； 采掘空间使煤体内瓦斯压力逐步下降，形成压力梯度。,二、煤与瓦斯突出演化过程,准备阶段支承压力,采掘应力集中，使煤岩体形成应力卸压区、集中区和原始区，在煤壁到峰值区进入塑性变形状态，形成剪切破坏裂纹，使煤体外移，孕育了突出条件 。,二、煤与瓦斯突出演化过程,二、煤与瓦斯突出演化过程,突出的激发 煤岩体承载超过极限强度时发生应变软化，剪破坏产生裂纹 微裂纹在应力和瓦斯作用下尖端形成拉破坏，促使裂纹扩展 采掘开挖出现应力转移，应力转移过程中出现短时增压现象。,二、煤与瓦斯突出演化过程,外加振动循环载荷或反复加卸载使煤岩体破坏失稳，（风镐、顶板断裂等） 煤岩体蠕变加剧使之失稳岩体（延期突出）。 以上都是激发突出的力学机理,二、煤与瓦斯突出演化过程,粉化破坏 突出的激发使深部煤岩体径向受力状态瞬间改变，瓦斯压力梯度迅速增加，煤壁附近承受短时高拉应力受拉破坏。 拉应力位于法线方向，无规则拉破坏定义为粉化破坏。,发动阶段,=r- p,二、煤与瓦斯突出演化过程,层裂破坏 粉化破坏突出煤体堆积于孔洞内，堆积煤和升压瓦斯对孔洞壁产生支撑力，孔洞壁前方煤体拉应力减小或消失，煤体在压应力和瓦斯作用下裂纹扩展，裂隙扩展方向平行孔洞壁面，形成层裂；继而在应力和瓦斯作用下破坏壳层，转为层裂破坏。,突出激发后，煤壁水平应力突然卸载，卸载波在煤体中传播，使煤体产生拉应力将煤层拉破坏形成初始层裂。,二、煤与瓦斯突出演化过程,二、煤与瓦斯突出演化过程,对低瓦斯条件，激发形成新暴露面，但形不成高瓦斯梯度的拉应力，因而仅压应力和瓦斯作用下裂纹扩展形成层裂，发生层裂破坏。,二、煤与瓦斯突出演化过程,暂停和终止 孔洞煤体堆积量增加、洞内瓦斯压力升高，孔壁支撑力加强，壳层仅可移动而不能被破坏，进入突出暂停阶段或终止阶段；随着瓦斯进一步释放，孔内瓦斯压力进一步升高到冲出堆积物时，再次发生粉化和层裂破坏。,能量条件和初始失稳条件构成了突出激发的条件 能量条件和破坏的连续进行条件构成了突出发展的条件 能量条件是必要条件,二、煤与瓦斯突出演化过程 突出发生的条件,18,以进尺L新增塑性区作为计算对象 计算了突出前煤体的弹性势能W1、瓦斯内能W2、煤体破碎功A1和抛出功A2，忽略移动功。,二、煤与瓦斯突出演化过程,这里破碎功是通过大量实验室冲击实验和突出事故现场实测资料得到的关系式。,19,突出时地应力、瓦斯压力和坚固性系数关系,二、煤与瓦斯突出演化过程,单位体积煤体的弹性能,单位体积煤体的瓦斯内能,由此得到有突出危险的条件： f0.3、p0.74MPa； 0.3f0.5、p1.0MPa； 0.5f0.8、p1.50MPa； p2.0MPa,20,二、煤与瓦斯突出演化过程,并形成以下结论： 软煤使发生突出条件迅速降低，最易发生突出； 常规条件下（P0.5MPa、H800m)，瓦斯内能比应变弹性能大两个数量级，瓦斯内能是引发突出的主要能量； 深部开采时（H800m)应变弹性能迅速增加，成为不可忽视的主要能量之一，深部低瓦斯软煤和浅部低瓦斯构造应力作用区可能发生突出，深部低瓦斯硬煤可能发生冲击地压。 突出关注的重点是瓦斯内能、软煤、构造；冲击地压关注的是弹性应变能（含顶底板）、硬煤、构造,1、钻屑瓦斯解吸指标法预测采掘工作面突出危险性技术和设备：包括预测指标K1max和Smax、测量仪器和工艺、临界值确定方法、判定准则等，推广到800多对矿井。,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,原理：通过向煤层干式施工钻孔（孔深在10m以内），在孔口接取每钻孔1m排出的钻屑量S,并取部分钻屑煤样测量其解吸瓦斯量，计算得到瓦斯解吸指标K1。一个作业班布置多个钻孔，每个钻孔每钻进1m测量一组数据，选取最大值K1max和Smax作为预测指标。,实验表明煤样暴露20min内瓦斯解吸规律服从：,K1是瓦斯解吸初速度，与瓦斯含量密切相关，直接反映瓦斯内能；,指标测量定仪器,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,S与应力和煤的硬度密切相关，尤其对f值特别敏感。 这两个指标反映了瓦斯内能和软煤特性，可用于预测突出，但不同条件煤层，K1临界值不同。 不同条件煤层临界值确定方法：对具体煤层取煤样在实验室进行解吸实验，依据实验得到的K1与临界瓦斯压力的关系确定K1预测突出危险性的临界值，并结合误差分析，确定适用条件为的煤层。 K1(P，f，) 对不同类型工作面，煤样应尽可能取自危险性 最大的点，研究得到不同类型工作面预测钻孔布孔 和测量工艺，并形成了标准。 研制了一、二代测量仪表。,2、无线电透视探测富含瓦斯软煤区技术应用到150多对矿井。 原理：利用无线电磁波在富含瓦斯软煤区传播时加速衰减的特征探测软煤，探测范围达250m以上；,无线电磁波在富含瓦斯软煤区传播衰减,富含瓦斯软煤地质异常区探测成果,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,3、深孔测瓦斯含量技术和装备 原理：煤样瓦斯解吸符合如下曲线和表达式：瓦斯含量Q=取芯损失量Q0+测定量Q1+粉碎测定量Q2+不可解吸量,煤芯,难点：深孔快速取样、损失量补偿； 创新点：3种深孔取样技术和设备，五种煤样损失量补偿模型。,煤样的瓦斯解吸全程曲线,适用于硬煤层取芯器，取出块煤样损失量小，取样中球形密封、气水雾降温减少损失量。,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,适用于软煤的负压引射取芯器，取样时间min，取样孔深30120m; 适用于中硬和软煤的螺旋负压引射正压压风取芯器,取样时间min，取样孔深100m。,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,五种损失量补偿模型,煤芯,应用效果及支撑：取样时间min，取样孔深100m，测量误差，应用多对矿井。,三、井下快速测定瓦斯内能和软煤技术和装备,1、对有突出危险煤层，采前抽采瓦斯达标是消除突出危险性的关键，瓦斯抽采后煤也变硬了。 以晋煤为例的北方矿井，煤层较稳定、煤硬度较高，抽瓦斯钻孔施工难度较小。我们研制成功千米枝状定向钻孔递进式采掘前预抽瓦斯成套技术，解决了千米顺层孔成孔工艺、预抽瓦斯量预测模型、抽掘采工程接替关系等难题，为实现千万吨产量提供了条件。 原理：,四、预抽煤层瓦斯消除瓦斯内能成套技术装备,创新点：递进式抽采方法； 预抽瓦斯量预测模型；,采煤采气一体化工程接替关系,四、预抽煤层瓦斯消除瓦斯内能成套技术装备,效果及成果支撑：寺河煤矿施工孔深达到1129m，井下年抽采瓦斯量达亿m，抽采率达80%，年产煤炭1000万吨,在晋、陕、蒙、宁、新等50多个矿井推广。,2、以重庆“松藻”为例的南方突出煤层构造复杂、煤软，顺层钻孔施工孔深不足50m、且会发生钻孔突出。研究成功穿层与顺层钻孔结合的松软严重突出煤层预抽瓦斯技术和装备。,难点是软煤钻孔施工时孔壁煤变形大，产生沿程阻力使钻杆抱钻、卡钻。,四、预抽煤层瓦斯消除瓦斯内能成套技术装备,创新点：螺旋压风排渣配合变速钻机具。螺旋钻杆沿程切削孔壁变形，合理螺旋结构钻杆加速旋转增大排渣量，合理压风风压和风量利于排渣，研磨钻头减小钻渣块度利于排渣。,采煤工作面顺层预抽煤层瓦斯方法,松软突出煤层钻孔施工工艺,变转速大功率钻机,依据产渣倍率的钻孔施工工艺,可正反转的螺旋和三棱钻杆,压风参数与产渣倍率关系,防大块渣的钻头,四、预抽煤层瓦斯消除瓦斯内能成套技术装备,效果：在松藻钻孔成孔率70%的施工孔深由50m提高到160m以上，单机月效率提高1.25倍，实现了180m以上采煤工作面上下向顺层钻孔全覆盖。在西南、中南、华东、东北等矿区560多个矿井推广应用。,采煤工作面顺层预抽煤层瓦斯方法,松软突出煤层钻孔施工工艺,四、预抽煤层瓦斯消除瓦斯内能成套技术装备,1、对防治突出技术和管理进行梳理，提出了“以区域四位一体为主、局部四位一体为辅”的“两个四位一体”防治突出新的技术模式，并将其载入防治煤与瓦斯突出规定法规中，规范突出矿井的生产和技术管理行为。,防突规定,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,2、发明了预警方法和系统 原理：防治突出的技术管理涉及突出危险性、措施有效性以及管理措施有效性的判定，依据判定采取应急措施控制事故发生，而要达到这一目的需要足够的有效信息和正确的判定决策，这些工作完全靠人是难以满足的，需要利用自动监测信息和判定模型实现危险预警和应急自动控制。,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,建立了预警指标体系；,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,研发并构建了隐患信息监测方法和设备 对已有携带式仪表全部增加网络数据传输功能，实现数据自动传入系统，如：瓦斯含量、地质异常、钻孔轨迹、钻屑瓦斯解吸指标等； 集成已有监测仪表和子系统，实现隐患数据的自动监测，如：人员位置、瓦斯浓度、设备设施运行状态、瓦斯抽采计量等监测子系统； 开发新的监测传感技术和子系统，如采掘进尺监测传感技术、风网动态监测子系统、突出波及区域监测子系统等。,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,研究成功预警分析模块和软件平台，实现了技术管理、隐患预警、灾变应急联动控制等功能。,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,集成构建了监控预警硬件平台，实现了煤与瓦斯突出的在线监控预警和应急联动控制。,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,按照“两个四位一体”技术模式分别在山西晋煤寺河矿和重庆松藻渝阳煤矿建立了基于监控预警的示范工程，使渝阳煤矿连续十一年消灭了瓦斯事故、寺河煤矿连续五年消灭了瓦斯事故，年产煤炭1000万吨。 应用效果及成果支撑：推广到80多个突出矿井，应用矿井至今没有发生突出事故。,五、发明了瓦斯内能和软煤监控预警方法,突出煤层可以转变为冲击地压危险煤层,六、对深部开采和冲击地压的几点看法,冲击能量指数随吸附瓦斯压力的变化,弹性能量指数随吸附瓦斯压力的变化,高瓦斯煤层突出危险性高、但冲击倾向性低，瓦斯排放后突出危险性降低、但冲击倾向性显著增强。,深部开采应力显著增加，无论对突出或冲击地压都是一种严重威胁，测定应力是一个难题，因此分析应力集中区的范围和系数是预测突出或冲击地压危险性非常重要的手段。 采用数值模拟分析各采掘空间和构造周围应力集中系数； 矿压