（采矿工程专业论文）基于地质构造的煤与瓦斯突出预测研究.pdf

摘要 国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布。因此，区域预测在煤与 瓦期突出防治工作占有重要的地位。由于煤与瓦斯突出现象的复杂性，目前普遍承认煤 与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤体结构等诸因素综合作用的结果，且地质构造起主导控 制作用。事实上地应力是突出的主要动力来源，高压瓦斯及破碎的煤体结构是突出的物 质基础，而工程采掘活动则为突出提供了适宜的边界条件。 本文基于地质动力区划确定的活动构造信息、区域地应力场测量和模拟研究成果、 瓦斯地质研究成果、分形研究成果、地质勘探成果提取有关地质构造信息进行综合智能 分析，在空间数据管理的基础上，应用概率预测的方法对影响突出的诸因素进行模式分 析和度量，对区域煤与瓦斯突出的危险性做出分类，划分煤与瓦斯突出危险区、突出威 胁区和无突出危险区，及其与煤与瓦斯突出点的空间关系，显示井田范围内活动构造、 构造应力分布、瓦斯涌出量和瓦斯含量，尽可能多地考虑了较多因素，分析各种影响因 素之间的相互联系及其在突出过程中的作用或影响程度，得出包括影响因素的评价煤与 瓦斯突出危险性的定量综合判据，从而使定量综合指标供定性使用。本文所做的研究工 作如下： ( i ) 确定了鹤壁煤田构造是典型的人字型和弧形构造形式。在经度方向处在构造凹 地区域，在纬度方向处于平原和河南西部山区的交界处，纬度方向具有台阶式的结构， 鹤壁矿区处于凹地与阶地的相交区域，处在断裂带的变形影响区内这决定了鹤壁煤田 的高应力和高瓦斯含量的地质背景。 ( 2 ) 利用地质动力区划方法，查明i 级活动断裂9 条、级活动断裂8 条、级活 动断裂9 条、级活动断裂1 9 条、v 级活动断裂3 2 条。查明的各级活动断裂，特别是 i 、i i 级活动断裂与我国地质界、地震界所确定的活动构造大多有明显的联系 ( 3 ) 查明矿井的煤与瓦斯突出事件以某种方式与地质动力区划查明的活动断裂相联 系，煤与瓦斯突出显现与活动构造和构造应力密切相关在井田内，约8 5 2 的煤与瓦 斯突出显现点位于断裂带影响区或断裂带交汇部位，并受m 一2 、i v - 7 、v 一3 和v 一6 四条活动断裂的控制，规律十分明显。这四条活动断裂从时间上和空间上制约着六矿煤 与瓦斯突出显现的发生。 ( 4 ) 地应力测量得出鹤壁六矿的地应力场属于水平应力场，地应力是以水平压应力 为主导；确定了一个以2 5 5 。取向的最大压应力为2 6 m p a 的区域现今构造应力场。对井 田岩体分析表明，六矿井田划分了4 个区域应力升高区、2 个应力降低区和3 个应力梯 度区。在井田内，约7 4 的煤与瓦斯突出显现地点位于高应力区和应力梯度区内。 ( 5 ) 在鹤壁六矿v 级断裂图上，利用分形理论进行区域分维值计算，画出了分维等 值线图，通过比较，发现矿井突出区域断裂体系的分维值明显高于没有发生突出地点的 分维值，由此得出：构造分维值越高，发生突出的危险性越大。通过对矿井最大主应力 图与分维等值线图综合分析得出，区域断裂体系的分维值越高、应力变化的梯度越大， 发生煤与瓦斯突出的危险性就越高。 ( 6 ) 应用煤与瓦斯突出多因素模式识别概率预测方法，实现了鹤壁六矿二- 煤层的 分单元概率预测，划分了煤与瓦斯突出的危险区、威胁区和安全区三类区域分别占预 测区域的2 6 、3 6 9 、3 7 1 。实现了以网格单元为基础的煤与瓦斯突出危险性概率 预测，初步确定了煤与瓦斯突出危险性概率临界值。煤与瓦斯突出本身是多因素共同作 用下的不确定事件，用危险性概率作为预测区域危险性的指标提高了煤与瓦斯突出区域 预测的科学性。煤与瓦斯突出区域预测的结果，可用数据库方式表示，可以生成等值线 图、分层着色图、三维图、各类统计图，与工程图结合生成单元预测图。 ( 7 ) “煤与瓦斯突出区域预测信息管理系统”实现了图( 空间图形可视化与管理) 、 文( 属性数据可视化与管理) 、声和像( 多媒体资料的可视化与管理) 等4 类数据的可视化 管理。可方便地对矿井开采、煤与瓦斯突出等数据进行查询、检索、统计和输出，能自 动生成各类专题图、数据库，并辅助有声音、图像，提高了信息处理水平 关键词：煤与瓦斯突出；地质构造；地质动力区划；分形；区域预测 a b s t r a c t i ti si n d i c a t e db yd o m e s t i ca n do - v e t s e a sm i n i n gp r a c t i c et h a tt h eo c c u l r c n c eo f c o a la n dg a s o u t b u r s td i s t r i b u t e st e r r i t o r i a l l y t h e r e f o r e , r e g i o n a lp r e d i c t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o a l a n dg a so u t b u r s tp r e v e n t i o n b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo f c o a la n dg a so u t b u r s tp h e n o m e n a , i ti sc o n s i d e r e dt h a tc o a la n dg a so u t b u r s ti st h es y n t h e s i z er e s u l to fs t r e s s ，g a s ，c o a l c o n f i g u r a t i o ne t c ，a n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r a lp l a y sad o m i n a n tr o l ei nc o n t r o l l i n g i nf a c t ，s t r e s s i st h em a j o rd y n a m i c a ls o u r c e ，h i 曲p r e s s u r eg a sa n dc r a c k e dc o a lc o n f i g u r a t i o na r et h e s u b s t a n c eco fo u t b u r s t , a n dt h a te x c a v a t i o ne n g i u e e rp r o v i d e sp r o p e rb o u n d a r yc o n d i t i o nf o r o u t b u r s t r e l a t i o n a lg c o l o 画c a li n f o r m a t i o n , w h i c ha r ed i s t i l l e df r o ma c t i v es t r u c t u r a ld e c i d e db y g e o - d y r m m i cd i v i s i o n 、r e g i o n a ls t r e s sm e a s u l 屯a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h 、g a sg e o l o g y r e s e a r c h 、 f r a e t a lr e s e a r c ha n dg e o l o g yr e c o n n o i t e r i n gr e s u l t ，i ss y n t h e t i c a l l yi n t e l l i g e n ta n a l y z e d b a s e d o ns p a t i a ld a t am a n a g e m e n t , p r o b a b i l i t yp r e d i c t i o nm e t h o di sa p p l i e dt op a t t e r na n a l y z ea n d m e a s u r em u l t i - f a c t o ra f f e c t i n go u t b u r s t , t oc l a s s i f yt h ef a t a i n e s so fr e g i o nc o a la n dg a s o u t b u r s t , t od i v i d ei n t oc o a la n dg a so u t b u r s td a n g e r o u sa r e a 、t h r e a ta r e aa n ds a f e t ya r e aa s w e l la si t ss p a t i a lr e l a t i o n sw i t hc o a la n dg a so u t b u r s tp o i n t , t os h o wa c t i v es t r u c t u r ei nm i n i n g r a n g e 、s h - u c t u r es l x e s sd i s t r i b u t i n g 、g a so u t b u r s tg u s h i n gq u a n t i t ya n dg a sc o n t e n t ，t oa n a l y z e t h er e l a t i o n sw i t he v e r yi n f l u e n c ef a c t o ra n di t si n f l u e n c i n gd e g r e ei no u t b u r s tp r e - c o n s i d c r i n g m o r ef a c t o r s c o n s e q u e n t l yt h eq u a n t i f i c a t i o n a ls y n t h e s i sc r i t e r i o ni se d u c e d , w h i c hi sm a d e u s ef r o mq u a n t i f i c a t i o n a lc r i t e r i o nt oq u a l i t a t i v ec r i t e r i o n t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v o n e n t sc a l lb ei n c l u d e d 勰f o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r eo fh e b ic o a l 丘e l di st y p i c a lh e r r i n g b o n ea n da r cf o r m i ti ss u n ki n l o n g i t u d e a n dp l a c e st h ei n t e r s e c t i o nb e t w e e np l a i nm a dt h ew e s tm o u n t a i n o u sa r e ao f h e n a n p r o v i n c ei nl a t i t u d e w h i c hh a ss i d e s t e ps t r u c t u r e n 壕i n t e r s e c t i o na r e ai si n f l u e n c e db yf a u l t d i s t o r t i o n t h e s ed e c i d e dh i 出s t r e s sa n dh i g hg a sc o n t e n ti nh e h ic o a l f i e l d ( 2 ) n i n ed e g r e ei ，e i g h td e g r e ei i ，n i n ed e g r e e i l l ，n i n e t e e nd e g r e e i va n dt h i r t y - t w od e g r e e va c t i v ef a u l t sa r ed e c i d e db yg e n - d y n a m i cd i v i s i o n h e r e i n t o ，t h em a j o r i t yo f d e g r e eia n d d e g r e ei ia c t i v ef a u l t sh a v ed i s t i n c tr e l a t i o n s h i pw i t ha l r e a d ya c t i v ef a u l t sa s c e r t a i n e db y g e o l o g i s t sa n ds d s m o l o g i s t s o ) i ti sf o u n do u tt h a tc o a la n dg a so u t b u r s te v e n th a sr e l a t e dt oa c t i v ef a u l t sd e c i d e db y g e e d y n a m i cd i v i s i o n t h e nc o a la n dg a so u t b u r s ta p p e a r a n c eh a sc l o s er e l a t i o nw i t ha c t i v e s t r u c t u r ea n ds t r u c t u r a ls t r e s s 8 5 2 c o a la n dg a so u t b u r s ta p p e a r a n c ep o i n t sh a v ep l a c e d t h er e g i o na n dt h ei n t e r s e c t i o no f a c t i v ef a u l t si nm i n i n ga r e a , a n da r ec o n t r o l l e db y - 2 、 7 、v 3a n dv - 6a c t i v ef a u l t t h ef o l l ra c t i v ef a u l t sr e s t r i c tt h eo c c u 册l c eo fc o a la n dg a s o u t b u r s ta p p e a r a n c ef r o mt i m et os p a c e , ( 4 ) t h es t r e s sf i e l do fh e b in 0 6m i n ei st h eh o r i z o n t a ls t r e s sf i e l db ym e a s u r i n gs t r e s sa n d i sd o m i n a n ti nh o r i z o n t a lp r e s s u r es t r e s s t h e nt h er e 西o n a ls t r u c t u r es t r e s sf i e l d ( n e 2 2 5 。 2 6 m p ni sc o n f i r m e d b yt h ea n a l y s i so fr o c ks t r e s sa n dm i n i n gf i e l dr o c ks t r e s s ，f o u r s t r e s s i n c r e a s ez o n i n g sa n dt w os t r e s s - f a l l i n gz o n i n g sa n dt h r e es t r e s s g r a d i e n tz o n i n g sa r e d i v i d e di nt h en 0 6m i n eo fh 曲i i nm i n i n gf i e l d 7 4 c o a la n dg a so u t b u r s ta p p e a r a n c e p o i n t sh a v ep l a c e dt h er e g i o nb e t w e e ns t r e s s - i n e r e a s ez o n i n ga n ds t r e s s - g r a d i e n tz o n i n g ( 5 ) b a s c do nd e g r e eva c t i v ef a u l t so ft h en 0 6m i n ei nh e b i ，t h ef r a c t a lc e n t o u ri sd r e w b yc a l c u l a t i n gr e g i o n a lf r a e t a lv a l u eu s i n gt h ef r a c t a lt h e o r y i ti sf o u n dt h a tt h ef r a c t a lv a l u e i l l o fr e g i o n a lo u t b u r s tf a u l ts y s t e mi sh i g h c rt h a nt h a to fn o - r e g i o n a lo u t b u r s ta n dt h ev a l u eo f s t n i c t i i r ci sh i g h e r , t h ef a t a l n e s si sh j i g h e rt o o b yt h ea n a l y s i sb e t w e e nt h em a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s sa n dt h ef r a c t a lc o n t o u rf i g u r e , i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef a c t o ro fr e g i o n a lf a u l t s y s t e ma n dt h ec h a n g eo f s t r e s sg r a d i e n ta l eh i g h e r , t h ed a n g e r o u so f c o a la n dg a so u t b u r s ti s h i g h e r ( 6 ) 、矾t ht h em u l t i f a c t o rp a t t e r nr e c o g n i t i o no f c o a la n dg a so u t b u r s t , t h ed a n g e r o u sa r e a 、 t h r e a ta r e aa n ds a f e t ya l g aa r ed i v i d e di nt h es e a m 二1o f n 0 6m i n e t h er a t i oi s2 6 3 6 9 a n d3 7 1 r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h em e s hu n i t t h ep o s s i b i l i t yp r e d i c t i o no fc o a la n dg a s o u t b u r s td a n g e r o u si sa c h i e v e d , a n dt h ec r i t i c a lp o s s i b i l i t yi s o r i g i n a l l yc o n f o r m e d i t i m p r o v e sc o a la n dg a so u t b u r s tr e g i o n a lp r e d i c t i o nf r o ms c i e n t i f i cd e g r e ew i t ht h ed a n g e r o u s p o s s i b i l i t ya st h ec r i t e r i o no ft h er e g i o n a lp r e d i c t i o n t h ep r e d i c t i o nr e s u l tc a nb ee x p r e s s e d b yd a t a b a s e , t h e r e b yg e n e r a t et h ei s o g 锄e t ef i g u r e , l a y e rc o l o rg r a p h , t h r e e - d i m e n s i o n g r a p h i c s ，d i f f e r e n tt y p eo fs t a t i s t i c a lg r a p ha n du n i t sp r e d i c t i o nf i g u r eu n i t e dw i t ht h e e n g i n e e r i n g ( 7 ) “c o a la n dg a so u t b u r s tr e g i o n a lp r e d i c t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m ”c a l ls u p p l yf o u rt y p e s d a t ai nv i s u a l i z a t i o na n dm a n a g e m e n t , w h i c ha r ef i g u r e ( s p a t i a lf i g u r ev i s u a l i z a t i o na n d m a n a g e m e n t ) ，a r t i c l e ( p r o p e r t y d a t av i s u a l i z a t i o na n d m a n a g e m e n t ) ，a u d i o a n d i m a g e ( m u l t i m e d i av i s u a l i z a t i o na n dm a n a g e m e n t ) i tc a nb eu s e dt oi n q u i r ea b o u t , t os e a r c h d a t a , t os t a t i s t i cd a t a , t oo u t p u td a t aa n de s t a b l i s hk i n d so fc o l u m nf i g u r ea n dd a t a b a s e ， 戚s t a n tw i t ha u d i oa n di m a g e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ei c v e lo f d i s p o s i n gi n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c o a la n dg a so u t b u r s t ；g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ；g e o - d y n a m i cd i v i s i o n ；f r a c t a l ； r e g i o n a lp r e d i c t i o n 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 绪论 1 ，l 问题的提逝 煤与瓦斯突出，简称突出，是一种极其复杂的动力现象，它是指煤祁瓦斯在极短的 时问向巷道或工作面大量涌出的过程。表现为丈量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空闻，造 成爆流埋人，巷道充满瓦斯、使人窒息，甚至引起瓦斯爆炸这种动力现象发生时闻短， 煤和瓦斯向空闻抛出或放散的速度快，发生突出后人员很难迅速反应并逃生，所以这种 事故对人员造成的威胁是非常严重的，是煤矿安全生产中的主要制约因素。煤与瓦斯突 出不仅对煤矿安全带来缀大的威胁，同时对煤矿的生产造成很大的影响，煤与瓦斯突出 严重她影响巷道掘进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井的采掘接替的芷常衔接带来 了很大的困难。同时由于突出的影响，使煤矿在安全装备上要有更大的投入，使煤矿在 突如防治措施上要花费更大的精力，这就需要突出矿井要花费霓多的人力和财力用于突 出防治由此可见，一方面突出影响煤矿的采掘速度，造成煤矿生产衔接紧张，降低煤 炭产量，制约了煤矿经济效益的发展，另一方面防治突出又要耗费大量的人力和财力， 要增大投入，这就使各突出矿井的经济状况越来越差，于是出现了安全及生产中舫治突 出的经费不足，搐施不到位，造成了煤与瓦斯突出事故频繁发生的局蕊这是由于缲与 瓦斯突出丽造成的释恶性循环。 髓菪煤与瓦靳突出的迅速扩展，人们对突出的认识也逐渐增强。各采煤国家投入了 大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究提出的关于突出机理的假说 已有十几种，在一些方面取得了进展，但由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破坏形 式的多样性和瓦额赋存与运移过程的复杂性，对于突出的原困、过程及些细节还不十 分明确，现场存在着相当一些特殊的突出现象也无法解驿，问题还远远没有得到彻底解 决。 在煤与瓦斯突出防治方面。我国已彤成包括突出危险性预测、防治突出措施，防突 措施效果检验、安全防护措施的“四位体”综合防治体系。“四位一体”综合防突措 施的总体思路是先进行突出预测，在预测宥突出危险的地区采取防突措施，防突措旌实 施岳进行皴果检验，个体防护措施贯穿防突工作的整个过程。突出危险性预测是防治煤 与瓦新突出凉台措墟的第一步。突出危险性颈漫4 包括区域性颈测和工作商颈测。区域性 预测又分为矿井、煤层、水平( 或采区、区黝三个屡次。根据预测结果分剐将矿井、煤 1 1 绪论 层和采区或区段划分为突出区和非突出区。在突出区内进行采撼作业时，还应进行工作 面突出危险性预测。当工作面预测有突出危殓时，必须采取防治突出的措施和进行防突 效果检验“四位一体”的综台防突措施的意义在于：解决了防突措施的盲目睦。 国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布，丽灾害发生区域只占整个开 采区域的8 1 2 ”。随着开采深度和开采强度的增加，发生突出的区域有增加的趋势。 在突出煤层开采的过程中只有很小的区段才发生突出。在对突出区域分布的性质未认识 或无预测突出危险性方法的条件下，要求在突出煤层采掘工作中普遍地采用防突措施是 合理的，但这样傲的结果具有一定的卣目性，由于在本无突出危险的区域采用了防突措 旄，导致了人力和财力的浪费也制约了突如矿井生产豹发展”。随着突出颈测水平的提 商，把突出预测作为综台防突措施的第一个环节，其目的是确定突出危险区域和地点， 使防突措施更加其有针对性。 及时采取防突措施。综合防突的第= 个环节是防突措施， 既在预测有突出危硷的区域采取防止突出措施，预防突出的发生。 进行效果检验，确 保防突措施不失效。采取了防突措麓后，防突措施起到了什么样的作用，是否滑除了突 出危险性，利用效果检验进一步核鸯，其可靠程度有了保障。最丈限度地保障入豹生 命安全。 但是在“四位一体”的综台脐突措施的执行过程中，山于受到突出预测技术水平的 限制，在部分地区对煤炭的生产产生较大的影响，目前的突出预测方法是在多次现场实 验中统计分拆得出来的，缺乏突出机理的支撵，造成预测方法和指标体系有所偏差，直 接的结果就是预测临界值长期超标。过分强调预测非突出率必须达到1 0 0 ，没有明确 定义突逝危险地点的标准，昧地在预测对降低预测指标的临界俊以保证在任何诱导因 素作用下郝不突出，使预测指标的鹱界值过低，造成掘进时超标次数过多，人为地增加 了防突措施的实施次数及工程量。影响掘进速度。蒋加上突出预溉指标选择及临界值确 定不准确以及某些关键性指标测试难以把握，所以造成了突出预测水平的缺陷，造成了 安全与生产之闻的不换调，绘煤矿的经济效益造成了较大的影响， 煤与瓦斯突出预测预防是一项系统工程。目前国内外在局部检测和解危措施方面的 研究已近成熟，从防治爆与瓦斯突出方面看，这些方法都是有效的，但就实施蔼富仍存 在一定的难度，处于一种被动的低层次治理状态两区域臻测芷可弥枣 爆与瓦孵突出磷 究工作中的这一不足。因此首先在宏观上，研究导致煤与瓦斯突出的影响因豢，对突出 危险性进行区域预涮，使这些区域从煤与瓦斯突出灾害的威胁中婿放出来，交为无突出 危险的区域。在预测出的危险区域，研究采取其它行之有效的措施和方法，最终达到消 2 辽宁工程技术大学博士学位论文 除煤与瓦斯突出的目的。 l - 2 论题的研究意义 煤炭是我国能源的主体。在国家能源中长期发展规划纲要( 2 0 0 4 2 0 2 0 年) 中已 经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。 显然，煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全 的重大问题。在我国的一次能源消费结构中，煤炭约占6 7 ，预计2 0 5 0 年仍将占5 0 以 上枷因此，煤炭在相当长的一段时期内将一直是我国居支配地位的主要能源国民经 济的快速发展对煤炭的需求日益增加。2 0 0 4 年全国原煤产量1 9 5 6 亿t ，比上年增长了 1 7 3 ，对保证全国g d p 9 5 的增长起到了决定性的作用。十一五”期间国民经济仍将 以8 左右的增长速度发展，煤炭产量也必将以相当的速度增加，才能保证国家对煤炭的 需求。 一方面由于产业结构的调整，煤炭生产正朝着高效集约化的方向发展，瓦斯煤尘爆 炸和煤与瓦斯突出等灾害事故已成为制约高效集约化开采技术发展最重要的因素；另一 方面，煤矿自然条件差、灾害源增多，使生产条件恶化。据统计，全国6 2 0 处重点煤矿 中，具有煤与瓦斯突出危险和高瓦斯矿井占4 7 2 ，有煤层自然发火倾向的矿井占5 4 9 9 6 ； 有煤尘爆炸危险的矿井占8 6 3 ；除此之外，煤矿还受到突水、顶板冒落、冲击地压、 火、c o , 涌出等灾害的威胁。而瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出灾害对煤矿的安全生产威 胁最严重。2 0 0 4 年，全国工业企业一次死亡1 0 人以上的特大事故5 8 起，死亡1 2 8 2 人， 其中煤矿企业4 l 起，死亡9 7 9 人，分别占7 1 和7 6 。而发生一次死亡1 0 人以上的瓦 斯煤尘爆炸特大事故就达3 2 起，死亡8 6 7 人，占工业企业一次死亡1 0 人以上事故总起 数的5 5 ，总人数的6 8 。煤矿企业事故和死亡人数之多，对我国国民经济和社会稳定 发展造成了恶劣的影响。其中又以瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦突出的重特大事故最为显著 近几年的经济快速发展对煤炭的需求迅速膨胀，矿井开采深度以每年近2 0 m 的速度 向深部延伸，矿井的煤层瓦斯灾害威胁随之增加。本已十分脆弱的煤炭工业在自然条件 恶化、产量需求激增的条件下，瓦斯灾害事故接连不断的发生，甚至越来越严重，这与 “以人为本，建立和谐社会”的国家方针极不协调。2 0 0 4 年郑州大平煤矿“1 0 2 0 ”瓦 斯爆炸事故死亡1 4 8 人，陕西铜川陈家山煤矿“u 2 8 ”瓦斯爆炸事故死亡1 6 6 人，2 0 0 5 年辽宁孙家湾煤矿海州立井的“2 1 4 ”瓦斯爆炸事故又死亡2 1 4 人。三个半月的时间段 内连续发生3 起百人以上的特别重大瓦斯事故，且每起事故都比前期事故死亡人员多， 3 1 绪论 三起事故共死亡5 2 8 人，这在人类采煤历史上都是罕见的。 因此，瓦斯灾害直接妨碍了煤矿正常生产，阻滞了煤炭工业的持续、健康、稳定地 发展，加强瓦斯灾害的防治是确保煤炭能源的稳定、可靠供应，促进国民经济全面、健 康发展的重要保证。 1 3 国内外煤与瓦斯突出概况 1 3 1 国外煤与瓦斯突出概况 煤与瓦斯突出是煤矿矿井中的一种非常复杂的动力现象。1 8 3 4 年3 月2 z 日，在法 国的鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生了世界上第一次煤与瓦斯突出，使人们首次认识了这种 严重的地质灾害。1 8 7 9 年4 月1 7 日，比利时的阿格拉普矿发生的一次煤与瓦斯突出， 1 2 2 名矿工丧生，沉痛的损失唤起了人们对这一问题的高度重视，正式开始了煤与瓦斯 突出产生原因和条件的研究。 煤与瓦斯是一种非常严重而又比较普遍的威胁煤矿安全生产的自然灾害。据统计， 目前大约有1 8 个国家和地区有煤与瓦斯突出发生，它们是中国、法国、俄罗斯、波兰、 日本、匈牙利、比利时、英国、捷克、保加利亚、澳大利亚、荷兰、德国、加拿大、罗 马尼亚、南斯拉夫、印度和南非，其中前五个国家的突出情况最为严重嘲 法国是仅次于中国的突出发生严重的国家，1 8 7 9 年至1 9 5 5 年共发生突出6 2 7 8 次， 最大突出强度为5 6 0 0 t 煤，突出的瓦斯类型为co ：、ch 和混合气体，突出地区主要 集中在塞伟内煤田。前苏联也是发生煤与瓦斯突出严重的国家，1 9 4 6 年至1 9 8 2 年共发 生突出3 6 2 7 次，突出的次数多而且强度大，顿巴斯加加林煤矿曾发生过世界上最大的 一次煤与瓦斯突出，突出煤1 4 0 0 0 t ，沼气2 5 万m 3 日本也是一个煤与瓦斯突出灾害严 重的国家，日本的突出事故多发生在北海道，这和当地的地质条件有密切关系，1 9 5 0 年至1 9 8 2 年，日本共发生煤与瓦斯突出事故1 3 0 起，最大突出强度为3 0 0 0 t 煤。 1 3 2 国内煤与瓦斯突出概况 我国发生煤与瓦斯突出总次数占世界各国总突出次数的三分之一以上，是世界上发 生煤与瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一脚。1 9 5 0 年前，我国无煤与瓦斯突 出现象的完整记载。在1 9 5 0 年5 月2 日，辽源矿务局富国二矿煤巷掘进时发生过有记 载的第一次煤与瓦斯突出现象。根据1 9 9 5 年的调查统计，建国以来，我国先后在4 5 个 矿务局、1 3 8 个国有重点煤矿的1 7 8 个并口，共发生煤与瓦斯突出1 0 8 1 5 次，死亡1 2 6 6 人，共突出煤量8 1 5 8 0 0 t ，平均突出强度为2 7 5 t 次。全国突出矿井总数约为2 5 0 个， 4 辽宁工程技术大学博士学位论文 累计突出次数为1 4 3 0 0 万次，占世界突出总次数的3 5 。突出强度超过1 0 0 0 t 的突出次 数达1 0 0 余次，如1 9 7 5 年8 月8 日，天府矿务局三汇坝一矿+ 2 8 0 m 水平平蜗揭穿煤层时 发生我国最大的煤与瓦斯突出，突出强度达1 2 7 8 0 t ，瓦斯1 4 0 0 0 0 0 m 3 我国绝大多数的 突出为煤与c h t 突出，但在北票矿区的深部、阜新东梁矿和王营矿发生过为数不多的岩 石与c h 。突出，吉林营城矿发生过特大型的砂岩与c 0 ：突出，甘肃窑街矿务局三矿也发生 过特大型的煤、砂岩与c o , 突出 随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤炭开采的地质条件和技术 条件也日趋复杂，煤与瓦斯突出矿井的数目增多，次数频繁，强度加大，解决矿井煤与 瓦斯突出灾害问题已经迫在眉睫。 1 4 国内外现有研究成果综述 1 4 1 煤与瓦斯突出机理研究概述 煤与瓦颠突出预测理论及其技术的发展同煤与瓦斯突出机理的认识是相一致的。突 出是在极短的时间内，由于煤体平衡体系被打破，从煤层突然喷出大量的煤与瓦斯。目 前对突出诸因素定量地判断哪些因素是起决定性作用的，哪些因素是起促进作用的，当 外界条件( 矿山各种条件) 千变万化的情况下，这些相互制约因素又将如何演变? 这些问 题是迄今为止尚未解决的世界性的难题。尽管世界各国的研究工作者对此提出了各种各 样的假说，但都无法用一种公认的理论来解释突出的本质和机理，这也说明了突出现象 的复杂性。 于不凡( 1 9 7 5 ，1 9 7 9 ) 提出中心扩张学说：煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的 发动中心开始的，而后向四周扩散，由发动中心周围的煤岩石一瓦斯体系提供能量并 参与活动。在煤与瓦斯突出地点，地应力场、瓦斯压力场、煤体结构和煤质是不均匀的 煤与瓦斯突出发动中心就处在应力集中点，且该点向各个方向的发展是不均匀的。 李中成( 1 9 8 7 ) 认为突出是煤体盘形拉伸破坏的连锁反应过程，突出过程就是煤体所 积存的弹性应变能和瓦斯内能突然释放的过程。 李萍丰( 1 9 8 9 ) 提出了二相流体假说：突出的本质是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的 二相流体，二相流体受压积蓄能量，卸压膨胀放出能量，冲出阻碍区，导致突出。突出 的主要动力源是二相流体压缩积蓄，卸压膨胀放出的能量，而不是瓦斯膨胀能和煤岩膨 胀能。 周世宁和何学秋唧巾1 ( 1 9 9 0 ) 提出了流变假说：煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响 5 1 绪论 后地应力与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出准备阶段中，含瓦斯煤体在采动 影响的区域内就开始了蠕变破坏，使煤体进一步被切割，形成发育的裂隙网。在某区域 加速破坏发生时，如果该区域瓦斯能量足够冲跨已遭破坏的煤体，则突出发生，发展， 突出过程中的瓦斯气体部分由前一蠕变区域通过发育的裂隙网补给。 周世宁( 1 9 9 0 ) 研究了瓦斯在煤层中流动的机理：认为瓦斯在孔隙结构中的流动主要 是扩散，符合菲克定律，在煤层裂隙系统的流动属于渗流，符合达西定律。煤层瓦斯的 流动决定于裂隙系统的特性，而不决定于孔隙结构。 梁冰和章梦涛队“”( 1 9 9 5 ) 提出固流耦合理论：突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响 下，局部发生迅猛、突然破坏而造成的，是地应力、瓦斯及煤体三个主要因素作用的结 果。采深和瓦斯压力的增加都将使突出的危险性增大。 蒋承林和俞启香“o “脚( 1 9 9 5 ) 提出地壳失稳假说：煤和瓦斯突出过程的实质是地应 力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并形成的煤壳失稳破坏，煤体的破坏 以球盖状煤壳的形成、扩展及失稳为主要特点，破坏的煤体抛向巷道后，煤体内部继续 破坏后续的煤体 郑哲敏院士“”( 1 9 8 2 ) 从力学角度对突出问题进行研究，通过量纲分析和能量对比方 法研究，指出发生突出的能量主要来自煤体中的瓦斯能。 丁晓良博士“”( 1 9 8 9 ) 对理想一维突出模型进行了分析，给出了突出波阵面后，气、 固两相流的质量守恒方程和动量守恒方程，并认为煤的破碎与瓦斯渗流的耦合是煤与瓦 斯突出的内在因素( 美国学者f 澳图奈等也从同样的角度对突出进行了研究) 余楚新( 1 9 8 9 ) 建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。 愈善炳“”( 1 9 9 2 ) 建立了突出的恒稳推进模型，得出突出一维流动解和启动判据。 从这些观点中看出对煤与瓦斯突出机理的研究主要有三个方面，一是对突出过程及 突出特征的解释；二是对突出的力学实验研究；三是用数学力学方法对突出模型的研究。 目前为大多数学者和现场所接受的是综合假说与综合假说接近的还有能量假说( 俄 霍多特，1 9 6 1 ) 、应力分布不均匀假说( 俄 巴布洛夫，1 9 6 4 ) 和动力效应假说 ( 英 p o o l e y ，1 9 6 7 ) 。这些假说其共同点是认为突出是瓦斯、地应力和煤的物理力学性 质三个因素综合作用的结果，其分歧点是那种因素起主要作用。 1 4 2 煤与瓦斯突出区域预测研究 1 4 2 1 单项指标法 在指标法中，预测的基础是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标，包括瓦 6 辽宁工程技术大学博士学位论文 斯指标、煤层性质指标、地应力指标和综合指标。p a u l ( 1 9 8 0 ) 、n o a c k ( 1 9 8 3 ) 和王佑安 ( 1 9 8 4 ) 等学者研究了瓦斯含量指标，提出了不同的瓦斯突出临界值；于不凡( 1 9 8 5 ) 和俞 启香( 1 9 8 7 ) 详细地讨论了瓦斯压力指标，但认为瓦斯压力不能单独用作突出预测指标； 前苏联科学院地质所于1 9 5 8 年提出了煤体结构指标，把煤分成5 种破坏类型，认为、 v 两类煤具有突出危险，在国内外受到广泛重视；中国矿业学院瓦斯组( 1 9 7 9 ) 把煤体结 构划分为3 种破坏类型，其丙类煤为突出危险煤；焦作矿业学院瓦斯地质研究室( 1 9 9 1 ) 根据煤的宏观特征，以构造煤类型为基础，以突出的难易程度为依据，把煤体结构分为 4 种类型，其中、两类为突出危险煤，取得了较好的应用效果“町采用煤的破坏类 型、瓦斯放散初速度印、煤的坚固性系数，和煤层瓦斯压力p 作为预测指标，各种指 标的突出危险临界值应根据实测资料来定，无实测资料可参考表卜1 所列数据。只有全 部指标达到或超过临界值时方可划为突出煤层。 表