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余国锋 防突讲座 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心淮北项目部经理 高级工程师 提纲 一 煤与瓦斯突出概述二 煤与瓦斯突出预测及效果检验三 防治煤与瓦斯突出措施四 安全防护措施 煤与瓦斯突出概述 1 1 煤与瓦斯突出概述 1 煤与瓦斯突出概况 基本概念 指煤矿井下采掘过程中 在很短时间内从煤 岩 体内部向采掘空间突然喷出大量煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 的一种动力现象 煤与瓦斯突出实验室模拟 1 煤与瓦斯突出概述 放炮器 巷道底板堆积大量煤粉 煤与瓦斯突出现场模拟示意图 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出危害 突然间工作面或井巷充满高浓度瓦斯 造成人员窒息 突出时产生的强大力能效应 及短时间内能摧毁巷道 造成风流紊乱或逆转 破坏矿井通风系统 喷出大量的煤岩流堵塞巷道 破坏支架 损坏设备 设施 造成煤岩流埋人事故 喷出大量的瓦斯弥漫井下巷道很容易引起瓦斯燃烧或爆炸 造成更大的事故 1 煤与瓦斯突出概述 国内外煤与瓦斯突出概况 世界上首例煤与瓦斯突出事例发生在1843年法国 1879年4月17日比利时阿拉波二号井上山眼掘进时发生了世界上第一例大强度突出 突出强度420吨煤 喷出50万立方米以上的瓦斯 世界上最大的一次突出发生在1969年7月13日苏联顿巴斯加加林矿710m水平主石门揭穿L3煤层时 煤层厚仅1 03m 突出煤量1 42万吨 瓦斯25万立方米 迄今为止 中国 前苏联 波兰 日本 法国 美国 匈牙利 比利时 德国 英国 澳大利亚等主要产煤国家几乎都发生煤与瓦斯突出 其中 中国 苏联 法国 波兰 日本是突出在千吨以上的较严重的国家 1 煤与瓦斯突出概述 我国最早有记载的突出是1950年5月2日辽源矿务局富国二井在垂深280m煤巷掘进时发生的 我国最大 世界第二大 的一次突出发生在1975年8月8日 四川天府矿务局三汇坝一矿在主平酮揭穿煤层时发生的 突出煤 岩 12780t 涌出瓦斯近140万m 我国突出矿井比较多 强度大 突出频繁 是世界上第一个突出次数超万次的国家 1 煤与瓦斯突出概述 我国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 随着煤炭的发展 采掘深度不断加深 地压与瓦斯压力不断加大 过去一些没有发生过突出的煤层和矿井 也会出现突出动力现象 低瓦斯矿井也转变为突出矿井 我国高瓦斯矿区分布图 我国煤层瓦斯分区 分带和煤与瓦斯突出矿区分布图 1 煤与瓦斯突出概述 2 瓦斯动力现象分类 瓦斯动力现象分类 按突出现象分类煤的突然倾出 主要由重力引起 瓦斯在一定程度上参与倾出过程 煤的突然压出 由构造应力或开采集中引起 瓦斯起次要作用 按形式不同 压出分为两类 突然移动 煤体整体移动 不抛出煤 不形成孔洞 突然挤出 发生在构造应力大 有软分层等条件下 煤 岩石 与瓦斯突出 地应力和瓦斯压力共同参与 1 煤与瓦斯突出概述 按参与突出的种类分类煤与瓦斯突出 岩石与瓦斯突出 煤与二氧化碳突出 岩石与二氧化碳突出 按工作地点分类煤巷掘进突出 平巷 上山 下山 石门揭煤突出 次数不多 但强度最大 回采工作面突出 竖井突出 岩巷突出 按动力现象强度分类 1 煤与瓦斯突出概述 3 煤与瓦斯突出基本特征 煤的突然倾出 倾出的就地按自然安息角堆积 无分选现象 倾出的孔洞口大腔小 孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂方向发展 无明显动力效应 常发生在煤质松软的急倾斜煤层中 巷道瓦斯涌出量明显增加 1 煤与瓦斯突出概述 煤的突然压出 压出后 在煤层与顶板之间的裂隙中有细煤粉 整体位移的煤体上有大量裂隙 压出的煤呈块状 无分选现象 巷道瓦斯涌出量增加 压出可能无孔洞或呈口大腔小楔形孔洞 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出 突出的煤向外抛出距离较远 有分选现象 抛出煤堆积角小于煤的自然安息角 抛出的煤破坏程度高 含有大量煤块 手捻无粒感的煤粉 有明显动力效应 破坏支架 巷道 设施 设备 有大量的瓦斯 二氧化碳 涌出 涌出的量远远超过突出煤的瓦斯含量 突出孔洞呈口小腔大的梨形 舌形 倒瓶形等 1 煤与瓦斯突出概述 4 煤与瓦斯突出预兆 有声预兆 顶板来压 支架劈裂声 掉渣声 煤壁发生震动 煤体深部发出煤炮声等 无声预兆 瓦斯异常涌出 瓦斯忽大忽小 打钻喷瓦斯 喷煤等 煤层紊乱 煤厚 倾角急变 见断层等 迎头空气变冷 1 煤与瓦斯突出概述 综合预兆 地压显现预兆 支架断裂 煤岩开裂掉渣 底鼓 煤壁颤动 煤炮声 钻孔变形 垮孔 顶钻 夹钻等 瓦斯涌出预兆 瓦斯涌出异常 忽大忽小 打钻喷瓦斯 喷煤粉 哨声 蜂鸣声 煤尘增大 气温异常 气味异常等 煤结构预兆 层理紊乱 强度降低 松软 暗淡无光泽 煤厚增大 倾角变陡挤压褶曲 煤体干燥等 1 煤与瓦斯突出概述 5 煤与瓦斯突出机理与规律 煤与瓦斯突出机理 单因素假说 瓦斯主导作用假说 地压主导作用假说 化学本质假说 综合作用假说 煤与瓦斯突出是由地应力 瓦斯压力和煤的物理力学性质 煤的结构 三者综合作用的结果 综合作用假说是被多数人公认的一种假说 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出一般规律 突出的危险性随着煤层埋藏深度的增加而增大 一般矿井发生突出的最浅深度约为瓦斯风化带深度的2倍 随着深度的增加 突出的危险性增高 表现为突出次数增多 强度增大 突出煤层数增加 突出危险区域扩大 采掘工作形成的集中应力区是突出点密集区 如邻近层煤柱上下 相邻采掘接近处 两巷贯通之前的煤柱内 采掘工作面附近的应力集中区等 地压是发生突出的主要动力 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出一般规律 突出的危险性集中在地质构造带 呈带状分布 向斜轴部地区 背斜构造中部地区 地层扭转 断层和褶曲附近 产生强烈震动的采掘作业可能诱导突出 这种作业不仅可引起应力状态改变 而且可使动载荷作用在新暴露的煤体上 造成煤的突然破碎 大多数突出发生在放炮和风镐落煤过程 受煤自重影响 上山掘进头发生突出次数多 强度小 下山掘进发生突出的次数少 强度稍大 片帮 冒顶也容易诱导突出 地压是发生突出的主要动力 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出一般规律 突出煤层的瓦斯压力一般都在0 74Mpa以上 同一煤层中瓦斯压力越高的区域 突出危险性越大 突出煤层的瓦斯含量一般都在8m3 t以上 瓦斯含量越高的煤层 突出危险性越大 突出时吨煤瓦斯喷出量是煤层瓦斯含量的几倍至几十倍 瓦斯是抛出煤体完成突出过程的主要动力 1 煤与瓦斯突出概述 煤与瓦斯突出一般规律 突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层厚度的增加而增多 突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层 突出的危险性随煤层倾角增大而增加 煤层倾角增大 岩石及煤层自重应力参与突出的作用就增大 从而使突出的危险性增加 突出煤层的特点是强度低 手捻成粉末 煤层结构软硬相间 存在软分层 煤的光泽暗淡 层理紊乱 煤质松软 湿度小 透气性低 瓦斯放散初速度高 煤的物理力学性质决定突出发生发展的难易 突出具有延期性 突出的延期性是指震动放炮后没有立刻发生突出 而是延缓了一段时间 这一现象又叫延期突出 其延迟时间从几分钟到几小时 它对人员安全威胁很大 应特别予以注意 1 煤与瓦斯突出概述 6 有突出预兆时的应急措施 在作业头面发现有突出的无声或有声预兆时 要立即将现场人员按避灾路线 进风侧 撤离现场 在组织人员撤离现场时 必须迅速准确配戴隔离式自救器 并立即将要发生突出的地点 预兆情况 人员撤离情况向调度室汇报 通知电工立即切断突出地点及回风流的一切电气电源 撤离现场过程中要组织人员关闭有关反向风门 并在突出区域或瓦斯流经区域内设置栅栏 防止人员进入 避免瓦斯窒息造成人员伤当人员不能撤离突出的灾区时 要就近进入避灾峒室 关好反风门 打开压风自救装置的供气阀 做到自救 煤与瓦斯突出预测及效果检验 2 23 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 1 煤与瓦斯突出危险性预测 目的和意义 通过预测区分煤层 区域和采掘工作面的突出危险性 以便区别对待 采取不同的技术 管理措施 在突出危险带采取防突措施 在无突出危险带可不采取防突措施 只采取安全防护措施 从而节省防突工程量 提高防突工作的准确性 减少盲目性 在安全生产的前提下 降低消耗 节约成本 改善矿井的经济效益 指导防突措施的合理应用 经检验可在突出危险带采取适宜的防突措施 确保安全生产 使防突工作建立在科学检测手段的基础上 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 煤与瓦斯突出预测分类 区域预测的任务是预测煤层和煤层区域 包括开采水平 采区等 的突出危险性 煤层区域包括开采水平 采区等划分出突出煤层和非突出煤层 将突出煤层划分为突出危险区 突出威胁区和无突出危险区 区域预测 工作面预测是预测工作面附近煤体的突出危险性 在采掘工作面推进过程中进行 在突出危险区内预测为有突出危险工作面和无突出危险工作面 工作面预测 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 突出煤层分级预测流程图 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 区域突出危险性预测 防治煤与瓦斯突出细则 第21条规定区域预测应在地质勘探 新井建设 新水平和新采区开拓或准备时进行 区域预测方法主要有单项指标法 瓦斯地质统计法和综合指标法 前者适用于确定新井建设煤层的突出危险性 后两者主要用于生产矿井突出煤层中的区域预测 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 区域突出危险性预测 单项指标法预测煤层突出危险的指标可用煤的破坏类型 瓦斯放散初速度 P 煤坚固性系数f和煤层瓦斯压力P 上述指标的突出危险临界值应根据矿井实测资料确定 无实测资料时 破坏类型 类煤 P 10 坚固性系数f 0 5 瓦斯压力P 0 74 且只有全部指标达到或超过上述临界值时方可划为突出煤层 新井建设期间 应由施工单位测定P f P 并根据揭穿各煤层的实际情况 重新验证煤层的突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 区域突出危险性预测 综合指标法D 0 0075 H f 3 p 0 74 K P f 在岩石工作面向突出煤层至少打2个测压钻孔 测定煤层瓦斯压力 在打测压孔的过程中 每米煤孔采样 测定煤的坚固性系数f 将两孔测得的最小坚固性系数取平均数作为煤层软分层的平均坚固性系数 将坚固性系数最小的两个煤样混合 测定煤的瓦斯放散初速度 P 指标临界值应根据矿区实测数据确定 如无实测资料 突出危险区参考临界值 D 0 25 K无烟煤 20 其它煤种 15 如果D值两括号计算值均为负时 不论D值大小 均预测为突出威胁区 地勘和新建设期间突出区域威胁视为无突出危险煤层 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 区域突出危险性预测 瓦斯地质统计法根据矿井开拓区域突出点和地质构造的关系 结合未开采区的地质构造来预测开采区域煤层的突出危险性 在上水平发生过一次突出的区域 下水平的垂直对应区域应预测为突出危险区 根据上水平突出点与地质构造关系 确定构造线两侧最远距离线 按此最远距离线预测下水平或下部煤层突出危险性 按此法来划定的其它区域为突出威胁区 需要注意的是 对不同矿区 控制突出的因素以及对突出的控制程度均不一定相同 因此 应具体针对性分析自己矿区的构造关系特点 掌握控制突出的主要地质因素来预测开采区域的突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面预测范围较小 一般仅能确定采掘工作面前方10m以内的煤层突出危险性 工作面预测可将工作面分为突出危险工作面和无突出危险工作面 无突出危险工作面可不采取防治突出措施 采掘时要保留2m的预测超前距 并必须采取安全防护措施施工 当采掘工作面预测为突出危险工作面时 必须采取防治突出措施 并经过措施效果检验有效后 在留有5m预测超前距的条件下 采取安全防护措施组织施工 当措施效果检验无效后 必须采取补救防治突出措施 并经措施效果检验有效后 进入安全防护措施施工阶段 工作面突出危险性预测 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 石门揭煤工作面突出危险性预测 从石门工作面距突出煤层10m 垂距 以外 打2个穿透煤层全厚的地质钻孔 在探明煤层赋存情况的同时 取样对煤层进行初步突出危险性预测 在石门工作面距煤层5m 垂距 以外 至少打2个穿透煤层全厚的钻孔 测定煤层原始瓦斯压力值 在近距离煤层群内 层间距小于5m或层间距破碎时 可测定这些煤层的综合瓦斯压力 在石门工作面距煤层3m 垂距 以外 再次预测煤层的突出危险性 石门揭开煤层后 即过煤门过程中 必须对煤层进行突出危险性预测 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 石门揭煤工作面突出危险性预测综合指标法和钻屑解吸指标法 综合指标法测定方法同区域预测综合指标相同 只是由石门工作面向突出煤层打测压钻孔测定瓦斯压力P 采用钻屑解吸指标法进行预测时 应符合以下要求 在石门工作面距煤层最小垂距3 10m时 利用探煤钻孔和测定瓦斯参数钻孔或至少打2个50 70mm直径预测钻孔 在打钻过程中采样测定钻屑瓦斯解吸指标 h2或K1值 解吸指标评价突出危险的临界值应根据实测数据确定 如无实测数据 参考临界值为 干燥煤样 h2 200 K1 0 5 湿煤样 h2 160 K1 0 4 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 煤巷掘进工作面突出危险性预测钻孔瓦斯涌出初速度法依据钻孔瓦斯涌出初速度越大 工作面突出危险性也越大的规律 来预测煤巷掘进工作面的突出危险性 其实质是当钻孔打完后 瓦斯从钻孔中单位时间内涌出的最大流量 它全面反映了煤体应力状态 瓦斯含量 煤层的透气性及煤的物理力学性质的综合性指标 钻孔瓦斯涌出初速度变化曲线图t0 钻孔完成时间 tf 封孔时间 tH 钻孔瓦斯流量达到最大值时间 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 煤巷掘进工作面突出危险性预测钻孔瓦斯涌出初速度法采用该方法进行预测时 在工作面两帮距巷帮500mm 先择煤层软分层各施工一个平行巷道掘进方向 直径42mm 深3 5m钻孔 用专用封孔器留0 5m长测量室封孔 在2min内测定完钻孔瓦斯涌出初速度q 钻孔瓦斯涌出初速度指标临界值qm 应根据实测资料分析确定 如无实测资料 参考下表给定的临界值 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 煤巷掘进工作面突出危险性预测R值指标法R Smax 1 8 qmax 4 R值的突出危险临界值 应根据实测资料确定 如无实测资料 参考临界值Rm 6 当任何一个钻孔中的R值大于等于Rm时 该工作面预测为突出危险工作面 当小于Rm时 预测为无突出危险工作面 应留2m的预测超前距进行作业 当R值为负值时 应采用单项指标进行预测 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 煤巷掘进工作面突出危险性预测钻屑指标法根据每个钻孔最大钻屑量Sm 钻屑解吸指标 h2 预测工作面突出危险性 钻屑解吸指标的预测突出临界值应根据现场实测资料确定 无实测指标 参考如下临界值 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 煤巷掘进工作面突出危险性预测钻屑指标法预测孔应布置在软分层中 构造厚煤点处 在煤巷掘进工作面打2个 倾斜或急倾斜煤层 或3个 缓倾斜煤层 直径为42mm 深为8 10m的钻孔 钻孔应布置在软分层中 一个钻孔位于巷道工作面中部 并平行于掘进方向 其他钻孔的终点应位于巷道轮廓线外2 4m处 钻孔每打1m 测定一次钻屑量 每隔2m测定一次钻孔解吸指标 根据每个钻孔沿孔长每米的最大钻屑量Smax和钻屑解吸指标K1或 h2预测工作面的突出危险性 采用钻屑指标法预测突出危险性时 当预测为无突出危险时 每预测循环应留有2m的预测超前距 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 特殊规定 在突出煤层中有下列情况之一时 不论预测指标数据是否超过临界值 都应视为突出危险工作面 在突出煤层的构造破坏带 包括断层 褶曲 火成岩侵入等地点 煤层赋存条件急剧变化的区域 采掘应力迭加的区域 在工作面预测过程中出现喷孔 顶钻等动力现象 工作面出现明显突出预兆 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 我国瓦斯突出预测预报仪器现状及发展方向 近年来 一些科研单位 大专院所及局矿 在研究 使用以煤的物理力学性质及煤的结构 地应力以及钻粉 钻孔瓦斯涌出初速度等为主要参数的日常预测预报方法方面取得了较大进展 使用的仪器有MD 2型煤钻屑瓦斯解吸仪 CMJ 1型瓦斯解析仪 ZLD 1型钻孔多级流量计 ATY瓦斯突出预测仪 WTC瓦斯突出参数仪以及煤气流量表等 目前国内使用的智能式的瓦斯突出预测预报仪按键较多操作较繁琐 发展傻瓜型的日常预测预报仪器以进一步满足井下现场的需要将是未来完善和发展的方向 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 原理在井下不对煤样进行人为脱气和充气的条件下 利用煤钻屑中残存瓦斯压力 瓦斯含量 向一密闭的空间释放 解吸 瓦斯 用该空间体积和压力 以水柱计压差表示 变化来表示煤样解吸出的瓦斯量 MD 2型煤钻屑瓦斯解吸仪 1 水注计 2 解吸室 3 煤样罐 4 三通活塞 5 两通活塞 用途用于在井下石门揭煤和采掘工作面打钻 测定煤钻屑瓦斯解吸指标 h2 K1值 以确定工作面煤与瓦斯突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 MD 2型煤钻屑瓦斯解吸仪 测定方法和步骤测定前的必要准备 给水柱计注水 并将两侧水面调整至零刻度线 检查仪器的密封性能 一旦密封失败 需要换新的 O 型密封圈 准备好配套装备 如秒表 分样筛等 煤钻屑采样 在石门揭煤工作面打钻时 每打1m煤孔应取煤钻屑1个 在钻孔进入到预定采样深度时 启动秒表开始计时 当钻屑排出孔口时 用筛子在孔口收集煤钻屑 经筛分后 取粒度1 3mm煤样装入煤样瓶中 煤样应装至瓶标志线位置 相当于煤样重量10g 采掘工作面打钻时 每2米钻孔取煤钻屑样1个 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 MD 2型煤钻屑瓦斯解吸仪 测定方法和步骤测定操作步骤 首先打开两通旋塞 然后将已取煤样的煤样瓶迅速放入解吸室中 拧紧解吸室上盖 打开三通旋塞 使解吸室与水柱计和大气均连通 煤样处于暴露状态 当煤样暴露时间为3min时 迅速逆时针方向旋转三通旋塞捏手 使解吸室与大气隔绝 仅与水柱计连通 开始进行解吸测定 并重新开始计时 每隔1min记录解吸仪水柱计压差 连续测定10min 钻屑解吸指标 h2确定 钻屑解吸指标为测定开始后2min末解吸仪水柱计压差读数 该指标无需计算 直接从解吸仪水柱计上读取 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 WTC瓦斯突出参数仪 WTC瓦斯突出参数仪是一种便携式矿用本质安全型仪器 测定的所有数据都可存储 显示 打印 仪器具有测量数据永久保存 背光液晶显示 中文菜单提示操作 电池电量和实时时钟显示等功能 该仪器可以用于测定钻屑瓦斯解吸指标K1值 键盘输入钻屑量指标Smax 根据K1 Smax预报工作面突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 WTC瓦斯突出参数仪 测定瓦斯解吸指标K1值的基本操作流程连接主机与煤样罐 开机预热 清零 预置临界值 选择组数并输入工作面编号 打钻 接粉并启动秒表 样装入量杯 量杯装入煤样罐 1 2min 并按采样键 停秒表 五分钟后 按提示输入时间和打钻深度 显示K1值 本次测定完毕 输入钻屑量 预报 关机 井上地面打印 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 WTC瓦斯突出参数仪 钻屑瓦斯解吸指标预测方法简介利用钻屑瓦斯解吸指标K1值和钻屑量指标Smax预测工作面突出危险性是近年来推广的一项新技术 主要适用于煤巷掘进 回采以及石门揭煤过程中工作面前方8 10m范围内突出危险性的预测以及采取过防突措施以后的措施效果检验 这种方法是在工作面用煤电钻 风煤钻或岩石电钻配8 10m的麻花钻杆向煤层打 42mm的钻孔 根据钻孔过程中每米排出钻屑量的多少以及排出钻屑的瓦斯解吸指标的大小预测工作面前方钻孔范围内的突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 WTC瓦斯突出参数仪 钻屑瓦斯解吸指标预测方法简介向工作面前方煤层打钻孔时 用塑料桶收集每钻进1m钻孔排出的钻屑 并用测力计测量其重量 钻孔每钻进2m 用 1 3mm的筛子在孔口接煤粉 筛分后约10g左右 接煤粉的同时启动秒表计时 煤样筛分后迅速装入煤样瓶中 并用筛子刮平 使装入煤样体积和煤样瓶体积一致 然后拧紧罐盖 松开盖上阀门 当秒表计时时间达到预定值t0时 t0一般应取1min 1 5min 2min 不应超过2min 不足1min应等满1min 同理不足1 5min等到1 5min 不足2min等到2min 拧紧盖上阀门的同时执行仪器采样功能 便开始该煤样的瓦斯解吸指标测量 煤层平巷掘进时 每个工作面应打2 3个预测钻孔 急倾斜煤层打2个孔 每个钻孔8 10m深 上下山掘进时 每个工作面应打3个预测孔 孔深8 10m 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 WTC瓦斯突出参数仪 钻屑瓦斯解吸指标预测方法简介石门揭煤工作面应打预测孔不少于5个 孔深穿过全煤厚或进入煤层深度不少于5m 钻孔进入煤层时 先用压风吹洗钻孔 然后每钻进1m取一个煤样测量解吸指标和钻屑指标 回采工作面在离上下顺槽5m处开始布置预测孔 中间每隔10m布置一个预测孔 孔深8 10m 测完一个工作面数据后 将测的最大钻屑量输入仪器就可预报该工作面预测孔范围内的突出危险性 所有预测孔都应布置在工作面最软分层中 石门揭煤除外 并尽量保证预测孔始终在该软分层中钻进 用于措施效果检验时 检验孔应布置在措施孔中间 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 工作面突出危险性预测 回采工作面突出危险性预测采煤工作面突出预测方法可以采用煤巷掘进工作面相同的预测方法 只是在布置钻孔时 要求沿工作面每隔10 15m布置一个预测钻孔 且预测钻孔孔深不得小于3 5m 每循环应留有2m预测超前距根据每个钻孔最大钻屑量Sm 钻屑解吸指标 h2 预测工作面突出危险性 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 2 煤与瓦斯突出措施效果检验 开采解放层措施效果检验 解放效果检验范围主要是对解放效果比较差的下列解放层的解放效果进行检验 解放层厚度 0 5m 上解放层与突出煤层间距 50m 下解放层与突出煤层间距 80m 检验方法钻孔瓦斯涌出初速度法任一钻孔q qm 矿区临界值或规定值 时 开采解放层无效 全部钻孔q qm时 开采解放层有效 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 开采解放层措施效果检验 检验方法R值指标法任一钻孔的R Rm 矿区临界值或规定值 时 开采解放层无效 全部钻孔R Rm时 开采解放层有效 钻屑指标法任一钻孔的钻屑煤量及最大的 h2 K1中的任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或规定值时 开采解放层无效 各钻孔上述指标全部小于矿区突出危险临界值或规定值时 开采解放层有效 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 预抽煤层瓦斯防突措施效果检验 钻孔瓦斯涌出初速度法任一钻孔q qm 矿区临界值或规定值 时 开采解放层无效 全部钻孔q qm时 开采解放层有效 R值指标法任一钻孔的R Rm 矿区临界值或规定值 时 开采解放层无效 全部钻孔R Rm时 开采解放层有效 钻屑指标法任一钻孔的钻屑煤量及最大的 h2 K1中的任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或规定值时 开采解放层无效 各钻孔上述指标全部小于矿区突出危险临界值或规定值时 开采解放层有效 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 石门揭煤工作面防突措施效果检验 钻屑指标法由石门工作面向煤层打检验孔 一般垂直距离大于5m 检验孔应布置在措施孔之间 检验孔数为4个 测算每一钻孔的最大钻屑煤量Smax L m 最大钻屑解吸指标 h2 Pa K1 L g min1 2 及f软 任一钻孔的任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或规定值时 应认定为防突措施无效 各钻孔上述全部指标小于矿区突出危险临界值或规定值时 可确认防突措施有效 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 煤巷掘进工作面防突措施效果检验 煤巷掘进工作面打检验孔 检验孔布置在措施孔之间 至少须打两个 钻孔瓦斯涌出初速度法 任一钻孔q qm时 防突措施无效 钻孔q qm时 防突措施有效 R值指标法 任一钻孔R Rm时 防突措施无效 各钻孔R Rm时 防突措施有效 采用钻屑指标法 各钻孔的最大钻屑煤量Smax L m 最大钻屑解吸指标 h2 Pa K1 L g min1 2 均小于矿区突出危险临界值或规定值时 防突措施有效 任一钻孔中的上述任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或规定值时 防突措施无效 2 煤与瓦斯突出预测及效果检验 采煤工作面防突措施效果检验 回采工作面采用浅孔注水或浅孔松动爆破时 采用以下方法进行检验 钻孔瓦斯涌出初速度法 检验孔布置在措施孔之间 钻孔直径为42mm 深为3 5m 实测的各钻孔q qm时 防突措施有效 任一钻孔的q qm时 防突措施无效 采用其它防突措施时 采用经试验证实有效的方法检验防突措施的效果 检验孔应打在措施孔之间 检验指标小于该煤层突出危险临界值时 则认为防突措施有效 反之 认为防突措施无效 防治煤与瓦斯突出措施 3 3 防治煤与瓦斯突出措施 1 概述 随着我国煤炭工业的迅速发展 开采范围不断扩大 开采深度逐渐加深 矿井突出危险性日趋严重 我国 防治煤与瓦斯突出细则 规定 开采突出煤层时 必须采取包括突出危险性预测 防治突出措施 措施效果检验和安全防护措施的综合措施 实践证明 四位一体 综合防突措施带来的安全效益和经济效益都是十分显著的 四位一体 综合防突措施的理念在我国煤矿得到普遍的认同和广泛的应用 是我国煤矿自20世纪80年代以来突出事故得以遏制 突出次数明显下降的一个主要原因 3 防治煤与瓦斯突出措施 近年来 围绕 四位一体 防治措施的各个环节 研究发展和推广应用了许多新技术 在防治突出措施方面 有大面积预抽煤层瓦斯 穿层网格钻孔 本层顺层长钻孔和交叉布孔 的技术 提高煤层瓦斯抽放效果的技术 控制预裂爆破 水力扩孔等 煤巷掘进的综合配套防突技术 机掘巷道的钻掘一体化 割掘一体化技术 石门揭煤防突新技术等 使防突效果及技术经济指标都得到很大提高 防突措施向综合配套方向发展是近年来的一个重要特点 3 防治煤与瓦斯突出措施 2 制定防突措施的基本原则 部分卸除煤层区域或采掘工作面前方煤体的应力 使煤体卸压并将集中应力区堆移至煤体深部 部分排放煤层区域或采掘工作面前方煤体中的瓦斯 降低瓦斯压力 减少工作面前方煤体中的瓦斯压力梯度 增大工作面附近煤体的承载能力 提高煤体稳定性 如金属骨架 超前支架和注浆加固煤体等 改变煤体的性质 使其不易突出 如煤层注水湿润后 煤体弹性减小 塑性增大 煤的瓦斯放散初速度降低 使突出不易发生 改变采掘工艺条件 使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯压力状态平缓变化 达到工作面本身自我卸压和排放瓦斯 如水平分层开采 间歇作业等 3 防治煤与瓦斯突出措施 防止突出措施一般按其实施的空间和作用影响的范围分为两大类 即区域性防突措施和局部防突措施 3 防突措施分类 区域和局部防突措施分类系统图 区域性防突出措施 开采保护层 防治煤与瓦斯突出细则 第45条规定 在突出矿井开采煤层群时必须首先开采保护层 开采保护层后 在被保护层中受到保护的地区按无突出危险煤层进行采掘工作 在未受到保护的地区 必须采取防突措施 所谓保护层 是指突出矿井在煤层群开采中 首先开采没有突出危险或突出危险性较小的煤层称为保护层 相应的受其保护影响的未被开采的突出危险煤层称为被保护层 按保护层位置不同 可以分为上保护层和下保护层 选择保护层时 应优先选择上保护层 条件不允许时 也可选择下保护层 但在开采下保护层时 不得破坏被保护层的开采条件 3 防治煤与瓦斯突出措施 近距离保护层 H 10m中距离保护层 10 H 60m远距离保护层 H 60m 3 防治煤与瓦斯突出措施 预抽煤层瓦斯预抽煤层瓦斯措施防突机理为通过预抽煤体中的瓦斯 降低了突出煤层瓦斯压力和瓦斯含量 煤体瓦斯潜能得到释放 由于煤体瓦斯排放 煤体发生收缩变形 煤体应力紧张得到缓解而卸压 部分地释放煤体的弹性潜能 此外 由于瓦斯排放 煤体强度提高 增大了煤体抵抗突出的阻力 以上三方面共同作用 达到消除突危险的目的 预抽煤层瓦斯的有效性指标主要有两个 预抽瓦斯后 煤层残存瓦斯含量小于该煤层始突深度煤层原始瓦斯含量 煤层瓦斯预抽率大于25 3 防治煤与瓦斯突出措施 煤层注水随着煤体的湿润 可对引起突出的因素 包括煤层的瓦斯动力学性质及物理力学性质 产生影响 使煤的湿度 瓦斯涌出量 瓦斯压力及煤体应力都发生变化 其原因是水改变了煤的力学性质 增加了煤的可塑性 降低了煤的弹性能 使应力分布均匀化 弹性能释放的速度变小 降低了释放的功率 水进入煤的孔隙 抑制了瓦斯的排放 可使煤的瓦斯放散初速度大大降低 减少了发生突出的可能性 煤层注水有长钻孔 区域性措施 和浅孔 局部措施 一般用于采煤工作面防突 两种 按其工艺划分为高压注水和中压长时注水 3 防治煤与瓦斯突出措施 高压注水压力应根据煤层软硬程度和透气性来确定 松软煤层注水压力不宜过大 一般以6 9MPa为宜 硬煤注水压力以10 15MPa为宜 封孔方式可用水泥或水力膨胀式封孔器 中压长时注水则是依靠静水压力 缓慢地将水注入或吸入煤体内部 做到均匀湿润煤层 为了提高注水速度和湿润效果 可在水中添加湿润剂 采用静压注水系统 注水最大压力即为水管压力 压力不低于0 4Mpa 3 防治煤与瓦斯突出措施 局部防突出措施 石门揭煤防突措施 防治煤与瓦斯突出细则 规定 探明石门和煤层相对位置 测定瓦斯压力进行突出预测 预测有突出危险时采取防突措施 进行措施效果检验 用远距离放炮或震动放炮揭开或穿过煤层 在巷道与煤层连接处加强支护 穿透煤层进入顶 底 板岩层 石门揭煤措施可以采用排放钻孔 水力冲孔 抽放瓦斯 金属骨架等其它经试验证明有效的措施 3 防治煤与瓦斯突出措施 石门揭煤防突措施抽放瓦斯措施要求煤层透气性比较好 有足够的抽放时间 一般不少于3个月 钻孔控制石门周边界外3m 4m 抽放孔径75 100mm 孔底间距一般为2m 3m 在抽放孔控制范围内 如预测指标降到突出临界值以下 认为措施有效 3 防治煤与瓦斯突出措施 石门揭煤防突措施排放钻孔措施要求有足够的排放时间 排放孔控制石门周界外3m 5m煤层 排放孔径75 100m 孔底间距按有效排放半径确定 一般不大于2m 缓倾斜煤层 钻孔不能一次穿透煤层全厚 可以分段打 但第一次打钻穿煤长不得小于15m 且进入煤层后排放钻孔必须留有5m最小超前距 在排放钻孔控制范围内 必须进行措施效果检验 如效果检验指标降到突出危险临界值以下 措施有效 3 防治煤与瓦斯突出措施 石门揭煤防突措施金属骨架措施要求适用于软煤和软围岩的薄和中厚煤层 要求在石门上部和两侧周边外0 5 1 0m范围布置骨架孔 骨架孔要进入顶板0 5m 孔间距应小于0 2m 骨架材料可选用8kg m钢轨 型钢或直径不小于50mm钢管 揭开煤层后严禁拆除金属骨架 我国应用金属骨架措施实践表明 对防止倾出类型的突出 金属骨架措施是有效的 而对突出十分严重的煤层 仅靠金属骨架措施尚不能有效防止突出 因此 目前金属骨架一般与其它措施配合使用 仅作为一种辅助措施 3 防治煤与瓦斯突出措施 石门揭煤防突措施扩孔钻卸煤措施要求扩孔钻卸煤措施是利用可伸缩钻头 将石门前方煤体部分掏出 使煤体卸压 排放瓦斯 达到防突目的的一种方法 为防止卸煤过程中上部悬煤垮落 使用该措施时 在石门上部架设金属骨架 钻孔卸煤措施分两个步骤进行 首先是架设骨架 当石门工作面距煤层最小垂距为1 5 2m时 如岩柱岩石松软应增加0 5 1m 沿石门轮廓线打15 19个直径为100mm或75mm的骨架孔 孔间距0 3m 然后向骨架孔插入直径为89mm的钢管或8kg m的重钢轨 再向孔内注入水泥砂浆固化 第二部是打钻卸孔 在石门工作面打直径为150mm的钻孔 当钻孔进入煤层0 4m后 停钻更换扩孔钻具 扩孔直径500mm 直至煤层全厚 3 防治煤与瓦斯突出措施 下图为抚顺分院国家 十五 攻关项目在淮南试验所用钻头 收缩和扩张状态 是抚顺分院研制的专用防突机械伸缩式扩孔钻头 钻头总长420mm 未扩张时直径为 108mm 扩张时最大直径为 230mm 排放钻孔岩石段孔径为 108mm 见到煤层后更换机械可伸缩扩孔钻头进行施工 机械伸缩式扩孔钻头 3 防治煤与瓦斯突出措施 煤巷掘进防突措施煤巷掘进防突措施主要有大直径钻孔 超前钻孔 松动爆破 水力冲孔 煤层高压注水 前探支架等 国外还有卸压槽 煤层水力疏松 其中超前钻孔和松动爆破措施是国内应用最普遍的煤巷掘进局部防突措施 超前钻孔措施是在工作面前方煤体内打一定数量的钻孔 并始终保持一定距离的超前距 使工作面前方煤体卸压 排放瓦斯 达到减弱和防止突出的目的一种方法 钻孔可分为大 120 300mm 小 120mm 直径钻孔 超前钻孔孔径一般应为75 300mm 地质变化剧烈地带也可采用孔径为42mm的小直径孔 其钻孔布置主要取决于钻孔的有效影响半径和所需形成的卸压和排放瓦斯范围 排放孔的控制范围应包括巷道断面和轮廓线外不得小于2m 3 防治煤与瓦斯突出措施 煤巷掘进防突措施深孔控制卸压爆破防突技术煤巷深孔控制卸压爆破防突技术的实质是 在煤层掘进工作面正前方煤体中 打若干个25 30m深的钻孔 其中有爆破孔 直径50 75mm 和控制孔 直径90 120mm 通过爆破作用 煤体内产生破碎圈带及松动圈带 使地应力峰值转移 同时加速排放高压瓦斯 降低瓦斯压力梯度 减小突出势能 实现空间和时间上的超前防护作用 从而达到防止突出的目的 3 防治煤与瓦斯突出措施 煤巷掘进防突措施边掘边抽与排放钻孔相结合的措施在具有瓦斯抽放系统 瓦斯涌出量大及突出危险性严重的矿井煤巷掘进时 可采用边掘边抽 抽掘结合 并配以排放钻孔的防突措施 掘进巷道边掘边抽钻场及钻孔布置示意图 3 防治煤与瓦斯突出措施 采煤工作面防突措施随着矿井开采深度的增加和开采强度的增大 我国回采工作面的突出日益严重 而采煤工作面突出的防治技术及其配套装备的研究在国内起步较晚 目前一般采用的局部防突措施有超前排放钻孔 浅孔松动爆破 注水等 由于这些局部性防突措施作用范围小 占用采煤时间以及不便实施等原因 难以满足安全高效生产之需要 防治煤与瓦斯突出措施 3 3 工作面 四位一体 综合防突措施 预测 无危险 发允许掘进通知 留2m预测超前距在安全防护措施下组织施工 预测有危险 停掘通知 采取防治突出措施 效果检验无危险 发允许掘进通知 留5m超前距在安全防护措施下组织施工 效果检验有危险 继续采取防治突出措施至有效 预测 或措施 必须在现场设置好预测 或措施 起始点标志和防突管理牌板 严禁超掘 防治煤与瓦斯突出措施 安全防护措施 4 4 安全防护措施 通过进行防治突出的预测 采取卸压防突措施和措施效果检验 应该说是比较安全可靠了 但由于工作人员的知识水平 工作责任心 施工水平和仪器误差等一系列的因素 难免会发生误判 因此 必须设立最后一道关口 即安全防护措施 以避免人员不必要的伤亡 安全防护措施分为两大部分 一是技术措施 二是安全设备 技术措施有震动放炮 远距离放炮等 安全设备有压风自救装置 自救器 避灾峒室 反向风门 防逆流装置 防护挡栏等 震动性放炮 震动放炮的作用是利用火药爆炸产生的震动力 破坏石门附近的应力平衡 使应力与瓦斯能量突然释放 达到诱发煤与瓦斯突出的目的 震动性放炮主要用于石门揭穿煤层 根据 防突细则 规定 它用于突出危险石门经执行卸压措施并经措施效果检验有效后 可用震动性放炮揭开煤层 或预测煤层为无突出危险时可不采取防治突出措施 采用震动放炮揭开煤层 当煤层厚度小于0 3m时 可直接采用震动放炮揭开煤层 4 安全防护措施 震动放炮技术要求石门震动放炮要求一次全断面揭穿 薄煤层 或揭开 中厚 厚煤层 突出煤层 对急倾斜和倾斜的中厚和厚煤层 要求一次全断面揭入煤层的深度应不小于1 3m 对缓倾斜煤层 应一次全断面揭开煤层 震动爆破爆破孔的装药量根据我国各突出矿井的统计 采用毫秒雷管时 爆破单位体积岩石的装药量为2 3kg m3 采用瞬发雷管时为3 4 5kg m3 为提高爆破效果 加大一次爆破的深度 可用深孔掏槽布孔方法 即先在石门中心部位打几个直径100 200mm的钻孔 这些钻孔不装药 作为爆破时的附加自由面 4 安全防护措施 震动放炮前 揭穿煤层的工作面必须有独立的回风系统 回风系统必须保证风流畅通 在石门进风侧的巷道中 为了防止突出的瓦斯逆流进入进风系统 应设置两道坚固的反向风门 放震动炮时 将反向风门关闭 不放炮时将风门敞开 震动放炮一次启动全部炮眼 崩开石门全断面的岩柱 如果第一次震动放炮未能全断面揭开煤层 则第二次爆破作业仍须按震动放炮的各项要求进行 直到揭穿煤层为止 震动放炮必须有专门设计 设计中对爆破参数 放炮地点 反向风门位置 避灾路线 停电 撤人和警戒范围等 应根据石门揭煤地点的地质 开采条件 做出明确的规定 岩石眼不得打入煤层 眼底距煤层