第一章 矿井瓦斯灾害防治.ppt

目录 第一章矿井瓦斯灾害防治 第二章矿尘防治 第三章矿井火灾防治 第四章矿井水灾防治 第五章煤矿爆破事故防治 第六章煤矿顶板灾害防治 第七章煤矿安全管理技术 第八章矿山救护 第一章矿井瓦斯灾害防治目录 第一节基本概念和理论概述第二节瓦斯爆炸及防治技术第三节煤与瓦斯突出及防治技术第四节矿井瓦斯抽放复习题问题思考 第一节基本概念和理论概述主要内容 一 矿井瓦斯的定义及性质二 矿井瓦斯的成因和分带三 煤层瓦斯的赋存状态四 矿井瓦斯的涌出五 瓦斯涌出的影响因素六 矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理七 矿井瓦斯等级 一 矿井瓦斯的定义及性质 1 矿井瓦斯的定义从广义上讲 矿井瓦斯是指从煤层或岩层中放出或生产过程中产生并涌入到矿井内的各种气体 狭义的讲 矿井瓦斯专指甲烷 CH4 后面章节中所谈的瓦斯概念 一般为甲烷 2 矿井瓦斯的性质瓦斯是无色 无味 无臭 无毒的气体 瓦斯比空气轻 其比重为0 554 因此在煤矿井下常积聚在巷道顶部或上山迎头 瓦斯的扩散速度是空气的1 34倍 瓦斯的渗透能力是空气的1 6倍 瓦斯微溶于水 瓦斯不助燃 但条件适宜时能发生燃烧和爆炸 二 矿井瓦斯的成因和分带 1 矿井瓦斯的成因煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层 主要是由高等植物经煤化作用形成的 成气过程可分为两个阶段 生物化学成气时期 泥炭化或腐泥阶段 腐植型有机物沉积在沼泽相和三角洲相 在小于65 下 经厌氧微生物 细菌 的化学降解作用生成甲烷 二氧化碳 水 泥炭化过程的生物化学作用分两个阶段 植物中的有机物经氧化分解和水解作用 转化为简单的化学性质活泼的化合物 分解产物相互作用生成新的较稳定的有机化合物 该时期埋藏深度不大且覆盖层胶结固化程度不够 所产生的气体绝大部分逸散入大气 煤化变质作用时期 煤化阶段 泥炭 腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程 图1 1 l顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化I N2 CO2 II N2 III N2 CH4 IV CH4 2 煤层瓦斯垂直分带根据井下煤层瓦斯组分和含量 将煤层瓦斯按赋存深度不同自上而下分为4个带 N2 CO2带 N2带 N2 CH4带和CH4带 见图1 1 1 图1 1 2煤体中瓦斯的赋存状态示意图1 自由瓦斯 2 吸着瓦斯 3 吸收瓦斯 4 煤体 5 空隙 三 煤层瓦斯的赋存状态 1 瓦斯的赋存状态矿井瓦斯在煤 岩层中以两种状态存在 即自由状态和吸附状态 自由状态又称游离状态 吸附状态分为两种表现形式 即吸着状态和吸收状态 自由瓦斯和吸附瓦斯关系 二者是处于一种动平衡状态 即在一定条件下自由瓦斯和吸附瓦斯可以互相转化 各带的气体成分组成及含量 瓦斯风化带上届深度确定 以下任何一项 煤层的相对瓦斯涌出量为2 3m3 t 煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80 煤层内的瓦斯压力为0 1MPa 煤的瓦斯含量达到下列数值 长焰煤1 0 1 5m3 t 气煤1 5 2 0m3 t 肥煤与焦煤2 0 2 5m3 t 瘦煤2 5 3 0m3 t 贫煤3 0 4 0m3 t 无烟煤5 0 7 0m3 t 2 影响煤层瓦斯含量的因素 一 煤的变质程度变质程度越高 瓦斯含量就大 灰分 杂质 水分降低煤中的瓦斯含量 二 煤系地层保存瓦斯的条件 1 煤层存贮条件 煤的吸附特性 煤化程度高 存贮瓦斯能力强 煤层有无露头 煤层的埋深 2 围岩透气性致密完整的低透气性岩层 瓦斯含量高 瓦斯压力大 反之越小 3 煤层的地质史以下降 覆盖层加厚和海相沉积为主要变化的地质活动过程 会导致瓦斯含量增高 反之 瓦斯含量降低 4 煤层倾角埋藏深度相同时 煤层倾角越小 瓦斯含量越大 地质构造及其他条件 6 水文地质条件地下水活跃的地区 煤层瓦斯含量小 地下水带走部分被溶解的瓦斯 地下水的渗透通道也是瓦斯渗透通道 地下水带走了溶解的矿物 使围岩及煤层卸压 透气性增加 造成了瓦斯的流失 3 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力 即气体作用于孔隙壁的压力 煤层瓦斯压力越高 煤的吸附瓦斯量越大 四 矿井瓦斯的涌出 1 矿井瓦斯涌出形式瓦斯从煤层或围岩中涌出的形式有两种 1 普通涌出 瓦斯能够长时间地 持续地从煤体中释放出来 2 特殊涌出 喷出 突出 在时间上突然 在空间上集中 大量的瓦斯涌出 2 矿井瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量 1 Q绝 Q C 60 24 1 1 1 式中Q 矿井总回风道风量 m3 min C 回风流中的平均瓦斯浓度 2 q相 Q绝 n T 1 1 2 式中Q绝 矿井绝对瓦斯涌出量 m3 d n 矿井瓦斯鉴定月的工作天数 d 月 T 矿井瓦斯鉴定月的产量 t 月 1 自然因素 1 煤层和围岩的瓦斯含量煤层的瓦斯含量越高 开采时的瓦斯涌出量越大 瓦斯含量较小 瓦斯涌出量越小吗 2 地面气压的变化地面大气压一年内夏冬差值5 3 8kPa 一天内差值可达2 2 7kPa 3 开采深度在瓦斯带内 随着开采深度的增加 相对瓦斯涌出量增大 五 瓦斯涌出的影响因素 2 开采技术因素1 开采规模 开采深度 开拓与开采范围和矿井产量 在瓦斯带内 开采越深 规模越大 瓦斯涌出量越高 2 开采顺序与采煤方法首先开采的煤层瓦斯涌出量大 采空区丢煤多 回采率低的采煤方法 采区瓦斯涌出量大 顶板管理采用全部垮落法时 瓦斯涌出量大 采煤工作面周期来压时 瓦斯涌出量增大 3 生产工艺破煤时瓦斯涌出量总是大于其他工序 4 风量变化抽出式负压增加时 瓦斯涌出量增大 5 采区通风系统Y W型通风优于U型通风 工作面瓦斯涌出量较低 6 采空区的密闭质量采空区瓦斯浓度可达60 70 六 矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理 瓦斯来源三种划分方式 1 按水平 翼 采区划分 分量分配 2 按掘进区 开采区 已采区划分 日常治理 3 按开采区 邻近区划分 采面治理 2 瓦斯涌出不均衡系数在一段时间内 瓦斯涌出峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均衡系数 Kg Qmax Qa 3 矿井瓦斯涌出量预测 1 统计法 生产矿井 2 瓦斯含量法 新建矿井 例题 抚顺龙凤矿不同加权平均开采深度时的相对瓦斯涌出量如下表所示 抚顺龙凤矿深500处的瓦斯涌出量为qm qm1 H H1 ga 33 0 500 0 410 0 10 9 41 2m3 t采深500m处实测为41 5m3 t 误差为0 7 统计法预测注意问题 统计法只适用于瓦斯带以下已开采了1 2个水平的矿井 而且外推深度不得超过100 200m 煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小 外推深度也应越小 积累的瓦斯涌出量资料 至少要有一年以上 资料越多 精度越高 已采水平的瓦斯地质情况和开采技术与新设计水平越相似 预测的可靠性也越高 规程 规定 一个矿井中 只要有一个煤 岩 层中发现过瓦斯 该矿井即定为瓦斯矿井 并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理 矿井瓦斯等级 按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式划分为 低瓦斯矿井 相对瓦斯涌出量 10m3 t 且绝对瓦斯涌出量 40m3 min 高瓦斯矿井 相对瓦斯涌出量 10m3 t 且绝对瓦斯涌出量 40m3 min 煤与瓦斯突出矿井 矿井在采掘过程中 只要发生过一次煤与瓦斯突出 该矿井即为突出矿井 发生突出的煤层定为突出煤层 七 矿井瓦斯等级 第二节瓦斯爆炸及防治技术主要内容 一 瓦斯爆炸二 防止瓦斯积聚的技术措施三 防止点火源的出现四 加强瓦斯的检查和监测五 瓦斯爆炸的处理要点 统计表明 2000 2008年共发生死亡10人以上30人以下的重大瓦斯爆炸事故117起 死亡30人以上的特别重大瓦斯爆炸事故37起 其中7起百人以上事故都发生在低瓦斯区域 具体统计数据如图1 图10所示 一 瓦斯爆炸的过程及其危害1 瓦斯爆炸的化学反应过程最终的化学反应式为 CH4 2O2 CO2 2H2O如果煤矿井下O2不足 反应的最终式为 CH4 O2 CO H2 H2O2 瓦斯爆炸的产生与传播过程爆炸性混合气体 高温火源 瓦斯初爆 火焰锋面 高温混合气体 压力的冲击 正向冲击波 一 瓦斯爆炸 3 瓦斯爆炸的危害矿内瓦斯爆炸的有害因素是 高温 冲击波和有害气体 1 产生高温火焰锋面传播速度500 700m s 爆轰式传播速度2500m s 焰面温度高达2150 2650 2 形成冲击波冲击波锋面压力由几个大气压到20个大气压 高达100个大气压 3 产生大量有害气体氧气 0 6 10 氮气 82 88 二氧化碳 4 8 一氧化碳 2 4 1 瓦斯爆炸的基本条件 瓦斯浓度在爆炸界限内 一般为5 16 混合气体中的氧浓度不低于12 有足够能量的点火源以上三条件必须同时具备 柯瓦德爆炸三角形 二 瓦斯爆炸的条件及影响因素 2 影响瓦斯爆炸发生的因素 1 影响瓦斯爆炸界限的因素 可燃气体 几种可燃性气体同时存在时 混合气体的爆炸上限与下限 爆炸性煤尘煤尘在300 400 的火源能够放出可燃性气体 空气中煤尘含量为5g m3 瓦斯的爆炸下限为3 煤尘含量为8g m3 瓦斯爆炸下限为2 5 表1 2 2可燃气体H2 CH4 CO失爆所需的惰气量 惰性气体 表1 2 2 惰性气体使可燃气体爆炸下限升高 上限降低 混合气体的初始温度初始温度越高 瓦斯爆炸界限就越大 当初始温度为20 瓦斯爆炸界限为6 0 13 4 初始温度为700 瓦斯爆炸界限为3 25 18 75 2 影响引火温度的因素 点燃瓦斯的最低温度 瓦斯浓度瓦斯浓度在7 8 其引火温度最低 混合气体压力混合气体的压力越大 引火温度就越低 混合气体压力为9 8kPa 引火温度为700 压力为274kPa 引火温度为460 火源性质化学火源 明火 煤炭自燃 炮火 导火索等 冲击火源 冲击 摩擦 绝热压缩高温 电气火源 电火花 电弧 静电 高温火源 高温表面 机械设备 皮带摩擦 热辐射 表1 2 1瓦斯爆炸感应期火源温度 瓦斯爆炸的感应期 瓦斯与高温热源接触后 不是立即燃烧或爆炸 而是要经过一个很短的间隔时间 这种现象叫引火延迟性 间隔的这段时间称感应期 三 矿井瓦斯爆炸的致因1 瓦斯积聚瓦斯积聚是指体积超过0 5m3时的空间瓦斯浓度超过2 的现象 积聚原因主要有以下几个方面 1 通风系统不合理 2 正常生产时期 煤矿井下的通风设施被随意改变其状态 3 采掘工作面的串联通风 4 局部通风机停止运转可能使掘进工作面很快达到瓦斯爆炸的界限 5 对封闭的区域或停工一段时间的工作面恢复通风 未制定专门的排放瓦斯措施 6 采空区和盲巷中往往积存大量高浓度的瓦斯 7 当采掘工作面推进到地质构造异常区域时 有可能发生瓦斯异常涌出 造成瓦斯积聚 8 巷道冒落空洞由于通风不良容易形成瓦斯积聚 9 小煤矿的瓦斯积聚除上述几个方面外 还有以下几点 独眼井开采 未安装主要通风机 使用局部通风机代替主要通风机 回风井筒兼作提升 矿井漏风严重 通风机不能发挥作用 矿井停工停风或掘进工作面停工停风 井下通风系统混乱 串联通风严重 掘进工作面无局部通风机 没有瓦斯检查 监测制度 无专门的安全技术人员从事安全管理工作 2 瓦斯爆炸的点火源 1 井下爆破引起的瓦斯爆炸和燃烧事故呈增加的趋势 存在的问题主要有 使用了不符合安全要求的炸药或炸药已经超过安全有效期限 充填炮泥不合格 造成放炮火焰存在时间过长 爆破炮眼布置不合理 抵抗限过低 或者放明炮 糊炮等 爆破电路连线不合格 产生电火花 放炮器不合格或使用明电放炮等 2 电火花引起的瓦斯爆炸与电器设备的不合格和人员违章操作有关 3 摩擦撞击火花有时难以避免 4 井下严禁使用明火 5 其他情况 二 防止瓦斯积聚的技术措施 一 按照 规程 的要求做好通风工作 1 矿井通风必须采用机械通风 2 所有没有封闭的巷道必须保持足以稀释瓦斯到规定界限的风量和风速 3 采煤工作面必须保持风路畅通 避免形成串连通风 4 掘进工作面供风最容易出现安全问题 5 对高瓦斯矿井 必须使用 三专两闭锁 6 整个矿井的生产和通风是相匹配的 二 及时处理局部聚积的瓦斯1 回采工作面上隅角的瓦斯积聚处理技术处理的方法有以下几种 1 增风吹散法 1 风障引流法 2 液压局部通风机吹散法 3 脉动通风技术吹散法2 无火花设备抽排法 1 风筒引射导风法 2 移动泵站抽放法 3 尾巷排放法 风障引流法 小型液压局部通风机处理上隅角积聚的瓦斯1 工作面液压支架 2 甲烷传感器 3 柔性风筒 4 小型液压通风机5 中心控制处理器 6 液压泵站 7 磁力启动器 8 油管 风 水引射器在采煤工作面上隅角的风种布置方式 煤矿安全规程 对该方法的应用提出如下要求 工作面风流控制必须可靠 专用排瓦斯巷道内不得进行生产作业和设置电器设备进 专用排瓦斯巷道内风速不低于0 5m s 专用排瓦斯巷道内必须用不燃性材料支护 并应有防止产生静电 摩擦和撞击火花的安全措施 专用排瓦斯巷道必须贯穿整个工作面推进长度且不得留有盲巷 专用排瓦斯巷道内必须安设甲烷传感器 甲烷传感器应悬挂在距专用排瓦斯巷道回风口10 15m处 煤层的自燃倾向性为不易自燃 2 刮板输送机底槽的瓦斯积聚处理技术处理的方法有以下几种 1 设专人清理输送机底下遗留的煤炭 保证底槽畅通 使瓦斯不易积聚 2 保持输送机经常运转 即使不出煤也让输送机继续运转 以防止瓦斯积聚 3 如果发现输送机底槽内有瓦斯超限的区段 可把输送机吊起来 使空气流通排除瓦斯 4 有压风管路的地点可以将压风引至底槽进行通风 排除积聚的瓦斯 3 机械化采煤工作面瓦斯积聚的处理 1 加大工作面的进风量 2 降低瓦斯涌出的不均匀性 3 抽放瓦斯和煤壁注水 4 采煤机附近局部瓦斯积聚 可在采煤机的切割部或牵引部安装小型局扇或水力引射器 吹散积存的瓦斯 4 顶板瓦斯聚积的处理1 顶板附近瓦斯层状积聚的处理预防和处理瓦斯层状积聚的方法有两种 1 加大巷道内风流速度 2 加大顶板附近的风速 3 黄泥抹缝法 4 瓦斯抽放法 如图1 3 9所示 图1 3 9钻孔抽放裂隙带的瓦斯 2 顶板冒落空洞内积存瓦斯处理 1 隔离法 见图1 3 10 2 引风吹散法 常见的方法有 图1 3 10隔离法 图1 3 11挡风板引风处理冒落空洞中的瓦斯1 挡风板 2 坑木 3 风筒 导风板引风吹散法 如图1 3 11所示 风筒分支吹散法 见图1 3 12 压风管分支吹散法 图1 3 12风筒分支法排放瓦斯 5 掘进工作面局部的瓦斯积聚处理技术 1 对于瓦斯涌出量大的掘进工作面尽量使用双巷掘进 每隔一定距离开掘联络巷 构成全负压通风 2 盲巷部分要安设局部通风机供风 3 掘进工作面及其巷道中很容易出现冒落空洞或裂隙发育带 对于这些地点积聚的瓦斯应使用上述有关方法予以及时处理 6 恢复有瓦斯积存的盲巷或在打开密闭时的瓦斯处理措施要注意以下几点 1 最好在非生产班进行 2 排放工作一般由一个救护小队操作 3 开动局扇前必须检查局扇附近20m内瓦斯浓度是否超限 开动后要检查局扇附近是否有循环风 4 瓦斯积存量较大时 应逐段恢复通风 5 采用巷道积聚瓦斯自控排放装置 1 加强管理 提高防火意识2 防止放炮火源 1 煤矿井下的爆破必须使用符合 煤矿安全规程 规定的安全炸药 2 有爆破作业的工作面必须严格执行 一炮三检 的瓦斯检查制度 3 禁止使用明接头或裸露的放炮母线 要严格执行 三人连锁放炮 制度 4 炮眼的深度 位置 装药量要符合该工作面作业规程的要求 5 禁止放明炮 糊炮 6 严格执行井下火药 雷管的存放 运输的管理规定 三 防止点火源的出现 3 防止电气火源和静电火源4 防止摩擦和撞击点火5 防止明火点燃 1 严禁携带烟草 点火物品入井 严禁携带易燃物品入井 2 严禁在井口房 通风机房 瓦斯泵房周围20m范围内使用明火 吸烟或用火炉取暖 3 不得在井下和井口房内从事电气焊作业 4 严禁在井下存放汽油 煤油 变压器油等 5 井下严禁使用电炉或灯泡取暖 6 防止其他火源 1 井下各处允许的瓦斯浓度值及超限时的措施 规程 对井下各处允许瓦斯浓度的限值及超限时应采取的措施 都作了明确的规定 详见表1 3 1 四 加强瓦斯的检查和监测 表1 3 1井下各处允许的瓦斯浓度值及超限时的措施 2 规程 关于矿井瓦斯检查的制度要求 矿井瓦斯检查的主要地点有 所有采掘工作面 硐室 使用中的机械电气设备的设置地点 有人员作业的地点 瓦斯可能超限或积聚的地点等 其检查要求如下 1 采掘工作面的瓦斯浓度检查次数 低瓦斯矿井每班至少检查2次 高瓦斯矿井每班至少检查3次 有煤 岩 与瓦斯突出危险的采掘工作面 有瓦斯喷出危险的采掘工作面和瓦斯涌出量较大 变化异常的采掘工作面 都必须有专人经常检查瓦斯 并安设甲烷断电仪 2 采掘工作面CO2浓度应每班至少检查2次 有煤 岩 与CO2突出危险的采掘工作面 CO2涌出量较大 变化异常的采掘工作面 必须有专人经常检查CO2浓度 本班未进行工作的采掘工作面 瓦斯和CO2应每班至少检查1次 可能涌出或积聚瓦斯或CO2的硐室和巷道的瓦斯或CO2应每班至少检查1次 3 在有自燃发火危险的矿井 必须定期检查CO浓度 气体温度等的变化情况 4 井下停风地点栅栏外风流中的瓦斯浓度每天至少检查1次 挡风墙外的瓦斯浓度每周至少检查1次 5 在爆破过程中 严格执行 一炮三检制 6 其他作业地点或应该检查瓦斯和CO2地点 每班至少检查1次 7 瓦斯检查人员必须执行瓦斯巡回检查制度和请示报告制度 并认真填写瓦斯检查班报 每次检查结果必须记入瓦斯检查班报手册和检查地点的记录牌上 并通知现场工作人员 瓦斯浓度超过本规程有关条文的规定时 瓦斯检查工有权责令现场人员停止工作 并撤到安全地点 8 通风安全管理部门的值班人员 必须审阅瓦斯检查班报表 掌握瓦斯变化情况 发现问题及时处理 并向矿调度室汇报 3 规程 对矿井瓦斯检查仪器 仪表的要求4 通风或瓦斯涌出异常时期应特别注意的事项 1 煤与瓦斯突出造成短时间内涌出的大量瓦斯 易形成高瓦斯区 2 抽放瓦斯系统停止工作时 必须及时采取增加供风 加强监测直至停产撤人的措施 防止瓦斯事故的发生 3 排除积存瓦斯时可能会造成局部区域的瓦斯超限 必须制定排放方案和保安措施 以保证排放工作的顺利进行 4 地面大气压力的急剧下降也会造成井下瓦斯涌出异常 必须加强监测 并有相应的防护措施 5 在工作面接近采空区边界或老顶来压时 会使涌入工作面的瓦斯突然增加 应加强对这一特殊时期瓦斯的监测 总结规律 并做到心中有数 6 采煤工作面大面积落煤也会造成大量的瓦斯涌出 应适当限制一次放炮的落煤量和采煤机连续工作的时间 五 瓦斯爆炸的处理要点 1 必须了解 询问 的内容 1 爆炸地点及其事故波及范围 2 人员分布及其伤亡情况 3 通风情况 4 灾区瓦斯情况 5 是否发生了火灾 6 主要通风机工作情况 2 必须分析判断的内容 1 通风系统破坏程度 2 是否会产生连续爆炸 3 能否诱发火灾 4 可能的影响范围 3 必须做出决定并下达的命令 1 切断灾区电源 2 撤出灾区和可能影响区的人员 3 向矿务局汇报并召请救护队 4 成立抢救指挥部 制定救灾方案 5 保证主要通风机和空气压缩机正常运转 6 保证升降人员的井筒正常提升 7 清点井下人员 控制入井人员 8 矿山救护队到矿后 按照救灾方案部署救护队抢救遇险人员 侦察灾情 扑灭火灾 恢复通风系统 防止再次爆炸 9 命令有关单位准备救灾物资 医院准备抢救伤员 4 处理事故的具体措施 1 选择最短的路线 以最快的速度到达遇险人员最多的地点进行侦察 抢救 2 迅速恢复灾区通风 3 反风 4 清除灾区巷道的堵塞物 5 扑灭爆炸引起的火灾 6 发生连续爆炸时 为了抢救遇险人员或封闭灾区 救护队指战员在紧急情况下 也可利用两次爆炸的间隔时间进行 7 最先到达事故矿井的小队 担负抢救遇险人员和灾区的侦察任务 8 第二个到达事故矿井的小队应配合第一小队完成抢救人员和侦察灾区的任务 或是根据指挥部的命令担负待机任务 9 恢复通风设施时 首先恢复主要的最容易恢复的通风设施 第三节煤与瓦斯突出及防治技术主要内容 一 煤与瓦斯突出二 煤与瓦斯突出四位一体防治体系三 煤与瓦斯突出的防治措施四 煤与瓦斯突出事故的处理 一 煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯的共同作用下 破碎的煤 岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象 称为煤与瓦斯突出 二 煤与瓦斯突出的危害煤与瓦斯突出发生时 能在几秒至几十秒的时间内将几吨到上万吨的煤和几百立方米到几百万立方米的瓦斯抛射到采掘空间 1 危及井下作业人员生命安全 2 破坏矿井正常的生产秩序 3 破坏井下设备和建筑物 如摧毁支架 推倒矿车 破坏通风设施 4 诱发其它灾害事故 如瓦斯煤尘爆炸 瓦斯燃烧 5 严重影响矿井经济效益 一 煤 岩 与瓦斯突出 三 煤 岩 与瓦斯突出分类 按照突出物质的不同突出可分为煤与甲烷突出岩石与甲烷突出岩石和二氧化碳突出煤 岩 二氧化碳和甲烷突出 按照突出动力源的不同突出又可分为倾出 压出和突出 煤与瓦斯突出 突出 发动突出的主要因素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能 突出的煤向外抛出距离较远 具有明显的分选性 抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角 抛出的煤破碎程度较高 含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉 有明显的动力效应 破坏支架 推倒矿车 破坏和抛出安装在巷道内的设施 有大量的瓦斯涌出 瓦斯涌出量远远大于突出煤的瓦斯含量 有时会使风流逆转 突出孔洞呈口小腔大的梨形 舌形 倒瓶形以及其它分岔形等 煤突然压出并涌出大量瓦斯 压出 发动与实现煤压出的主要因素是受采动影响所产生的地应力 瓦斯压力与煤的重力是次要因素 压出的基本能源是煤层所积蓄的弹性能 压出有两种形式 即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出 但位移和抛出的距离都较小 压出后 在煤层与顶板之间的裂隙中 常留有细煤粉 整体位移的煤体上有大量的裂隙 压出的煤呈块状 无分选显现 巷道瓦斯 二氧化碳 涌出量增大 压出可能无孔洞或呈口大腔小的楔形孔洞 压出时常伴随巷道底鼓 煤突然倾出并涌出大量瓦斯 倾出 发动倾出的主要因素是地应力 即结构松软 饱含瓦斯 内聚力小的煤 在较高的地应力作用下 突然破坏 失去平衡 为其位能的释放创造了条件 实现突然倾出的主要力是失稳煤体的自重 倾出的煤就地按自然安息角堆积 并无分选现象 倾出的孔洞呈孔大腔小 孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂方向 厚煤层 发展 无明显动力效应 倾出常发生在煤质松软的急倾斜厚煤层中 巷道瓦斯 二氧化碳 涌出量明显增大 3 按突出的强度 1 小型突出 强度小于100t 2 中型突出 强度100t 500t 3 大型突出 强度500 1000t 4 特大型突出 强度大于或等于1000t 四 煤 岩 与瓦斯突出的机理和条件1 突出机理 1 瓦斯假说这类假说认为 引起突出并促使其发展的主要因素是煤中所含的高压瓦斯 在这类假说中 瓦斯包 假说占有重要的地位 这种假说的拥护者认为 在原始煤体中 存在着瓦斯压力比邻近区域高的多的 瓦斯包 瓦斯包中的煤 松软 揉皱 裂隙发育 包周围煤体的透气性极小 使包中的高压瓦斯得以保存 当采掘工作面接近 瓦斯包 时 高压瓦斯则连同碎煤一起突出 至于 瓦斯包 如何形成 一般多认为是地质构造破坏的结果 也有人认为与火成岩活动有关 一些研究者认为 在 瓦斯包 中并不一定有高压瓦斯 而是强调在煤层和与其相了邻的围岩中 有空隙 裂隙异常发育的地段 由于在该地段煤层与围岩有裂隙网连通 使游离瓦斯大量增大 2 地压假说这类假说把突出发生的原因归结为局部地区地应力的增大 在这类假说中 构造应力说占有重要的地位 构造应力说又可分为残余构造应力说和现代应力说两种 地层中产生地质构造需要又庞大的力量 即构造应力 残余构造应力说认为 尽管在久远的年代以前 地质构造已经形成 但在地质构造带煤层坚硬的围岩中 仍然残存着部分构造应力 即残余构造应力 其值远大于自重应力值 当巷道接近这些含有残余构造应力的岩层时 后者会像弹簧一样张开 释放其中储存的大量弹性潜能 引起突出 但在漫长的地质年代中 残余构造应力是否能保存下来 引起了较大的争议 所以又有人提出了现代构造应力说 即现代构造应力大的区域即为突出危险区域 3 综合假说综合假说认为 突出是地应力 煤中所含瓦斯和煤的物理力学性质三因素综合作用的结果 煤与瓦斯突出是一种力学现象 综合假说全面考虑了突出动力 地应力 瓦斯 和阻力 煤强度 两个方面的主要自然因素 突出的发生与否取决于上述三因素的一定组合 对突出发生的区域条件来说 该区域的地应力越大 煤层瓦斯压力 含量 越高 煤越松软 则区域的突出危险性就越大 对采掘工作面发生的一次突出来说 除与上述三因素个参数的原始值有关外 而且还在很大程度上取决于工作面附近的应力 瓦斯压力的分布状况和煤强度性质的变化 工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大 煤强度越不均质 则工作面的突出危险性也就越大 2 突出经历四个阶段 1 准备阶段准备阶段指突出发生前工作面前方煤体及围岩中能量的局部积聚过程 在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度 煤体内地应力梯度急剧增高 形成很高的应力集中 积聚着很大的变形能 同时由于孔隙裂隙的压缩 使瓦斯压力增高 瓦斯内能增大 工作面前方煤体由三向应力状态转化为两向甚至单向应力状态 煤中产生新的裂隙 当石门工作面逐渐靠近煤层 在非均质煤层中的工作面逐渐接近坚硬的包括体 坚硬顶板条件下的采煤工作面悬顶面积逐渐加大以及工作面逐渐靠近地质破坏带时 都能使工作面前方煤层和围岩中积聚的能量逐渐增大 准备阶段形成的结果将使工作面处于突出危险状态 这时的工作面能显现有声和无声的各种突出预兆 此时如果停止工作面作业 那么突出将不会发生 2 激发阶段极限应力状态下的部分煤体突然破坏 卸载 卸压 并发生巨响和冲击 由于煤体的破裂 伴随着裂隙的生成与扩张 膨胀瓦斯流开始形成 大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出 3 发展阶段在地应力与瓦斯压力共同作用下 突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体 由于是瓦斯膨胀作功 破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯气流中边运送边粉碎 煤的粉化程度 游离瓦斯含量 瓦斯放散初速度 解吸瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流对瓦斯风暴的形成与发展起决定作用 4 终止阶段突出的终止有两种情况 一是在剥离和破碎煤体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低到不足以破坏煤体 二是突出孔道被堵塞 其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞 虽然这时突出停止了 而突出孔周围的卸压区与突出的煤涌出瓦斯的过程并没有停止 异常的瓦斯涌出还要持续相当长时间 3 突出的条件突出发生必须同时满足以下3个条件 1 放炮落煤 石门突然揭开煤层 采掘工作面进入地质构造带 打钻 悬顶冒落等使工作面附近煤 岩 体应力状态突然改变 并导致煤 岩 体局部的突然破坏 这是突出的诱发条件 2 突出诱发后 煤 岩 的暴露面处于高地应力和高瓦斯压力区 使煤 岩 体能产生自发地连续破碎 这是突出的发展条件 3 煤 岩 体和已破碎的煤 岩 能快速涌出瓦斯 包括游离瓦斯和吸附瓦斯 并形成能抛出已破碎煤 岩 的瓦斯流 这是突出发展的必要条件 五 煤 岩 与瓦斯突出的一般规律和预兆1 煤 岩 与瓦斯突出的一般规律 1 煤层突出危险性随开采深度及煤层厚度增大而增大 2 突出多发生在地质构造带 3 突出多发生在集中应力区 4 突出煤层多具有软分层 5 突出煤层大都具有较高的瓦斯压力和较大的瓦斯含量 6 大多数突出发生在爆破和落煤工序 7 突出煤层的特点是强度低 软硬相间 透气系数小 瓦斯的放散速度高 煤的原生结构遭到破坏 层理紊乱 无明显节理 光泽暗淡 易粉碎 8 主要诱导因素是采掘作业 其次为爆破 风镐 手镐作业 9 石门揭煤发生突出的强度和危害性最大 2 突出预兆突出预兆主要有以下几种 声响预兆 闷雷声 爆竹声 机枪声 嗡嗡声 煤结构变化预兆 煤体层理紊乱 煤体干燥 煤体松软 色泽变暗而无光泽 煤层产状急剧变化 煤层波状隆起及层理逆转 地压方面的预兆 支架来压 煤壁开裂 掉渣 片帮 工作面煤墙外臌 巷道底臌 钻孔顶夹钻 钻孔严重变形 垮孔及炮眼装不进炸药 瓦斯方面的预兆 风流逆转 瓦斯异常 瓦斯浓度忽大忽小 打钻喷孔及出现哨叫声或蜂鸣声 其他预兆 工作面温度降低 煤壁发凉 1 突出危险性预测 2 防治突出措施 3 防治突出措施的效果检验 4 安全防护措施 四位一体 的防治突出综合措施实施系统如图1 4 1所示 二 煤与瓦斯突出四位一体防治体系 图1 4 1防突综合措施实施系统图 三 煤与瓦斯突出的防治措施 一 区域性防突出措施1 开采保护层在突出矿井中 为消除或削弱相邻煤层的突出或冲击地压危险而先开采的煤层称为保护层 后开采的煤层称为被保护层 1 开采保护层的作用 1 地压减少 弹性潜能得以缓慢释放 2 煤层膨胀变形 形成裂隙与孔道 透气系数增加 3 煤层瓦斯涌出后 煤的强度增加 2 保护范围 1 垂直保护距离保护层与被保护层之间的有效垂距应符合表1 4 1所列数值 表1 4 1保护层与被保护层间的有效垂距 2 沿倾向的保护范围 表1 4 2 3 沿走向的保护范围保护层回采工作面始采线两侧的保护范围 必须按实际考察结果确定 我国现场多用冒落角来确定 如图1 4 4所示 南桐矿务局取为62 65 北票矿务局取为80 保护层采煤工作面必须超前于被保护层的掘工作面 超前距大于两个煤层之间的垂距的2倍 至少不小于30m 图1 4 4沿走向的保护范围 4 煤柱的影响保护层开采后 在采空区上下形成了卸压区 在其附近的煤柱则产生了集中应力区 在集中应力区内 增加了突出危险性 规程 规定 保护层的开采厚度等于或小于0 5m 上保护层与突出煤层间距大于50m或下保护层与突出煤层间距大于80m时 必须对保护层的保护效果进行检验 5 开采保护层还必须注意事项A 如煤层群中有几个保护层时 应首先考虑上保护层 B 矿井中所有煤层都有突出危险时 可选择突出危险程度较小的煤层作为保护层 但在此保护层的采掘过程中 必须采取防治突出的措施 C 矿井中所有可采煤层都具有严重突出危险时 也可以选择不可采的煤层作为保护层 为了减小劳动强度 可使用刨煤机 钢丝绳锯等采煤机械 D 开采保护层时 应同时抽放被保护层的瓦斯 2 大面积预抽煤层瓦斯这种措施的实质是利用均匀布置在突出危险煤层内的大量钻孔 经过一定时间预先抽放瓦斯 以降低其瓦斯压力与瓦斯含量 并利用由此引起煤层收缩变形 地应力下降 煤层透气系数增加和煤的强度增高等效应 使抽放瓦斯的煤体丧失或减弱其突出的危险性 二 局部防突措施1 松动爆破向掘进工作面前方应力集中区 打几个钻孔装药爆破 使煤体松动 集中应力区向煤体深部转移 同时加快瓦斯的排出 从而在工作面前方造成较长的卸压带 以预防突出的发生 松动爆破分为深孔和潜孔两种 深孔松动爆破一般用于煤巷或半煤岩巷掘进工作面 钻孔直径一般为40 60mm 孔深8 15m 潜孔松动爆破主要用于采煤工作面 2 钻孔排放瓦斯石门揭煤前 由岩巷或煤巷向突出危险煤层打钻 将煤层中瓦斯经过钻孔自然排放出来 待瓦斯压力降低到安全压力 0 74MPa 以下时 再进行采掘工作 钻孔数和钻孔布置应根据断面和钻孔排放半径大小来确定 每平方米断面不得少于3 5 4 5孔 钻孔排放瓦斯适用于煤层厚 倾角大 透气系数大和瓦斯压力高的石门揭煤时 也大量应用于突出危险煤层的煤巷掘进 缺点是打钻工程量大 瓦斯压力下降慢 等待时间长 3 水力冲孔水力冲孔是在安全岩柱的防护下 向煤层打钻后 用高压水射流在工作面前方煤体内冲出一定的孔道 加速瓦斯排放 同时 由于孔道周围煤体的变形 应力重新分布 扩大卸压范围 此外 在高压水射流的冲击作用下 冲孔过程中能诱发小型突出 使煤中蕴藏的潜在能量释放 避免大型突出的发生 适用于地压大 瓦斯压力大和煤质松软的突出危险煤层 4 超前支架多用于有突出危险的急倾斜煤层 厚煤层的煤层平巷掘进时 为了防止因工作面顶部煤体松软垮落而导致突出 在工作面前方巷道顶部事先打上一排超前支架 增加煤层的稳定性 5 超前钻孔在煤巷掘进工作面前方始终保持一定数量的瓦斯排放钻孔 它的作用是排放瓦斯 增加煤的强度 在钻孔周围形成卸压区 使集中应力区移向煤体深部 6 煤层注水通过钻孔向工作面前方煤体进行注水 以改变煤的力学性质 渗透性质及煤层的应力状态 相应的改变突出的激发和发生条件 达到采掘作业时防止或减少突出危险的目的 三 安全防护措施1 震动放炮它的效果取决于岩柱厚度 装药量和炮眼布置等参数 实施震动放炮措施时 应注意下列事项 1 石门震动放炮要求一次全断面揭穿 薄煤层 或揭开 中厚煤层和厚煤层 突出煤层 2 震动放炮前 揭穿煤层的石门工作面必须有独立的回风系统 且回风系统必须保证风流畅通 3 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 4 震动放炮应一次起爆全部炮眼 崩开石门全断面的岩柱 5 震动放炮必须有专门设计 设计中对爆破参数 爆破器材及起爆要求 爆破地点 反向风门位置 避灾路线及停电 撤人和警戒范围等必须做出明确的规定 6 岩石眼不得打入煤层 眼底距煤层应保持0 2m 如已打入煤层 应在眼底充填不小于0 2m长的炮泥 7 所有炮眼装药后都应先充填1 2个水炮泥 然后再封炮泥直至眼口 8 震动放炮应采用毫秒雷管 延期总时间不准超过130ms 严禁跳段使用 9 震动放炮时 回风系统内电器设备都必须切断电源 严禁人员作业和通过 10 放炮地点和石门工作面的距离应根据突出后瓦斯可能波及的最大范围确定 11 震动放炮由矿总工程师统一指挥 并有矿山救护队在指定地点值班 2 金属栅栏采用震动性爆破揭开突出煤层时 为了减少突出强度 可以采用挡拦措施 挡拦可用金属 矸石 木材等材料 3 反向风门反向风门是防止突出时瓦斯逆流进入巷道而安设的风门 一组反向风门必须设置两道 间距不得小于4m 国家煤矿安监局局长赵铁锤率团考察南非布兰德斯普瑞特煤矿的井下固定式避难所 4 井下避难所 1 井下避难所 2 压风自救系统 南非科瑞尔煤矿救护队储存的钻孔压风机 四 煤与瓦斯突出事故的处理 1 瓦斯来源充足 并且瞬间涌出量很大 浓度很高 2 突出的瓦斯能形成冲击气浪破坏通风系统 突出的煤岩能堵塞巷道 3 突出的高浓度瓦斯 开始时不会立即发生爆炸 但在一定供氧条件下可能遇火源引起燃烧 4 在处理事故过程中 如果需在突出煤层中掘进巷道用于救人或恢复通风 仍必须采取防突措施 5 突出后 有可能在同一地点发生第二次 第三次突出 突出事故发生后 指挥人员应果断地做出的决策 1 切断灾区和受影响区的电源 但必须在远距离断电 防止产生电火花引起爆炸 2 撤出灾区和受威胁区的人员 3 派人到进 回风井口及其50m范围内检查瓦斯 设置警戒 熄灭警戒区内的一切火源 严禁一切机动车辆进入警戒区 4 派遣救护队佩戴呼吸器 携带灭火器等器材下井侦察情况 抢救遇险人员 恢复通风系统等 5 要求灾区内不准随意启闭电器开关 6 发生突出事故后不得停风和反风 防止风流紊乱扩大灾情 7 组织力量抢救遇险人员 8 制定并实施预防再次突出的措施 9 当突出后破坏范围很大 巷道恢复困难时 应在抢救遇险人员后 对灾区封闭 10 若突出后造成火灾或爆炸 则按处理火灾或爆炸事故进行救灾 第四节矿井瓦斯抽放主要内容 一 瓦斯抽放的条件二 矿井瓦斯抽放方法三 布孔及抽放参数的确定四 抽放瓦斯装备及抽放监控系统 矿井瓦斯抽放是指采用通过打钻 利用钻孔 或 巷道 管道和真空泵等设施 把煤层 岩层中和采空区内的瓦斯抽出送至地面综合利用 衡量一个瓦斯矿井是否有必要抽放 可以根据以下几点 1 对于生产矿井 由于矿井的通风能力已经确定 所以矿井瓦斯涌出量超过通风所能稀释瓦斯量时 即应考虑抽放瓦斯 2 对于新建矿井 当采煤工作面瓦斯涌出量 5m3 min 掘进工作面瓦斯涌出量 3m3 min 采用通风方法解决瓦斯问题不合理时 应该抽放瓦斯 3 对于全矿井 一般认为 绝对瓦斯涌出量 30m3 min 或相对瓦斯涌出量 15 25m3 t时应抽放瓦斯 4 开采保护层时可考虑抽放保护层瓦斯 对于突出煤层 可以考虑用预抽瓦斯的方法防止突出 一 瓦斯抽放的条件 二 矿井瓦斯抽放方法 表1 5 1瓦斯抽放方法分类 一 本煤层瓦斯抽放开采煤层的瓦斯抽放 是在煤层开采之前或采掘的同时 用钻孔或巷道进行该煤层的抽放工作 按照煤层的透气系数评价未卸压煤层预抽瓦斯的难易程度的指标如表1 5 2 表1 5 2煤层抽放瓦斯难易程度分级表 1 未卸压钻孔抽放本法适用于透气系数较大的开采煤层预抽瓦斯 1 穿层钻孔在开采煤层的顶板或底板岩巷或煤巷 每隔一段距离开一长约10m的钻场 从钻场向煤层打3 5个穿透煤层的钻孔 封孔或将整个钻场封闭起来 装上抽瓦斯管并与抽放系统联接 2 顺层钻孔顺层钻孔适用于赋存稳定的中厚或厚煤层 由运输平巷沿煤层倾斜打钻 或由上下山沿煤层走向打水平孔 水平长钻孔的打钻工艺参数钻孔方向 上向孔 孔间距 一般为30 50m 抽放负压 钻孔口负压不超过14kPa 钻孔直径 一般为70 100mm 2 卸压钻孔抽放 1 随掘随抽在掘进巷道的两帮 随掘进巷道的推进 每隔10 15m开一钻窝 在巷道周围卸压区内打钻孔1 2个 孔径45 60mm 封孔深1 5 2 0m 封孔后联接于抽放系统进行抽放 2 随采随抽随采随抽是在采面前方由机巷或风巷每隔一段距离 沿煤层倾斜方向 平行于工作面打钻 封孔 抽放瓦斯 3 人工增加煤层透气系数的措施 1 水力压裂水力压裂是将大量含砂的高压液体注入煤层 迫使煤层破裂 产生裂隙后砂子作为支撑剂停留在缝隙内 组织它们的重新闭合 从而提高煤层的透气系数 2 水力割缝用高压水射流切割孔两侧煤体 形成大致沿煤层扩张的空洞与裂缝 增加煤体的暴露面 造成割缝上下煤体的卸压 提高它们的透气系数 3 深孔预裂爆破在钻孔内利用炸药爆炸瞬间产生的爆轰压力和高温高压爆生气体 使爆破孔周围的煤体产生裂隙 松动 压出和膨胀变形 以提高煤层透气性 4 酸液处理酸液处理是向含有碳酸盐类或硅酸盐类的煤层中 注入可溶解这些矿物的酸性溶液 5 交叉钻孔交叉钻孔是除沿煤层打垂直于走向的平行钻孔外 还打与平行钻孔呈15 20 夹角的斜向钻孔 形成互相连通的钻孔网 二 邻近层的瓦斯抽放能向开采煤层采空区涌出瓦斯的煤层或夹层称为邻近层 位于开采层顶板内的邻近层叫上邻近层 底板内的叫下邻近层 从开采层或围岩大巷向邻近层打钻 将邻近层瓦斯汇集抽出的方法叫邻近层抽放 1 上邻近层瓦斯抽放2 下邻近层瓦斯抽放具体应考虑 1 钻孔的终孔点要在冒落带以上的裂隙带内 2 钻孔仰角和夹角要保证工作面推过后不断孔 并且要使钻孔处于卸压带以内 3 根据工作面上隅角或采空区瓦斯分布 钻孔伸入工作面水平投影距离应在10m以上 三 采空区抽放采空区瓦斯抽放可分为封闭式抽放和开放式抽放两类 1 封闭式采空区瓦斯抽放技术所谓封闭式采空区瓦斯抽放是煤层或采区 工作面 全部开采结束 为减少采空区瓦斯涌向采掘空间或涌向矿井而影响生产 或为了有效地利用瓦斯资源提高瓦斯抽放率 将采空区或旧巷予以封闭而进行的瓦斯抽放 2 开放式采空区瓦斯抽放技术所谓开放式采空区是指工作面回采尚未结束和封闭的采空区 它是随着工作面向前推进而不断变化扩大的 是动态的 有别于工作面回采结束的封闭的采空区 封闭式采空区不受采掘等因素的影响 只受抽放参数及封闭质量的影响 是静态的 开放式采空区瓦斯抽放方法主要有以下几种 1 引巷密闭插管抽放法 2 钻孔抽放法 3 埋管抽放法 4 顶板 煤 巷抽放法 抽放的瓦斯混合气体 应符合下述要求 一旦发现有关指标异常 应立即停止抽放 采取防止自燃的措施 氧气浓度不得大于7 最高不大于10 一氧化碳浓度不得大于临界值 临界值指标由开