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煤与瓦斯突出防治技术 河南理工大学2006年7月 煤与瓦斯突出防治技术 王兆丰博导 研究员河南省特聘教授河南理工大学瓦斯地质研究所所长国家煤矿安全监察局安全生产专家 中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会副主任委员 河南省煤炭学会防突专业委员会主任委员 Tel汇报内容 汇报内容 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第三部分我国瓦斯突出现状 第二部分瓦斯性质 危害与用途 第四部分瓦斯突出防治技术 第五部分防突技术存在的问题 第六部分解决防突技术问题的对策 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 第一部分煤炭工业不是夕阳工业 化学式 CH4分子量 16 042kg kmol密度 0 7168kg m3沸点 161 7 0 1MPa下 液态密度 415kg m3水中的溶解度 55 6l m3发热量 8568大卡 m3 分子直径 0 41 10 9m分子体积 22 36m3 kmol对空气的比重 0 5545溶点 182 5 扩散系数 0 196cm2 s空气中的爆炸下限 5 空气中的爆炸上限 15 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 1 污染环境 加剧大气 温室效应 2 可造成瓦斯窒息事故 瓦斯浓度 43 时 呼吸短促 瓦斯浓度达 57 时 即刻昏迷 3 可酿成瓦斯燃烧事故 瓦斯浓度低于 5 或 15 4 引起瓦斯爆炸事故 瓦斯浓度在5 15 5 产生煤与瓦斯突出事故 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 作城镇煤气作锅炉和窑炉的燃料瓦斯发电作机动车的燃料作化工原料生产化工产品 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第二部分瓦斯的性质 危害与用途 第三部分我国瓦斯突出现状 我国是世界上瓦斯突出灾害最严重的国家 截至2004年底 累计发生突出15600多次 占世界总突出次数的40 以上 我国有600多个突出矿井 国有重点煤矿154个 地方煤矿200多个 乡镇煤矿300多个 几乎所有采煤省份都有突出矿井 第三部分我国瓦斯突出现状 严重突出矿区北票 六枝 南桐 天府 芙蓉 松藻 英岗岭 涟邵 白沙 焦作 鸡西 阜新 沈阳 国有重点煤矿矿井类型构成 低瓦斯矿 瓦斯突出矿 高瓦斯矿 第三部分我国瓦斯突出现状 第三部分我国瓦斯突出现状 2001年 2004年 我国发生有人员死亡的瓦斯突出事故185起 死亡746人 其中 一次死亡10人以上的突出事故12起 死亡334人 第三部分我国瓦斯突出现状 第三部分我国瓦斯突出现状 什么是煤与瓦斯突出 煤与瓦斯突出是煤层开采过程中严重的自然灾害之一 是煤矿井下发生的一种复杂的有煤 岩和瓦斯参与的动力现象 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 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 突出事例一 1975年8月8日天府矿务局三汇坝井 280米水平 垂深500米 主平硐揭K1煤层时 突出煤 岩 量12700吨 喷出瓦斯量140万立方米 这是我国所发生的最大的一次煤与瓦斯突出事例 也是世界上第二大突出事例 突出事例二 1999年12月26日沈阳矿务局红菱矿石门揭煤时发生特大型煤与瓦斯突出 突出煤量2000吨 瓦斯逆流2000多米 死亡28人 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的危害 危及井下作业人员的安全破坏矿井正常的生产秩序破坏井下设备和建筑物 如摧毁支架 推倒矿车 破坏通风设施诱发其它灾害事故 如瓦斯煤尘爆炸 瓦斯燃烧严重影响矿井经济效益 第四部分瓦斯突出防治技术 我国是什么时候开始突出的 到现在共发生多少次突出了 我国最早有记载的煤与瓦斯突出突出事例是1950年5月1日辽源矿务局富国二井在垂深280米煤巷掘进时发生的 截止到2000年底 我国已累计发生突出18000余次 占世界各国总突出次数的40 以上 已成为世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家 第四部分瓦斯突出防治技术 我国有800多个突出矿井 其中国有重点煤矿130个 地方煤矿300多个 乡镇煤矿400多个 各个采煤省份几乎都有突出矿井 严重突出矿区有北票 六枝 南桐 天府 芙蓉 松藻 英岗岭 涟邵 白沙 焦作 鸡西 阜新 沈阳等 一般突出矿区有平顶山 淮南 淮北 丰城 萍乡 阳泉 鹤壁等 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出分类按成因和特征 将煤与瓦斯突出分为三类 1 煤与瓦斯突出 简称为突出 2 煤与瓦斯压出 简称为压出 3 煤与瓦斯倾出 简称为倾出 第四部分瓦斯突出防治技术 突出的基本特征 突出的煤抛出距离较远 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 第四部分瓦斯突出防治技术 倾出的基本特征 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 孔洞轴线压风自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 巷道瓦斯涌出量明显增大 第四部分瓦斯突出防治技术 压出的基本特征 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小腔小的楔形孔洞 压出时常伴随巷道底鼓 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯机理 综合假说突出是地应力 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 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 1 煤层突出危险性随采深增加而增大在浅部开采为高瓦斯甚至为低瓦斯的矿井 开采到深部后 由于煤层赋存条件的变化 煤层瓦斯压力增大 可能转变为突出矿井 一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井 开采到深部后 可能转变为严重突出矿井 矿井或煤层一般有一个始突深度 当大于该深度时 就有发生突出的危险 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 2 绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面在统计的9845次突出中 煤巷掘进工作面突出7482次 占76 石门揭煤工作面突出567次 占5 76 回采工作面突出1556次 占15 8 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 3 煤层突出危险性随煤厚增加而加大以南桐矿务局三号井为例 5号煤厚0 7 0 8m 平均突出强度38吨 次 最大突出强度138吨 次 6号煤厚1 1 5m 平均突出强度43吨 次 最大突出强度450吨 次 4号层 煤厚2 5 3 2m 平均突出强度88吨 次 最大突出强度5000吨 次 该局所有特大型突出都发生在该煤层 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 4 突出大多数发生在地质构造带在3082次有地质构造情况详细记录的突出中 2525次突出地点有断层 褶曲 火成岩侵入 煤层厚度变化等地质构造 占81 9 557次突出无地质构造 仅占18 1 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 5 大多数突出前有作业方式诱导8480次突出事例统计表明 有8253次有放炮 支护 落煤 带钻等作业方式诱导了突出 占97 3 其中放炮作业突出5481次 占64 6 风镐落煤突出676次 占8 手镐落煤突出1102次 占13 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 6 突出前大多有预兆在我国统计的5029次有明确突出预兆记载的突出事例中 有4493次突出发生前有突出预兆 占89 3 无突出预兆仅有536次 占10 7 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 7 煤体破坏程度越高 突出危险性越大突出煤层多发生在为 类煤中 此类煤的共同特点是坚固性系数f值小 煤层瓦斯放散初速度 P大 煤层透气性系数小 层理紊乱 多为遭受到地质构造揉皱的构造煤 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 8 石门突出危险性最大在统计的9845次突出中 尽管石门突出次数少 但突出强度大 平均突出强度为316 5吨 次 是平巷平均突出强度 50吨 次 的6倍以上 第四部分瓦斯突出防治技术 煤与瓦斯突出的一般规律 9 煤层突出危险区常呈条带状分布前苏联统计资料表明 在突出煤层中 突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10 我国统计资料表明 突出煤层中 突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10 15 第四部分瓦斯突出防治技术 瓦斯突出的常见预兆声响预兆 响煤炮瓦斯预兆 瓦斯异常 喷孔煤结构预兆 煤结构紊乱 煤体发暗 煤厚急剧变化矿压显现预兆 片帮 煤墙外臌 底臌 顶 夹 钻温度预兆 温度降低 煤墙发凉 第四部分瓦斯突出防治技术 综合防突措施流程图 第四部分瓦斯突出防治技术 瓦斯突出危险性预测 区域预测 工作面预测 第四部分瓦斯突出防治技术 区域预测煤层突出危险性的单项指标包括 1 煤的破坏类型2 瓦斯放散初速度指标3 煤的坚固性系数4 煤层瓦斯压力 区域预测方法 单项指标法 第四部分瓦斯突出防治技术 D 0 0075H f 3 P 0 74 K P fD 煤层突出危险性综合指标 K 煤的突出危险性综合指标 H 开采深度 m P 煤层瓦斯压力 取两个测压孔实测瓦斯压力最大值 MPa P 软分层煤的瓦斯放散初速度指标 f 软分层煤的平均坚固性系数 区域预测方法 综合指标法 第四部分瓦斯突出防治技术 瓦斯突出区域预测工作程序 确定目标 资料收集 参数测试 瓦斯压力 瓦斯含量 坚固性系数 瓦斯放散初速度 吸附常数 灰分 水分 孔隙率 预测结论 第四部分瓦斯突出防治技术 需要收集的资料 矿井设计说明书 采掘工程平面图 井上下对照图 瓦斯含量 压力 历史测定资料 矿井地质报告 瓦斯动力现象历史资料 近三年来的矿井瓦斯等级鉴定资料 首分层回采工作面瓦斯涌出资料 第四部分瓦斯突出防治技术 某矿煤与瓦斯突出区域预测结果 第四部分瓦斯突出防治技术 工作面预测的常用仪表MD 2型钻屑瓦斯解吸仪 ZLD 1型多级流量计 JN 1型胶囊封孔器 WTC TWY是工作面突出危险性预测最常见的仪表 第四部分瓦斯突出防治技术 MD 2型钻屑瓦斯解吸仪 ZLD 1型多级流量计 第四部分瓦斯突出防治技术 JN 1型胶囊封孔器 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 煤巷掘进工作面预测 钻孔瓦斯涌出初速度法 1 工作面的软分层中 靠近巷道两帮 各打一个平行于巷道掘进方向 直径42mm 深3 5m的预测钻 2 用专用封孔器封孔 留0 5m长测量室 3 在成孔2min内测定完钻孔瓦斯涌出初速度 第四部分瓦斯突出防治技术 煤巷掘进工作面预测 钻孔瓦斯涌出初速度法 第四部分瓦斯突出防治技术 煤巷掘进工作面预测 钻屑解吸指标法 1 在煤巷掘进工作面软分层中打2个直径42mm 深8 10m的预测钻孔 如右图示 2 钻孔每打1m 测定一次钻屑量 每隔2m测定一次钻屑解吸指标 根据每个钻孔的最大钻屑量Smax和最大钻屑解吸指标 h2或K1预测工作面的突出危险性 第四部分瓦斯突出防治技术 煤巷掘进工作面预测 钻屑解吸指标法 第四部分瓦斯突出防治技术 采煤工作面预测方法原则上可采用所有应用于煤巷掘进工作面突出预测方法 由于采煤工作面长 预测工作量大 一般采用钻孔瓦斯涌出初速度法预测突出危险性 第四部分瓦斯突出防治技术 防突措施的类型 1 区域防突措施使煤层一定区域 如一个采区 消除突出危险性 2 局部防突措施使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性 第四部分瓦斯突出防治技术 区域性防突措施 保护层开采 第四部分瓦斯突出防治技术 厚煤层分层开采也相当于保护层开采 解放层 被解放层 第四部分瓦斯突出防治技术 区域性防突措施 预抽煤层瓦斯 预抽煤层瓦斯措施的沿层布孔方式示意图 第四部分瓦斯突出防治技术 区域性防突措施 预抽煤层瓦斯 预抽煤层瓦斯措施的穿层布孔方式示意图 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 石门防突措施 1 扩孔卸煤钻 2 金属骨架 3 高压注水 4 水力冲孔 5 超前钻孔 煤巷防突措施 1 水力冲孔 2 超前钻孔 3 松动爆破 4 超前支护 5 高压注水 6 卸压槽 7 掩护挡板 采面防突措施 1 超前支护 2 卸压槽 3 高压注水 4 浅孔松动爆破 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 水力冲孔 水力冲孔工艺系统示意图1 钻杆2 套管3 三通管4 钻机5 阀门6 高压水管7 压力表8 射流泵9 排煤水管 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 水力冲刷 水力冲刷施工工艺示意图1 冲刷钻孔2 冲刷水枪3 支撑柱4 高压胶管5 高压水泵6 水管7 水车 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 超前钻孔 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 深孔松动爆破 深孔松动爆破钻孔布置 如右图示 直径为125mm的控制孔 直径为50mm的爆破孔 水力挤出钻孔布置 第四部分瓦斯突出防治技术 局部防突措施 水力挤出 水力挤出设备 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 防突措施效果检验目的在于保证防突措施的有效性和措施执行的效果 措施执行后如效果检验有效 可在采取安全防护措施的情况下 进行采掘作业 如效果检验无效 则必须采取补充措施 再进行措施效果检验 直到效果检验有效为止 第四部分瓦斯突出防治技术 防突措施效果检验方法措施效果检验方法在原则上与突出预测方法相同 不同之处在于措施效果检验用检验钻孔应打在措施孔之间 防突措施效果检验钻孔布置 1 措施孔2 措施效果检验孔 第四部分瓦斯突出防治技术 第四部分瓦斯突出防治技术 安全防护措施井下作业人员必须配带隔离式自救器 掘进工作面应实施远距离放炮 放 躲 炮距离不得小于300m 条件许可时 放炮地点应尽量设在进风侧反向风门之外或避难峒室内 炮后30分钟以后才能进入工作面 矿井应装备压风自救系统 并按 煤矿安全规程 和 防突细则 有关规定在采掘巷道内设立避难所和压风自救峒室 掘进工作面巷道的进风侧应设立两道坚固的反向风门 第五部分防突技术存在的问题 突出机理不甚清楚 区域防突意识薄弱 不能有效控制突出死亡事故时有发生 瓦斯预抽效果差 区域预测亟待加强 技术队伍青黄不接 预测指标不敏感 抽放时间短 钻孔数量少 松软煤层打钻困难 高指标不突 低指标突出 不探构造 瓦斯地质不详 重局部 轻区域 消突措施效率低 第六部分解决防突技术问题的对策 对策之一 瓦斯突出机理的研究 综合作用假说 中心扩张假说 固流耦合失稳假说 流变假说 球壳失稳假说 为什么突出多发生构造区 为什么突出会延时发生 突出时超量瓦斯何处来的 对