煤与瓦斯突出概述（第五次课）

煤与瓦斯突出概述,韦善阳(博士)手机-mail：weishanyang,主要内容及要求,一、煤与瓦斯突出概况(熟悉)二、煤与瓦斯突出的分类(掌握)三、突出强度划分(掌握)四、煤与瓦斯突出的一般规律(掌握)五、我国煤与瓦斯突出特点(了解)六、突出危险程度划分(掌握),一、煤与瓦斯突出概况,1、定义是煤层开采过程中一种严重的自然灾害，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，能在极短的时间内（几秒几十秒）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，并伴有声响和猛烈的力能效应。,一、煤与瓦斯突出概况,2、危害摧毁井巷设施（支架、矿车）煤流埋人破坏通风系统（破坏通风设施、风流紊乱）瓦斯逆流人员窒息（整个巷道充满瓦斯和煤岩）火灾及爆炸整个矿井正常生产系统瘫痪,一、煤与瓦斯突出概况,3、国外情况1834年3月22日，法国鲁阿雷煤田伊萨克矿在急倾斜厚煤层平巷掘进时工作面发生世界上第一次有记载煤与瓦斯突出。三名在工作面工作的支架工一人被煤流埋没死亡，一人瓦斯窒息死亡，一人逃跑得救。突出的煤沿着巷道堆积13m，迎头支架倾倒。世界第一大突出1969年7月13日前苏联顿巴斯加加林矿主石门揭煤(煤厚仅1.03m)突出煤(岩)14000t，瓦斯25万m3。,一、煤与瓦斯突出概况,1879年4月17日，比利时阿拉波二号井发生一次强度420t、瓦斯50万m3的猛烈突出：瓦斯初始喷出量达2000m3/min,瓦斯逆流从提升井冲至地面，距井口23m的绞车房附近的火炉引燃了瓦斯，火焰高达50m，井口建筑烧成一片废墟；2h后，火焰快要熄灭时，井下又连续发生7次瓦斯爆炸；井下209人，死亡121人，地面3人烧死，11人烧伤。,一、煤与瓦斯突出概况,60年代末70年代初，法国、比利时已停止开采突出煤层。日本、美国、英国等，也先后停止或关闭了突出矿井。到目前为止，世界20多个主要产煤国家发生突出次数在4万余次。,一、煤与瓦斯突出概况,4、国内情况第一次煤与瓦斯突出1950年11月20日，辽源矿务局富国西二矿，在垂深280米煤巷掘进时发生的。建国至1995年，先后在45个矿务局、138个国有重点煤矿178个井口，共发生突出10815次(加上地方煤矿共约14300多次)，死亡1266人，共突出煤量81.58万t。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。,一、煤与瓦斯突出概况,我国最大的一次突出(世界第二)1975年8月8日，天府矿务局三汇坝一矿+280m水平，主平峒放炮揭开6号煤层时，突出煤岩12780t，瓦斯140万m3。炮响34s后发生突出，峒口一阵狂风，将小碎石卷起，吹到50m以外。大量瓦斯携带煤粉涌出，呈黑浓烟状，持续40min才逐渐下降。距突出点700多m远的三道风门被毁。风门外装有钎子和矸石的矿车冲出30多m远。1t多重的一块巨石被冲走120多m。另一块重达3t的巨石冲出60余m，拐两个90的急弯进入变电所。,一、煤与瓦斯突出概况,突出煤矸堆积情况距突出点110m，煤矸基本封顶。堆积高度缓慢下降，整个堆积长度1170m，直到峒口。南茅口大巷，堆积60m(20m封顶)；北茅口大巷，堆积250m(约100m封顶)。,一、煤与瓦斯突出概况,突出孔洞情况下部如图，上部高度不详。,一、煤与瓦斯突出概况,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。1975年6月13日，在吉林营城矿五井发生我国第一次岩石与二氧化碳突出，突出砂岩1005t，喷出二氧化碳11000立方米。,二、煤与瓦斯突出的分类,按成因和力学特征，将煤与瓦斯突出分为三类：煤（岩）与瓦斯突出（简称为突出）煤（岩）与瓦斯压出（简称为压出）煤（岩）与瓦斯倾出（简称为倾出）,二、煤与瓦斯突出的分类,1、突出的基本特征突出的煤抛出距离较远，具有明显的分选现象；靠近突出孔洞和巷道下部为块煤，离孔洞较远处和煤堆上部为粉煤，中间为碎煤。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；煤被高压气体在突出过程中粉碎成煤粉,二、煤与瓦斯突出的分类,1、突出的基本特征有明显的动力效应，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；特大型突出的吨煤瓦斯涌出量高达100800m3/min,超过煤层瓦斯含量的530倍。瓦斯能逆风流运行并充满数千米的巷道。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。大部分孔洞位于巷道上方或上隅角。,二、煤与瓦斯突出的分类,2、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；,2、压出的基本特征压出的煤呈块状，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。,二、煤与瓦斯突出的分类,3、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。,三、突出强度划分,突出强度每次突出中抛出的煤（岩）量和涌出的瓦斯量。由于瓦斯量计量困难，所以通常以煤（岩）量作为划分依据。,三、突出强度划分,小型突出：50t（突出后，几十min，瓦斯浓度恢复正常）中型突出：5099t（突出后，几小时，瓦斯浓度恢复正常）次大型突出：100499t（突出后，一天，瓦斯浓度恢复正常）大型突出：500999t（突出后，几天，瓦斯浓度恢复正常）特大型突出：1000t（突出后，很长时间，瓦斯浓度恢复正常）,四、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(开始发生突出的最浅深度，一般都大于瓦斯风化带深度一倍以上)，当大于该深度时，就有发生突出的危险。随着深度的增加，突出矿井的突出次数增多、突出强度增大、突出煤层数增加、突出危险区域扩大。,四、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%。,四、煤与瓦斯突出的一般规律,3、突出危险性随煤厚（软分层厚度）增加而加大以南桐矿务局三号井为例：5号煤厚0.70.8m，平均突出强度38t/次，最大突出强度138t/次；6号煤厚11.5m，平均突出强度43t/次，最大突出强度450t/次；4号层，煤厚2.53.2m，平均突出强度88t/次，最大突出强度5000t/次，该局所有特大型突出都发生在该煤层。,统计资料表明：突出最严重的煤层一般都是矿井最厚的主采煤层，因此突出对矿井的安全生产和经济效益有重大影响。,四、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%。,1）封闭向斜轴附近轴部地带上部压应力下部张应力，受深部地层的阻力，岩层进一步挤压小型层面滑动并出现压性逆断层南桐矿区80%的突出发生在八面山向斜、王家坝向斜、鸦雀岩向斜、甘家坪向斜,2）帚状构造收敛端收敛端常常是地应力集中的地点天府三汇一矿处在华莹山帚状构造的收敛端，突出频繁发生,3）煤层扭转区南桐矿务局原东林矿的79次突出中，有93%集中在南翼黑漆岩扭转带，在突出事例中可清楚看到构造应力的水平挤压作用鱼田堡煤矿东翼的9次突出均分布在压扭性的扭转轴轴部附近,4）煤层产状变化区煤层走向，倾斜发生变化南桐一井5号煤层80%的突出(73次)发生在该区域洪山殿蛇形山井4采区，煤层走向倾角变化，是严重突出区，该区突出70次(占总数44%)，该区1442机巷平均1次/11米,5）煤包及煤厚变化带煤层厚度急剧变化带是构造应力集中的地带红卫煤矿的190次突出(占总数85%)发生在煤包（鸡窝煤）地带，全部特大型突出集中在煤包最厚区段,红卫煤矿的126采区在走向不到70m的薄煤带掘进时，发生7次突出,6）分岔煤处红卫煤矿揭开分岔煤时经常发生突出(最大2000t),7）压性、压扭性小断层带受水平方向强烈挤压而形成，保持了高的应力集中，同时对瓦斯存储也有利六枝煤矿东二采区，14次突出(占7号层总数的61%)均与压性压扭性小断层有关,南桐一井5号层一个回采面，沿走向32m，连续突出7次，与压扭性小断层有关,8）岩浆岩浸入带岩浆岩浸入引起煤层局部变质力学性质变化应力分布不均白票矿区，25%以上的突出(265次)发生在岩浆岩浸入带,四、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次突出事故统计表明，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%。瓦斯突出具有延时性，对安全威胁严重。需特别注意,四、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故中，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%。,预兆,有声预兆煤炮声、闷雷声、劈裂声、支柱折断声及喷孔等无声预兆煤层结构变化，层理紊乱，煤变软、光泽变暗，煤层由薄变厚，倾角由小变大工作面煤体和支架压力增大，煤壁顶底板外鼓、掉渣等夹钻、顶钻，打钻喷瓦斯、喷煤瓦斯增大或忽大忽小，有异常气味煤壁温度降低,四、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。,四、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316.5t/次，是平巷平均突出强度（50t/次）的6倍以上。,四、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1015%。地质构造呈带状采动形成集中应力带,五、我国煤与瓦斯突出特点,1、突出矿井分布广，部分地区较严重20多个省(区)的一些矿井南方多、北方少，东部多、西部少重庆、四川、贵州、湖南、江西、辽宁、河南等省较严重湖南的突出矿井数和突出总次数，均占全国总数的1/3以上，特大型突出次数占一半以上,五、我国煤与瓦斯突出特点,2、突出分布在不同类型的煤层单一突出煤层的矿井占突出矿井总数的1/3相当一部分矿井的所有可采煤层均属突出煤层，无保护煤层可采全国有近一半的突出矿井，需采用本煤层防突措施,五、我国煤与瓦斯突出特点,3、始突深度不一5060m500600多m最小，50m，（郴州罗卜安矿）最大，640m，（抚顺老虎台矿）始突深度浅，特大型突出的深度浅，在南方煤田中是一明显特点,五、我国煤与瓦斯突出特点,4、中小型突出占绝大多数，大强度突出次数也不少50t以下的小型突出占73.77%50100t的中型突出占13.45%100500t的次大型突出占11.15%5001000t的大型突出占0.91%1000t的特大型突出占0.7%大型和特大型突出比例虽小，但次数仍有100多次，多数发生在石门揭煤时,五、我国煤与瓦斯突出特点,5、有少数矿井发生过岩石与二氧化碳突出及岩石与甲烷突出,前苏联、波兰、捷克、原民主德国和日本等国都曾发生过岩石与CO2突出。如波兰从1974年起发生砂岩与CO2突出，最大强度突出砂岩4300t，CO230.25万m3。1975年5月13日，在吉林省营城煤矿五井发生了我国第一次砂岩与CO2突出，距地表垂深430m，突出砂岩1005t，涌出CO211000m3。此后，甘肃窑街三矿发生了煤（岩）与CO2突出，延边和龙煤矿松下坪井发生了砂岩与CO2突出。我国共发生岩石与CO2突出30余次。,我国岩石与CO2突出的规律性,1）突出CO2的来源都是无机源特性：有机源CO2中富集C12而贫C13，无机源CO2中富集C13贫C12；井下混合气体中二氧化碳与烷烃的比值（酸烷比）明显增大。鉴别方法有两种：（1）采用专用仪器检测同位素C13偏差值；（2）检测二氧化碳和烷烃的体积比。,2）突出危险区呈带状分布营城煤田CO2突出区沿F3和F2断层延展呈条带形；窑街三矿的突出区也是沿F19和F605展布的。这些断层既是无机源CO2的侵入通道，也是形成高应力区与岩体破坏的构造，从而具备了突出发生的必要条件。,3）突出危险岩石具有较大的贮存瓦斯能力与较小的力学强度营城煤田突出危险砂岩的孔隙率达15.123.2%，坚固性系数小于1（正常条件下为34），岩石的强度非常低，有时手可握碎。4）突出砂岩内的气体压力较高营城煤矿砂岩中CO2压力为1.452.15Mpa，CO2含量为57m3/t；窑街三矿在突出地点测得CO2压力为0.73Mpa。,我国岩石与CO2突出的规律性,5）突出前有多种预兆（1）CO2浓度增加（突出一周前即开始）。放炮前CO2浓度在1%以下时，炮后可增至58.5%，同时可见底板上有雾状物随风流往外涌。（2）积水处有气泡上升。（3）突出前数天可听到岩炮声响（距突出点10m以内）。,我国岩石与CO2突出的规律性,（4）岩石变软，炮眼数与装药量减少1/22/3时，爆破后的出矸量比平常多而且块度比平常小。（5）可能出现底鼓、片帮、冒顶。（6）可能会出现“饼干”片状脱落现象，每片厚度约510mm，甚至会出现松散的砂子。但如果在透气性差的火成岩中掘进，很难发现预兆，这种情况下的突出强度一般都很大，因此必须先探后掘，确切掌握前方岩石特性。,6）有突出危险砂岩的岩芯呈圆片状（一面为凹形另一面为凸形）或有环形裂缝，每米长岩芯凹凸圆饼数越多，表明地应力越高，突出危险性越大。营城煤田突出危险砂岩岩芯凹凸岩饼数高达138片/m。7）我国砂岩与CO2突出几乎都是由放炮引起的，还没发生过延期突出现象。,我国岩石与CO2突出的规律性,六、突出危险程度划分,1、突出矿井和突出煤层突出煤层，是指在矿井井田范围内发生过突出的煤层或者经鉴定有突出危险的煤层突出矿井，是指在矿井的开拓、生产范围内有突出煤层的矿井。2、突出危险区和突出威胁区突出矿井应当对突出煤层进行区域突出危险性预测（简称区域预测）。经区域预测后，突出煤层划分为突出危险区和无突出危险区。未进行区域预测的区域视为突出危险区。3、突出危险工作面和无突出危险工作面采掘工作面经工作面预测后划分为突出危险工作面和无突出危险工作面。未进行工作面预测的采掘工作面，应当视为突出危险工作面。,突出危险煤层,矿井有下列情况之一的，应当立即进行突出