瓦斯突出机理及防治

1、煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出机理及特征及特征中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）李成武李成武 教授教授 博士生导师博士生导师煤与瓦斯突出的定义煤与瓦斯突出特征煤与瓦斯突出的机理煤与瓦斯突出的规律煤与瓦斯突出的征兆煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，能在和短时间内，有煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及碎煤，再煤体中形成特殊的空洞，并形成一定的动力效应，如推到矿车，破坏支架等；喷出的煤粉可以充填数百米的巷道，喷出的瓦斯粉煤流具有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米的巷道。因此，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全的严重自然灾害之一。l突然性l强度高l波及范围广l容易引起其他灾害l183

2、4年3月22日，法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次有记载的突出。支架工在架棚子时，发现工作面煤壁外移，三个工人立即逃跑，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没死亡，一人被瓦斯窒息牺牲，一人逃跑得救。突出煤沿巷道堆积13m长，煤粉散落15m长，迎头支架倾倒。l18791879年年4月17日比利时阿拉波二号井比利时阿拉波二号井，向上掘进580-600m水平之间的上山眼时，发生了世界上第世界上第一次猛烈突出一次猛烈突出，突出强度420t煤，瓦斯59万m3以上。最初瓦斯喷出量瓦斯喷出量2000 m2000 m3 3/min/min以上，瓦斯逆风流从提升井冲至地面，距井口23m

3、处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，2小时候火焰将要熄灭时，又连续发生7次瓦斯爆炸（每隔7分钟左右一次），井下209人，死亡死亡121121人人，井上烧死3人，烧伤11人l1834年，法国鲁阿雷煤田依阿克矿井发生了第一次煤与瓦斯突出，至今发生突出的国家有中国，美国，前苏联，日本，印度，南非等22国家和地区。据不完全统计，发生突出的总次数在4万次左右。l中国至1988年为止，发生突出的矿井有250个，突出总次数14300次，占世界突出总次数的37%，强度在千吨以上的特大型突出100多次。我国最大的一次煤与瓦斯突出发生在天府矿务局三汇一矿+280m平硐。1975年8

4、月8日揭开K1煤层时，突出煤与岩石12780t，喷出瓦斯140万m3。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 m3（逆风流运行420m），发生煤与瓦斯突出的最浅深度为75m。l根据我国实际情况，把矿井瓦斯动力现象分为煤的突然倾出、煤的突然压出、煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、瓦斯喷出五类。前四类称为煤（岩石）与瓦斯突出，简称为突出。l动力现象造成的空洞位置及形状（包括空洞中心线和水平面所形成之倾角） 喷出煤（或岩石）的粒度及其分选情况 煤（或岩石）的抛出距离和堆积坡度 强度（喷出的煤量及岩石量） 喷出的瓦斯量及其流向动力效

5、应现象发生前的预兆l煤的突然倾出是矿中常见的瓦斯动力现象，在顿巴斯煤田的急倾斜煤层中，煤的突然倾出占突出总数的50%以上。l煤的突然倾出主要是重力引起的，而瓦斯在一定程度上也参与了倾出过程，这是由于瓦斯的存在进一步降低了煤的机械强度，瓦斯压力还促进了重力的显现，由于这种关系，煤的倾出能引起或转化为煤与瓦斯突出l1.倾出空洞具有较规则的几何形状（椭圆形、梨形、舌形等）。在上山，空洞常沿煤层倾斜延伸，多为梨形；在平巷，空洞多分布在工作面上方及上隅角，椭圆形较为常见，一般空洞呈自然拱的形状。在平巷，空洞中心线与水平面所成之夹角大于煤的自然安息角。l2.倾出的主要是碎煤，有时也能见到少量粉煤，无分选现

6、象。l3.煤的抛出距离及其堆积情况，取决于煤量的多少、空洞的大小及倾角。煤的抛出距离一般不超过50m;倾出的煤的坡面角，一般近于自然安息角，沿倾斜发生大强度倾出时，堆积坡面角可能小于自然安息角l 4.倾出的煤量大多数情况下不超过100吨。l 5.倾出时的瓦斯涌出量取决于煤层瓦斯含量、煤的破碎程度、倾出煤量等，每吨倾出煤的瓦斯涌出量少于或近于煤层瓦斯含量。瓦斯流一般不逆风流运行，在正常通风条件下，一般经0.51h便能将至正常浓度。l 6.倾出时动力现象可以推到矿车折断木支架等。l 7.在倾出前经常出现的预兆是：煤硬度降低，煤开裂，工作面掉渣，支架压力增加等，有时候煤体中也出现劈裂声、闷雷声等。l

7、南桐矿务局原东林井+220m水平南5石门，1958年10月21日在揭开4号煤层时发生了大倾出。l早班用风镐挖煤脚，1h后即发生倾出。l倾出前一天夜班即开始出现无声预兆，煤特别松软（用手抚摸感觉冰凉），工作面掉煤渣。倾出前1h，工作面瓦斯忽大忽小。倾出前半小时，支架压力增加，棚顶背板受压发响，而后压断，同时煤中有轰隆声，随即发生了倾出。l倾出过程发展速度不快，当工人发现从工作面倾出23t煤时，即迅速撤出，碎煤流也向外“流动”，当工人跑出石门口后，碎煤流才到达石门口。l煤倾出后瓦斯不大，清理过程中瓦斯浓度正常。倾出碎煤250t，分选现象不明显，只有几架棚子发生了位移及倒塌。l煤的突然压出是由构造应

8、力或开采集中应力引起的，瓦斯只起次要作用，伴随煤的突然压出回风流中瓦斯浓度增高。按表现形式不同，煤的突然压出又分为两类。第一类为突然移动，常见于准备巷道，表现为煤体的整体移动，煤体虽然表现某种程度的完整外形，而实际上已被压坏并布满裂缝，甚至还有部分煤体被压碎成块状。有时候也表现为巷道底板整体向上鼓起。不抛出煤和不形成空洞是其特点。l原因：构造应力的水平挤压作用造成的l1.工作面整体移动，或底板煤体向上鼓起0.20.4m（有时达1m)，不形成空洞；l2.煤不抛出，无分选现象；l3.强度一般在1020t以下，个别达50t以上；l4.瓦斯涌出量小与煤层瓦斯含量，通常不引起巷道瓦斯含量超限；l5.动力

9、效应较小，支柱一般不被破坏，只是嵌入压入的煤体中，底板鼓起时，可以把矿车、钻机抬起；l6.压出钱的预兆是：支柱压力增加，掉煤渣，媒体出现劈裂声、闷雷声。南桐矿务局原东林井8石门1960年8月8日向北掘进煤巷时，发生了突然压出。该处距地表垂深120m，煤层倾角82，正处于煤层厚度沿走向由厚变薄的地区。l由于煤层特别松软，所以当时用风镐落煤。l突然压出前在工作面用风煤钻打一个直径200mm的超前钻孔，当超前距还剩1.3m时，工作面听到煤体中由远而近的闷雷声，支架不断格格作响，并掉煤渣，随即发生了压出。l工作面煤体整体向外移动3.8m，该部分煤体已被压裂，有两支架被推斜，底部钢轨被抬高0.20.4m

10、。移动后瓦斯变化不明显，l第二类为突然挤出，多发生在倾斜和缓倾斜煤层的回采工作面。l它是在构造应力大，煤层中有软分层，有平行工作面的解理裂缝，在直接顶板上有弹性岩石（砂岩、石灰岩）和放顶不好、悬顶过大等条件下，煤层受到采动应力作用使工作面边缘煤体被压碎而发生的，瓦斯随着煤的突然挤出而加剧涌出。l 1.压出空洞沿弧形条带分布空洞沿弧形条带分布，中间最宽达13m，有时达6m;长度一般达730m,有时达60m。空洞分布在软分层中，空洞高度可达软分层全厚空洞高度可达软分层全厚，并向上下两个方向逐渐减小，其剖面是唇形。l 2.抛出的煤为小块及大块，煤粉很少，无分选现象煤粉很少，无分选现象。l 3.压出的

11、煤可抛出13m，个别情况下在4m以上，堆积坡度小于自然安堆积坡度小于自然安息角。息角。l 4.压出的煤一般数十吨数十吨，最大强度为375t。l 5.压出后短时间内瓦斯浓度可达瓦斯浓度可达10%10%以上，但在正常通风条件下以上，但在正常通风条件下 很快很快能恢复正常。能恢复正常。在大强度突然挤出时，大量瓦斯涌出可以持续较长时间，每吨挤出瓦斯量小于煤层瓦斯含量。l 6.动力效应抛出的煤一般可以将工作面支架打断、折断，在突然挤出和老顶冒落时，有时出现冲击气浪，有时还发生顶板裂开。l 7.压出前的预兆有：软煤分层厚度增加，工作面掉渣，煤体中出现劈裂声、闷雷声。 南桐煤矿一井4305上段回采工作面突然

12、压出。该处距地表垂深200m，4号层厚2.4m，倾角34。邻近煤层均未开采。采用走向长壁采煤法，风镐落煤，木支柱支护。采用全部垮落法管理顶板，用密集支柱和木垛切断顶板。l发生压出的前一班进行放顶，从一顺槽往上40m范围内的直接顶均未放下，所以工作面支架压力较大。挤出前工人正用风镐落煤，发现顶板来压，支架断裂，煤壁内出现劈裂声（由远而近），于是工人撤出工作面，然后发生压出。l该次压出共抛出煤140t，抛出2m远，打到了14根支柱。抛出煤多为块煤，无分选现象，堆积坡度比自然安息角小。挤出空洞分布在中间槽口炭分层，断面呈唇形，长30m，最大断面1.4m，最高1.5m。挤出后工作面浓度增至10%以上，

13、通风后逐渐下降至正常浓度。l 突出空洞的位置和形状突出空洞的位置和形状是各式各样的，大部分空洞位于巷道上方及上隅角，但也位于巷道下隅角的。突出空洞的形状为口小腹大的梨形或椭圆形，有时呈很复杂的奇异的外形。空洞中心线与水平面之夹角可以小于或大于自然安息角，但很少为水平方向的。l 喷出的煤具有分选现象，即在靠近突出空洞和巷道下部为 块煤，其次为碎煤，离突出空洞较远处和煤堆上部是粉煤，有时煤粉能被抛出很远。l 煤的抛出距离取决于突出强度 ，可以由数米到百米，突出的煤可以堆满全断面，造成巷道堵塞。煤的堆积坡度通常小于自然安息角。l 突出煤量，可以由数吨到上千吨l小型煤与瓦斯突出，强度小于10t；中型煤

14、与瓦斯突出，强度1099t；次大型煤与瓦斯突出，强度100499t；大型煤与瓦斯突出，强度500999t；特大型煤与瓦斯突出，强度等于或大于1000t。l 煤与瓦斯突出时喷出瓦斯量，取决于煤层瓦斯含量和突出的煤量等。特大型煤与瓦斯突出时，短时间能涌出数十万至数百万立方米的瓦斯，吨煤瓦斯涌出量高达100800m3，超过煤层瓦斯含量530倍。l 煤与瓦斯突出的动力效应常表现为推翻矿车，搬动居室，破坏木支架，造成冲击气浪以及声响等。l 突出的预兆分为有声预兆和无声预兆。白沙矿务局红卫煤矿里王庙井主斜井车场揭开6号煤层时发生了煤与瓦斯突出。突出前石门已掘进143m，揭煤点刚好在煤包最厚处，该处煤层水平

15、厚度30m（真厚19m），向两翼变薄至5.5m，煤层倾角约40l8月20日，工作面仍为全岩，放炮后6号煤层大部分揭开，仅左下角留有岩柱，此时瓦斯浓度超过10%，并出现像爆竹声似的单个煤炮，支架加压，掉渣，工作面发冷，随即停止作业。在工作面左下角打四个炮眼，右下角打一个炮眼，23日在地面放炮。放炮后即发生了煤与瓦斯突出，一股黑烟黑烟冲出井口，将地面安全牌吹出10m外，井口5m内瓦斯浓度超过10%，此次共突出煤1600t，喷出瓦斯52万m3，突出的煤堆满了全长143m的石门及斜井井底向上3m处，从工作面起80m巷道内的木棚全部冲垮，突出的煤具有分选现性，在石门堆积煤的上部留有高约0.5m瓦斯煤粉流

16、排出通道。l随着开采深度的增加，在我国一些矿井中相继发生了岩石与瓦斯突出，尽管目前岩石与瓦斯突出次数还不多，但已引起人们的高度重视。l在我国突出的岩石主要为砂岩，也含有砾砂岩和安山岩，参与瓦斯突出的主要是二氧化碳和甲烷。例如营城煤矿五井为砾岩和二氧化碳突出，营城煤矿九井为安山岩岩和二氧化碳突出，北票矿务局台吉竖井为砂岩与甲烷突出。l1.岩石与瓦斯突出大多发生在构造破坏带。如营城五井的突出地点发生在井田西北部的F1和F2断层之间，龙煤矿松下坪的23次突出大多发生在断层附近。一般当煤层有突出危险时，该煤层也有突出可能。l2.国外的岩石与瓦斯突出毫无例外发生在放炮时，我国岩石与瓦斯突出除一次有冒顶引

17、起外，其余均有放炮引起。l3.岩石与瓦斯突出后，在岩石中形成一定形状的空洞。根据前苏联502次突出空洞统计资料，绝大多数空洞（411次）接近于垂直（偏差在正负10范围内），213个空洞位于巷道顶板，169个位于巷道底板。l煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生发展的过程。关于突出机理，迄今还没没有得到根本的解决，大部分是根据现场统计资料和实验室研究提出的各种假说。这些假说只能对某些现象给予解释，还不能得出统一的完整的突出理论，突出假说归纳起来有以下几种。l引起突出并促使其发展的主要因素是煤中所含高压瓦斯。这类假说中，“瓦斯包”说占有重要地位。这类假说的拥护者认为，在原始煤体

18、中，存在着瓦斯压力比邻近区域高得多的“瓦斯包”，瓦斯包中的煤松软，裂隙发育，包周围煤体透气性极小，使包中高压瓦斯得以保存。当采掘工作面接近瓦斯“瓦斯包”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邻的围岩中，有孔隙、裂隙发育的地段。由于该地段煤层与围岩由裂隙网连通，使游离瓦斯量增大。l 突出发生的原因归结为局部地区地应力增大。在这类假说中，构造应力说占有重要地位，构造应力说又可分为残余构造应力和现代构造应力说两种。地层中产生地质构造需要有庞大的力量，即构造

19、应力。残余构造应力学说认为，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，仍残存有部分构造应力，即残存构造应力，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，后者会像弹簧一样弹开，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很大的争议，所以又有人提出了现代构造应力说，即认为现代构造应力大的区域即为突出危险区域。l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，因此，该假说得到了国内外突出研究

20、者的普遍承认。l突出的发生与否取决于上述三个因素的一定组合。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，煤层越松软，则区域的突出危险性就越大。l对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，取决于进工作面区各参数的变化，工作面前方压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。l煤与瓦斯突出并非瞬间完成的，他有一个发生发展过程。各类巷道发生的强度各异的突出，其发生发展过程可能不尽相同。地音观测和突出物的堆积情况表明，有些突出不是一次完成的，而是多个循环。根据当前对突出理论的认识和为说不多的现场和实验室对突出

21、过程的观测，可把典型突出过程归结为准备、激发、发展和终止4个阶段。l准备阶段指突出前工作面前方煤体及围岩中能量的局部积聚过程。在该阶段，工作面前方形成较大的应力集中，应力增大使煤体透气性降低，从而使瓦斯压力梯度提高，工作面前方煤体有三向受力状态转化为两向甚至单向受力状态，煤体中产生新的裂隙。当石门工作面逐渐靠近煤层在非均质煤层中工作面逐渐接近坚硬的包括体，坚硬顶板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增大。准备阶段的结果使工作面处于危险状态。这样的工作面能显示各种显示有声和无声的预兆，如停止工作面作业，那么突出将不会发生。l突出的激发

22、阶段即发动阶段，该阶段的特征是工作面附近煤岩体应力状态的突然变化，使煤体突然破坏、位移、形成贯通裂隙，发出巨响和冲击。这是由于顶板的震动，煤层所受应力呈波动变化，煤体中瓦斯压力忽高忽低也呈波动变化；由于煤体中贯通裂隙的形成，使瓦斯压力的作用面积增大几倍至几十倍；由于煤体孔隙率增大，部分解吸瓦斯转化为游离瓦斯。l开采突出煤层的实践证明，在下列情况下，易于引起应力状态的突然改变，诱发突出：l 1.石门揭开煤层；l 2.工作面迅速推进煤体，如放炮作业、快速打钻；l 3.工作面由硬煤区进入软煤区；l 4.工作面靠近和进入地质构造带，包括断层、褶曲、火成岩侵入和煤层厚度、倾角和走向变化带；l 5.采煤工

23、作面周期来压和悬臂梁突然断裂；l 6.急倾斜煤层煤突然冒落。l 当应力状态突然改变使瓦斯压力较大且解吸瓦斯初速度较快的煤体破碎，瓦斯涌出增大，形成了足以携带碎煤的瓦斯流，瓦斯-煤流由已破碎煤区段喷出，从而在煤层中形成最初的突出孔洞。l 煤抛出后，孔洞周围煤体的破碎继续向煤体深部发展，由于结构破坏的软煤分层容易破碎且在重力作用下，煤自上而下的垮落，故破碎多沿软煤分层向上发展。当煤层强度非均质时，孔洞沿软煤发展，突出孔洞形成带有分岔的奇异形状，这是瓦斯压力参与煤破碎的良好证明。l 随着煤体破碎范围的增大和瓦斯涌出加剧，已形成孔洞内再次聚积大量瓦斯，再次形成瓦斯煤流向巷道喷出，这种煤破碎和喷出可能循环多次。l通常认为突出的停止有以下两个原因：l 破碎发展遇到硬煤段，地应力和瓦斯压力不足以继续破坏煤体l 突出的煤将孔洞堵塞，在充满煤的孔洞中形成了较高的瓦斯压力，降低了煤体破碎前沿的瓦斯压力梯度，使煤不能继续破碎和抛出。l（1）诱发因素（放炮落煤、石门突然揭开煤、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，并导致煤体局部的突然破坏，这是突出的激发条件。l（2）突出激发后，煤的暴露面处于高地应力和高瓦斯压力区，使煤体能产生自发连续破碎，这是突出的发展条件。l（3）煤体和已破碎的煤能快速涌出瓦斯（包括游离瓦斯和吸附瓦斯），足以形成能抛出已破碎煤