瓦斯防治第讲

1、第7讲 瓦斯(w s)喷出与突出Department of Safety Engineering & TechnologyHeilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin, China王亚军(yjn)共一百零六页回顾(hug) 本课程内容结构研究(ynji)对象煤矿瓦斯瓦斯特性赋存介质一般涌出特殊涌出灾害能源喷出突出防治不防治瓦斯灾害防治技术措施瓦斯爆炸瓦斯抽采瓦斯利用煤：吸附、孔隙瓦斯：压力、含量瓦斯流动：两种方式瓦斯涌出：采掘扰动共一百零六页31.1 矿井瓦斯(w s)喷出及其危害矿井(kungjng)瓦斯喷出及其危害定义 特征危

2、害大量的承压状态的瓦斯从可见的煤、岩裂缝中快速喷出到采掘工作面和巷道的现象 矿井瓦斯喷出在时间上的突然性和空间上的集中性 可以造成局部地区瓦斯积聚；高浓度瓦斯，可致使人员窒息；也能引起瓦斯爆炸或火灾等事故，给矿井造成严重的破坏。 模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题一：矿井瓦斯喷出防治共一百零六页41.2 瓦斯(w s)喷出分类与特点 瓦斯(w s)喷出分类与特点特点：往往流量大，持续时间长，无明显的地压显现现象，喷瓦斯裂缝多属于开放性裂缝（张性或张扭性断裂），它们与储气层（煤层、砂岩层等）、溶洞或断层带相通。 瓦斯沿原始地质构造洞缝喷出 瓦斯沿采掘地压形成的裂缝喷出 特点：喷出频临发生

3、时伴随着地压显现效应，出现多种显现预兆，喷出持续的时间较短，其流量与卸压区面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。 模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题一：矿井瓦斯喷出防治共一百零六页51.3 瓦斯(w s)喷出的原因和规律 瓦斯喷出的原因(yunyn)和规律瓦斯喷出的原因 瓦斯喷出的规律 煤层或岩层的构造裂缝中贮存有大量高压瓦斯是引起矿井瓦斯喷出的内在因素；在采掘过程中，由于爆破穿透、机械震动或地压活动，使煤岩造成卸压缝隙，构成瓦斯喷出的通道是其外在因素 发生在地质变化带，瓦斯喷出前往往出现预兆 煤层顶、底板岩层中有溶洞、裂隙发育的石灰岩 具有明显的喷出口或裂隙 瓦斯喷出量有大有小，喷

4、出的持续时间从几分钟到几年，甚至十几年模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题一：矿井瓦斯喷出防治共一百零六页瓦斯喷出案例1 例如 中梁山煤矿南井390m水平北茅口灰岩大巷握进放炮时。与石灰岩溶洞裂缝(两条各宽10mm100mm）相遇。如图4-1所示，随炮响起一轰鸣声，立即出现像压气管路破裂似的大量喷出瓦斯。“雾”气弥漫漫，充满整个回风巷。两小时后测得流量486m3/min，瓦斯喷出持续两周，经测试共喷出瓦斯3.6105；此处位于背斜构造轴部，距断层破坏(phui)带约40m，茅口灰岩则位于煤层群的底板。共一百零六页图4-1 中梁山(lin shn)南井390m水平北茅口大巷瓦斯喷出地点地质

5、构照示意图共一百零六页 2、 采掘卸压如南桐煤矿三号层（层厚0.4m，倾角27，距地表310m）0307工作面回采了346m2时出现瓦斯涌出的“嘶嘶”声，随后出现底板破裂，裂缝宽达100mm，底板上鼓最高达0.6m，支柱折断，瓦斯突然大量(dling)喷出。喷出的瓦斯使供风量为200m3min的风流逆转距离达180 m，瓦斯浓度在50以上，估计初期的瓦斯喷出量为500 m3min，4小时后为26m3min，喷出持续109小时，总喷出量为75100m3。这是典型的由卸压产生裂隙及原有构造裂隙张开，形成卸压瓦斯喷出的通道而引发的瓦斯喷出。 共一百零六页喷出的瓦斯量和持续时间，决定于积存的瓦斯量和瓦

6、斯压力，从几m3到几十万m3，几分钟到几年，甚至几十年。 瓦斯喷出的预兆，如风流中的瓦斯浓度(nngd)增加，或忽大忽小，嘶嘶的喷出声，顶底板来压的轰鸣声，煤层变湿、变软等。共一百零六页 目前看来，掘进(jujn)巷道发生的这类喷出，一般都在距掘进(jujn)工作面一定距离 (如20m30m）的巷道内，表明这类喷出是发生在一定卸压面积的条件下。 采煤工作面发生的这类喷出，则一般均在工作面推进距开切眼约13倍层间距，即卸压瓦斯源所在邻近层与开采层的层间距13倍处。其原因则在于这类瓦斯喷出要具有一定的采掘面积时才能显现卸压，故而一般要在老顶来压后一段距离才能实现。因此，层间距、喷出原的瓦斯压力，层

7、间岩石力学性质、采掘地压以及地质构造的破坏程度等都影响到这类瓦斯喷出量的大小和持续时间的长短，而这类瓦斯喷出时的流动状态则取决于喷出源的瓦斯压力、裂隙分布状态及其流动阻力。共一百零六页111.4 瓦斯喷出的防治(fngzh)措施 瓦斯喷出的防治(fngzh)措施探 堵 探明地质构造和瓦斯情况 排放或抽采瓦斯 把瓦斯引至总回风流或工作面后20米以外的区域 将裂隙、裂缝等堵住，不让瓦斯喷出 排 引 探测方法：1)巷道掘进超前探测；2)对煤层底板进行探测；3)对煤层顶板进行探测4)两帮或工作面内部进行探测；5)用于地面探测。适用范围：1)矿井、隧道断层及含水构造探测；2)瓦斯突出危险区域探测；3)煤

8、层异常变化带；4)陷落柱及煤层夹矸探测5)工程地质勘查(地基、岩溶、滑坡等)；6)洞体探测、考古工作等。雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距。 共一百零六页12 利用封堵缝口（瓦斯量小，裂缝不时），引排瓦斯、加强通风等综合措施(cush)治理喷出瓦斯。竖井(shjng)井壁瓦斯涌出 平巷瓦斯喷出_探_排_引_堵_法防治瓦斯喷出的实践.caj共一百零六页131.4 瓦斯(w s)喷出的防治措施 瓦斯(w s)喷出的防治措施探探明地质构造情况作业前利用打超前钻孔等办法，探明采掘区域与巷道（井）前方

9、的地质构造、溶洞裂隙的位置分布以及瓦斯的储量 根据初期卸压面积计算卸压瓦斯量。 根据瓦斯压力和洞缝大小预先制订好防治喷出的设计与安全措施。 利用引排、封堵、抽放综合治理 用通风的办法不能使瓦斯浓度降到允许浓度时，采用隔离瓦斯源的措施，利用专门通道把瓦斯排到安全地点。不能用引排罩时，可以考虑采用包帮包顶抽放和打钻孔抽放瓦斯，钻孔直径为45110 mm。 若瓦斯喷出很强烈不能采用上述方法时，必须把喷出瓦斯巷道封闭。通过密闭墙把瓦斯抽出或引入回风巷进行抽放 严格通风和瓦斯检查制度，加强全员安全培训，抓好工程质量。 加强管理工作 模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题一：矿井瓦斯喷出防治共一百零六

10、页4.1 煤与瓦斯突出概况 煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害，是世界(shji)各主要产煤国突出矿井共同面临的技术难题。 Exp:1834年3月22日，法国鲁阿煤田，伊萨克矿井（世界上第一次有记录的突出）。 1950年，辽源富国西二井（我国第一次有记录的突出）。 最大的突出：前苏联（1969.7.19）：加加林矿，石门揭煤，1400t,250万m3瓦斯 。 中国（1975.8.8） ：三汇坝一井， 12780t,140万m3瓦斯 。共一百零六页危害(wihi)： 1、产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏矿井通风系统。 2、井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。 3

11、、喷出的煤岩，造成煤流埋人。 4、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。 到1992年底全国已有282个突出矿井，截止1995年共发生了16000多次突出。共一百零六页【矿井概况】 芦岭煤矿属宿东煤田，井田东西走向长8.2 km，倾斜3.6 km，面积29.5 km2，设计生产能力1500 kt。从1988年起，对矿井进行改扩建，改扩建后年设计生产能力为2400 kt，2001年实现扩建达产，实际生产能力为2460 kt。矿井开拓方式为立井石门开拓，分三个水平，其中，一水平标高为400 m，二水平为590 m，三水平暂定700 m。矿井为高瓦斯突出矿井，2001年度矿井绝对瓦斯涌出量为1

12、29.25 m3/min，相对涌出量为31.49 m3/t。矿井总进风量13000 m3/min。 矿井开采煤层有8、9、10三层。其中，8煤平均厚度9.0 m，9煤平均厚度3.0m，8、9煤间距平均为3.5 m。采用联合布置，在9煤底板岩石中布置采区上山及区段集中轨道平巷和集中运煤平巷，采用斜上山与煤层的机、风巷联络。10层煤平均厚度2.1 m，独立布置。 煤与瓦斯突出(t ch)事故案例分析 共一百零六页煤与瓦斯突出事故(shg)案例分析 共一百零六页【突出强度】 突出时煤层底板距工作面法线垂距达11.2m，突出以小断层弱面带为突破口。经事故后统计，这次煤、岩石与瓦斯突出突出煤岩量总计10

13、500 吨，突出瓦斯量为938.2 km3。填堵全巷道总长度796 m，堆积煤厚超过200 mm以上巷道34 m(图1)。抛出50 kg以上的岩块达100多块，其中重量超过5 吨的有2块：其尺寸分别为2.150.81.35m3和2.10.81.5m3。 瓦斯逆流往东冲毁818车场三道正反向风门，进入81轨道上山及81运输上山，然后波及整个81采区；瓦斯流往西冲毁818岩石轨道巷2道正反向风门，逆流至81返煤下山，进入301皮带机巷和82返煤皮带巷，至82一区段皮带机巷，波及8222工作面及8413等掘进工作面，瓦斯逆流最远距离3120 m。煤与瓦斯突出(t ch)事故案例分析 共一百零六页【突

14、出发生过程】818-3#溜煤斜巷在2001年6月施工818-3#联巷时，已顺带拨门施工平巷4.7 m后停工，02年4月2日恢复施工。6日零点班（7日0-6时）出勤7人,验收员于7日3点30分去迎头，看到顶板完好，锚杆眼已打完正在安装锚杆，迎头上部眼已打完，二台凿岩机正在打下部眼。 7日凌晨4时，1名工人寻找炮棍至81人行下口风门时，发现风门有异常扇动，随即撤出；验收员在做炮泥时发现一股烟雾涌出，也随即同撤离；两名在石门卸碴子的工人同时跟着撤离现场。跟班的一位区队工会主席在817轨道巷发现风筒有异响，遂带领该头施工人员撤离，经过石门变电所时，发现该处煤尘较大，能见度很低，他将工人带至副井下口向矿

15、调度汇报后又只身返回，发现石门变电所段已被煤岩堵塞。此时，因风流逆转，高浓度瓦斯已波及81、82两个采区。瓦斯逆流3120多米，事故两小时后（6时30分）在风井扩散口测定瓦斯浓度为9%，26小时后降到1%，58小时后才降到事故前的正常值，即到4月9日10时瓦斯浓度才降到0.6%。煤与瓦斯突出事故(shg)案例分析 共一百零六页煤与瓦斯(w s)突出事故案例分析 共一百零六页【事故发生原因】 1芦岭矿以往石门揭煤均在底板钻孔予抽两年以后进行的，而事故地点前后120 m范围尚未进行抽放，而煤层原始瓦斯压力达4.10 Mpa。 2本区段煤层为特厚煤层，煤厚达10m以上，煤层软分层发育，f=0.17，

16、且有连片发育的构造煤存在，煤层瓦斯放散初速度p达13.08，煤层破坏程度高，为在突出后形成搬运突出物的瓦斯流提供了条件。 3地质构造复杂。尽管在巷道掘进时预计煤层底板距工作面法线垂距达11.2 m左右，但有与突出煤层相连的小断层存在，地质构造应力是此次突出的主要因素。 4对II81四区段煤与瓦斯突出危险性认识不足，石门揭煤局部防治措施编制不严密，在II81采区没有按规定设置避难硐室和压风自救系统是煤与瓦斯突出导致伤亡事故的间接原因。 煤与瓦斯(w s)突出事故案例分析 共一百零六页【点评】 芦岭煤矿过去未发生过特大型突出，也是此次突出造成事故的原因之一。过去从未发生过特大型突出，不能证明现在和

17、将来不会发生特大型突出。 此次事故进一步证明了煤层是非均质体，瓦斯突出分布是极不均匀的，瓦斯突出强度增加并不一定渐进的，河南东平煤矿第一起突出发生在向斜轴附近，强度达1000t以上。因此, 在突出煤层采掘过程中加强地质工作尤其重要。该头在2001年6月施工的4.7 m平巷时已见铝土层位异常，2002年4月3日刷邦时又发现铝土层，但未能引起足够的重视，在三号溜煤眼东西共120 m范围内，未进行煤层赋存情况、地质构造探明工作。 基础培训工作薄弱，部分职工对发生突出灾变后的避难知识掌握不牢固，不能自觉配带自救器逃生，致使灾变发生后该区域多名作业人员因缺氧受到不同程度伤害；同时，由于II81二区段五号

18、溜煤眼的安全防护设施不完善，致使灾变发生后，掘进二区副队长在组织工人逃生时误坠该溜煤眼身亡。煤与瓦斯突出事故(shg)案例分析 共一百零六页232.1 突出现象(xinxing)及分类 机理(j l)的复杂性、发生的突然性、过程的快速性、后果的严重性按照动力现象的力学特征煤与瓦斯突出 简称突出煤与瓦斯的突然压出简称压出煤与瓦斯的突然倾出 简称倾出岩石与二氧化碳（瓦斯）突出 统称为煤与瓦斯突出模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 共一百零六页242.1 突出(t ch)现象及分类 煤与瓦斯(w s)突出突出的煤向外抛出距离较远，具有明显的分选现象；抛出的煤堆积

19、角小于煤的自然安息角；抛出的煤破碎程度高，含有大量的块煤和手捻无粒感的煤粉有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转；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；孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其它分岔形等。发动突出的主要作用力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潜能。突出的基本特征为动力来源模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 突出共一百零六页252.1 突出现象(xinxing)及分类 煤与瓦斯(w s)突出基本特征

20、图示动画演示模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 突出共一百零六页262.1 突出现象(xinxing)及分类 煤与瓦斯(w s)压出压出有两种形式，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较小；压出的煤呈块状，无分选现象；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；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。发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。基本特征动力来源模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦

21、斯喷出防治(一) 压出共一百零六页272.1 突出现象(xinxing)及分类 煤与瓦斯(w s)压出的基本特征图示模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 压出共一百零六页282.1 突出现象(xinxing)及分类 煤与瓦斯(w s)倾出巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量明显增加。倾出的煤按自然安息角堆积，并无分选现象；倾出常发生在煤质松软的急倾斜煤层中；无明显动力效应；倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂（厚煤层）方向发展；发生倾出的主要因素是地应力，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件

22、，实现倾出的主要力是失稳煤的自重。基本特征动力来源模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 倾出共一百零六页292.1 突出现象(xinxing)及分类 煤与瓦斯(w s)倾出的基本特征图示模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 倾出共一百零六页302.1 突出现象(xinxing)及分类 岩石与瓦斯(w s)突出在砂岩中进行爆破时，在炸药直接作用范围外发生岩石破坏、抛出等现象。突出的砂岩中，含有大量的砂粒和粉尘。动力效应明显，破坏性较强。有突出危险的砂岩岩层松软，呈片状、碎屑状，并具有较大的孔隙率和二氧化碳（瓦斯）含量。巷道的

23、二氧化碳（瓦斯）涌出量增大，二氧化碳（瓦斯）量取决于抛出的岩量及二氧化碳（瓦斯）含量。在岩体中形成与煤与瓦斯突出类似的孔洞。发生突出的主要动力是地应力，实现突出的基本能源是岩石的变形能、瓦斯内能。基本特征动力来源模块四:瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的防治 课题二：矿井煤与瓦斯喷出防治(一) 突出共一百零六页31 定义：在很短时间内（数分钟），从煤（岩）壁内部向采掘工作面空间突然喷出煤（岩）和瓦斯的现象。 特点(tdin)：伴有声响和猛烈的力能效应（摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统），窒息、煤流埋人，可能引起瓦斯燃烧和爆炸。2.3 特点A 煤（岩）与瓦斯突然喷出-突出主要特点：突出物的搬运特征：形成固体

24、与气体两相混合流，可以流动到很远处。突出物的堆积特征：分选、沉积轮回，堆积角安息角（3540）共一百零六页32突出物的破碎特征：产生大量手捻无颗粒的微尘。瓦斯量：突出瓦斯量（m3/t煤）瓦斯含量(hnling)；喷孔孔形状：口小内大的梨形 （与应力分布一致）作用力：地应力（弹性变形能） 瓦斯压力（瓦斯潜能） 重力。B 煤（岩）突然压出并涌出大量瓦斯-压出主要特点：突出物的搬运特征： 煤呈整体外移，碎体抛出一定距离。共一百零六页33突出物的堆积特征：就地堆积（or很近距离）、无分选性、无沉积轮回，安息角（3540）突出物的破碎特征：大小不同的块体与碎末混杂。瓦斯量：瓦斯量（m3/t煤）瓦斯含量(

25、hnling)；喷孔孔形状：口大内小、外宽内窄、楔形作用力：地应力（围岩弹性位能突然释放）、C 煤（岩）突然倾出并涌出大量瓦斯-倾出主要特点：突出物的搬运特征： 煤沿倾斜下落，碎体抛出不远距离； 共一百零六页34突出物的堆积特征： 就地堆积（or很近距离）、 无分选性、无沉积轮回， 安息角（3540）突出物的破碎特征： 大小不同的块体与碎末混杂。瓦斯量： 瓦斯量（m3/t煤）瓦斯含量；喷孔孔形状： 口小内大、舌形作用力：地应力（围岩弹性变形(bin xng)能）、重力。 多发生于急倾斜煤层，低强度时，易与冒落和突出混淆。共一百零六页35 三类动力现象的发生都以地应力为主，所以它们的预兆相似，但

26、三者的基本能源不同。人们习惯上将三类现象统称为煤与瓦斯突出。2.4 按强度分类 强度-每次动力现象抛出(po ch)的煤（岩）数量（t or m3为单位）和瓦斯量(m3)。 A 小型突出：强度50t/次（突出后，几十min，瓦斯浓度恢复正常）； B 中型突出：5099 t/次（突出后，几小时，瓦斯浓度恢复正常）； C 次大型突出：100499 t/次（突出后，一天，瓦斯浓度恢复正常）；共一百零六页36 D 大型突出：500999 t/次（突出后，几天，瓦斯浓度恢复正常）； E 特大型突出：1000 t/次（突出后，很长时间，瓦斯浓度恢复正常）。2.5 突出危险程度(chngd)划分 A 突出矿

27、井和突出煤层：矿井在采掘过程中，只要发生过1次煤（岩）与瓦斯突出（简称突出，下同），该矿井即为突出矿井，发生突出的煤层即为突出煤层。 B 突出危险区和突出威胁区：突出煤层经区域预测可划分为突出危险区和突出威胁区。 C 突出危险工作面和突出威胁工作面：突出危险区进行工作面煤与瓦斯突出预测。共一百零六页373 煤与瓦斯突出机理3.1 突出原因假说 怎样发生？原因何在？过程如何？3.1.1 瓦斯作用说 认为煤内存在高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。 “瓦斯包”： “多聚甲烷”：CH4在煤中形成不稳定(wndng)的多聚甲烷（ CH4 ）n）或结晶水合物（ 可燃冰 ），当煤层揭开后， 促使它们急剧分解

28、，从而放出大量瓦斯并夹带大量煤炭而喷出。共一百零六页383.1.2 地应力作用说 突出主要是高地应力作用结果。3.1.3 综合作用说 突出主要是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用结果。1）能量说 前苏联B.B.霍多特提出，突出是煤的变形能（w）和瓦斯内能突然(trn)释放引起工作面煤体的高速破碎。共一百零六页激发突出的第一条件(tiojin) 对于回采 对于掘进 对于石门揭煤式中 W-煤的变形能； -顶板岩石动能； Q-煤内游离瓦斯所含的内能； F-煤向巷道移动功； U-煤的破碎功。激发突出的第二条件 式中 Vp-煤的破碎速度； Vx-煤裂隙中瓦斯压力下降速度。共一百零六页激发突出的第三

29、条件式中 P-瓦斯压力(yl)； s-煤破碎区段的横断面积； f-煤沿某一表面移动时，该面的摩擦系数； -煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成倾角； g-重力加速度； m-煤的质量； a-为了将煤抛出必须给煤的加速度； +，-煤移动方向，向上抛出取“+”，反之取“-”。 在瓦斯矿井，激发突出的第二与三条件实际上总是可以满足，因此，第一条件便成为发生突出的主要而必需条件。共一百零六页412）地应力分布不均说 前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。 突出机理（原因）：突出煤层的围岩具有增高的和不均匀的应力分布；产生围岩的不均匀位移；顶底板接近的“停滞”和“塞子”的形成，产生一种脆弱(curu)的平

30、衡；靠近工作面的破碎带的尺寸降低，同时在近工作面范围内部保持着较高的瓦斯压力。采掘工作破坏围岩脆弱平衡时，造成急剧的位移和搓揉，产生冲击和煤的破碎，发生突出。共一百零六页42发生突出的条件： a、突出煤层具有不同的地质构造与煤的结构； b、突出煤与非突出煤层的特性不同； c、突出区：瓦斯压力大，煤层透气性低，煤质松软，地质构造复杂。 d、突出煤层，地应力处于紧张状态； e、突出主要发生在地质构造带内； f、围岩地应力不均是突出危险性的一种标志。 因此(ync)，围岩的应力状态变化和能量的释放是造成突出的首要原因，瓦斯是突出的基本能源之一，瓦斯压力决定了突出的强度。共一百零六页 二、力能计算 1

31、、地应力 煤体内存在着地应力（自重应力、地质构造力和采动集中应力）、瓦斯压力和煤的自重重力。 自重应力：铅垂方向(fngxing) 水平方向 地质构造应力： 水平方向 采动集中应力： 铅垂方向 煤的自重力： 铅垂方向共一百零六页 一般地， 通常地应力在数值上为瓦斯压力的几倍到几十倍，突出过程中破碎(p su)煤体的主导力是地应力，特别是存在地质构造应力时，尤其如此。 2、煤体弹性潜能 单向应力状态： 三向应力状态： 式中 wt-煤的弹性变形潜能，mj/m3； -煤的平均应力,Mpa；1 、2、 3-分别为三个方向的主应力，Mpa； 、E-分别为煤的泊松比和弹性模量。共一百零六页 3、瓦斯内能

32、作用：破碎煤体；搬运突出物；使突出不断向煤体深部扩展。 热力学变化过程： 突出瞬间，膨胀瓦斯属于等温过程；破碎煤脱离煤体后，属于多变过程；最后接近绝热过程。 根据热力学，可推得一吨煤瓦斯膨胀内能计算(j sun)式为： 式中 v1-吨煤瓦斯涌出量； P0、P1-突出前后，煤层瓦斯压力； n -过程指数。共一百零六页463.2 突出过程及特点3.2.1 突出发生(fshng)过程（1）准备阶段-能量积蓄 由于地质、采矿原因，煤体内的能量积聚逐渐发展到临界破坏，或过载的脆弱平衡状态。 特点：工作面煤壁内形成高 和 ，呈现出多种有声或无声的预兆。时间有长，有短。（2）激发阶段 特点：地应力状态突然改

33、变。 表现为：极限应力状态的部分煤体突然破坏；发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，大大增加；膨胀瓦斯流形成，大量瓦斯解吸。 引发原因：落煤、打钻、修整工作面等。共一百零六页47（3）发展阶段特点： a）突出从激发点起向内部连续剥离(bl)并破碎煤。（由地应力和瓦斯压力共同作用） b）破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送，边粉碎，此过程主要是瓦斯内能作功的过程。 c）煤的剥离与破碎具有脉冲特性，存在多轮回过程。共一百零六页48（4）终止阶段 两种情况突出可能终止： a）在剥离与破碎煤体的扩展中遇到较硬的煤体；或地应力和瓦斯压力降低不足以破坏煤体。 b）突出孔道被堵塞

34、(ds)，突出物支撑建立起新的拱平衡；孔洞内瓦斯压力因堵塞(ds)而升高， 和 下降 ，不足以破坏煤体。3.2.2 地应力和瓦斯压力在突出过程中的作用地应力的作用： a）激发突出； b）发展阶段与瓦斯压力共同作用，对煤体进行剥离、破碎；共一百零六页49 c）影响煤体内部裂隙(li x)系统的闭合程度和生成新的裂隙(li x)。瓦斯压力的作用： a）当瓦斯压力梯度很大时，能独立激发突出； b）发展与实现突出的主要因素 ； c）膨胀瓦斯破碎，搬运煤岩，孔壁附近保持较高的地应力梯度和瓦斯压力梯度为连续剥离煤体创造必要条件。共一百零六页4 采掘工作面瓦斯动力现象的特点 采掘面的类型对突出诸因素的边界条

35、件及在煤内空间与时间上的分布产生重大影响，因此各类工作面的动力现象具有不同的特点。 Exp:石门突出：突出危险性最大，突出强度(qingd)大，概率高，典型突出次数最多。50共一百零六页一、石门突出 类型：（1）放炮揭开煤层时的突出； （2）过煤门时的突出； （3）自行冲破岩柱的突出。 其中，放炮揭开煤层时的突出所占的比例最大。1、揭煤与过煤门时的突出 exp1： exp2：原因(yunyn)：采掘应力叠加。石门共一百零六页 2、自行冲破岩柱的突出 原因：一般都存在于有利的地质构造条件。 例如：断层、褶曲、扭转等地质构造处。 3、延期突出 突出过程：准备、发动、发展、终止。 延期时间：几十分钟

36、 几十小时 延期突出的实质：放炮后，突出的准备阶段沿未结束，在此期间煤层内发生不稳定的蠕变，新暴露(bol)面附近煤内产生能量积累。新暴露煤壁支承能力较大，能承受爆破时已升高的载荷和瓦斯压力作用，并继续积蓄弹性能。当震动放炮不规范时，煤壁的稳定性降低，使地应力大大升高，直至处于过载应力状态。煤体突然破碎，瓦斯压力的推力也因煤体破碎裂隙增加而成倍增加，导致突出的发生。共一百零六页二、平巷突出（煤巷掘进面） 与石门突出相比，突出平均强度低。 原因(yunyn)： 地应力方面：缺少像石门那样硬岩约束条件，即无能量积累的过程条件。限制了合成和 增大。 瓦斯方面：工作面前方煤体的CH4和平 远低于石门工

37、作面前方煤体。因为瓦斯排放时间长。三、上山突出 倾出所占比例增多。 煤的自重在动力现象中起作用。共一百零六页四、下山突出 主要是突出和压出。 煤的自重在动力现象中起阻力作用。五、采煤工作面突出 煤层倾角越小，突出危险性越大。 采煤工作面突出表现出明呈的区域性，在地质构造上有如下几种类型：向斜轴部附近；地质构造交汇处；主向斜轴部的局部隆起区域；小断层群及顶底板凹陷或凸起(t q)群区域；煤厚及倾角突然变化区。共一百零六页5 突出(t ch)发生的一般规律1、突出发生在一定深度以后。 始突深度：矿井开始发生突出的最浅深度。 不同矿区差别很大， 最小，50m，（郴州罗卜安矿） 最大，640m，（抚顺

38、老虎(loh)台矿） 一般地，矿井始突深度均大于瓦斯风化带深度；随着开采深度增加，煤层突出危险性增高。2、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加。共一百零六页3、突出需具有一定的瓦斯含量(hnling)和瓦斯压力 同一煤层，其瓦斯压力越高，突出危险性越大。 安全规程：取 0.74 MPa。 可按下式估算： 式中：f-软分层厚度； V-软分层挥发份含量； A、B-系数。 所以，f 愈小，煤变质程度愈高（V愈小），Pmin越小。4、突出煤层的强度低，而且变化大。5、突出危险区呈带状分布。地质构造呈带状；采动形成集中应力带 共一百零六页6、上山掘进比下山掘容易突出，突出次数随着煤

39、层倾角增大而增多。7、采掘工作往往可以激发突出。8、突出大多有预兆。 地压呈现：煤炮声、支架声响、掉碴、巷道底鼓、煤壁外鼓、等。 瓦斯涌出：瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小，使煤尘增大，工作面气温下降，气味(qwi)异常。 煤的力学性能与结构：层理紊乱、煤强度松软、煤质暗淡无光，煤厚变化，煤干燥等。9、突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增高。10、石门突出危险性最高。共一百零六页共一百零六页防治突出技术归纳为“四位一体”的综合性防突措施(cush)：突出危险性预测；防治突出措施；防突措施的效果检验安全防护措施。共一百零六页6 区域性防突措施(cush)防突措施分类：按作用范围划分：区域性防突措施

40、、局部性防突措施。按作用效果划分：防止突出发生的措施、突出时保证人员生命安全的措施。按作用的技术性划分：技术措施、组织管理措施。 区域性防突措施：实施以后可使较大(jio d)范围煤层消除突出危险性的措施，称为区域性防突措施； 局部防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施称为局部防突措施。本节主要内容：开采保护层、预抽煤层瓦斯、煤层注水。共一百零六页一、开采保护层 保护层：在突出矿井中，预先(yxin)开采的、能使其它相邻有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层。 被保护层：后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方

41、的叫下保护层。保护层被保护层被保护层共一百零六页 保护层开采是预防突出最有效、最经济的区域性预防突出的技术措施，几乎所有发生突出的国家都采用该措施，我国1958年成功使用此技术，目前开采保护层的矿井(kungjng)占突出矿井(kungjng)总数的26%。1、保护作用分析 为什么保护层开采后，能有效消除煤层突出危险性？ 覆岩破坏移动(ydng)分带示意图 I冒落带 II断裂带 III弯曲带a竖向裂隙 b离层裂隙共一百零六页保护作用(zuyng)过程： （a）保护层开采后，岩体中形成自由空间，破坏了原岩应力平衡，地应力重新分布，上覆岩体向采空区方向移动，发生顶板冒落下沉，底板鼓起，同时产生大小

42、不等的裂隙。 （b）被保护层： 产生“卸压增流效应”。 （c) 被保护层瓦斯排放后，煤层瓦斯压力降低，瓦斯潜能降低。共一百零六页开采保护层的作用 (1) 地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。 (2) 煤层(micng)膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的采空区内，瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。 (3) 煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。据测定，开采保护层后，被保护层的煤硬度系数由0.30.5增加到1.01.5。 所以，保护层开采后，不但消除或减少了引起突出的两个重要因素：地压和瓦斯，而且增加了抵御突出的能力因素煤的机械强度。这就使得在卸压区范围内开采被保护

43、层时，不再会发生煤与瓦斯突出。共一百零六页2、保护范围划分 保护范围：指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。 一般通过(tnggu)现场实测。（1）保护层与被保护层之间的有效层间距 下保护层影响范围大于上保护层，且与保护层的厚度、层间岩性、煤层倾角等因素有关。共一百零六页（2） 沿倾斜的保护范围(fnwi) 确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界。 为岩石卸压角，查表得出。保护层被保护层被保护层1324保护(boh)线共一百零六页（3） 沿走向的保护范围-超前距 超前距一般不得小于两个煤层(micng)之间垂直距离的三倍，至少不小于100m。 目的：使被保护层

44、能充分卸压和排放瓦斯。保护层被保护层被保护层h1L3h1L100mL3h2L100mh2共一百零六页（4）煤柱的影响 保护层开采后，在采空区上、下形成卸压区，而煤柱上方则产生集中应力区，在集中应力区内，增加(zngji)了突出危险性。 影响范围根据考察结果确定，否则，按以下角度确定。60456045煤柱影响区影响区共一百零六页3、抽放卸压瓦斯扩大保护范围 随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力、瓦斯含量增高，为了(wi le)提高保护层的保护效果、可靠程度和保证被保护层顺利开采，抽放卸压瓦斯是可以对被保护层卸压作用起到补充和深化作用。 作用：（1）降低被保护层残余瓦斯压力； （2）扩大保护层间距

45、。因为，随着层间距增大，突出煤层卸压程度减弱，瓦斯自然排放条件差。 根据前苏联经验，开采保护层，如结合抽放被保护层瓦斯，可使有效层间距增大1.4 1.6倍。共一百零六页4、选择保护层的原则 （1）首先选择无突出危险的煤层作为保护层； （2）当所有煤层均有突出危险时，选择突出危险性小的煤层作为保护层； （3）优先选择上保护层。 选择下保护层时，其最小层间距应满足下式： 式中 Hmin-允许(ynx)采用的最小层间距； M-保护层厚度； k- 系数。共一百零六页 （4）所有可采煤层均有严重突出危险时，可选择不可采煤层作为保护层。5、开采保护层应注意的几个问题(wnt) （1）尽量不在保护层采空区留

46、煤柱； （2）保护层采高小于0.5m时，必须检查其保护效果，否则要采取其它防突补充措施； （3）开采保护层，具有瓦斯抽放系统的矿井，应同时抽放卸压瓦斯。保护作用实质：卸压和排放瓦斯，其中卸压作用是首要的、决定性的。共一百零六页二、预抽煤层瓦斯 应用：无保护层可采、单一突出煤层开采。经过试验预抽瓦斯有效果(xiogu)时。 我国实施此措施的矿井占突出矿井总数的21%以上。共一百零六页1、防突机理 通过向突出煤层内打大量的密集(mj)钻孔，达到：钻孔造成煤层局部卸压；通过钻孔排放瓦斯，释放煤层瓦斯潜能；通过长时间抽放瓦斯，进一步降低煤层瓦斯涌出压力和瓦斯含量；引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气

47、性和煤的坚固性系数增加。共一百零六页2、适用(shyng)条件与考察指标适用条件：突出煤层，4.010-2 m2/(MPa2.d)。要求指标： （1）瓦斯抽放率 30%； （2）PCH4(残余)0.8 PCH4 或 XCH4(残余)0.8 XCH4； （3）钻孔控制区，煤厚的收缩变形 2 。3、钻孔布孔原则 采用：穿层钻孔或沿层钻孔。 HLR穿 层钻 孔共一百零六页（1）钻孔数量穿层钻孔： 沿层钻孔：式中：L-沿走向钻孔控制(kngzh)范围； H-沿斜向钻孔控制范围； R-钻孔有效抽放瓦斯半径； K-系数，1.2 1.3。L沿层钻孔(zun kn)共一百零六页（2）钻孔间距 一般根据现场考察

48、确定。无考察数据时可根据煤层瓦斯涌出规律，采用(ciyng)下式计算： 对于沿层上向或水平平行钻孔： 对于穿层钻孔：共一百零六页三、煤层注水应用：主要应用于回采(huci)工作面。1、注水防突机理2、注水工艺 打钻、封孔、注水共一百零六页3、注水防突指标 保证煤层充分湿润，且煤体湿润均匀，水份(shu fn)5%，注水量 0.02 0.04 m3/t煤。4、钻孔布置 单排平行沿层钻孔。5、钻孔参数 1）孔径 42100mm。 2）孔长，决定于阶段斜长及煤层地质变化。 3）封孔长度 钻孔湿润半径的 1.11.2 倍。 4）注水压力 过高：使煤沿弱面破裂，造成水流失。 过低：注不进水，达不到湿润效

49、果。 应做到：“压而不裂，注而不漏”R共一百零六页 水平钻孔： 倾斜钻孔： 式中：Pg-煤层瓦斯压力； Pw-注水压力； H-孔口至地表深度(shnd)； -钻孔与水平面的夹角； -覆岩的平均密度； l-钻孔长度； -“+”表示下向孔，“-”表示上向孔。共一百零六页6、注意事项（1）对于湿润性差的煤，注水中可加一定浓度的湿润剂。（2）注水泵尽量采用排量大的高压泵；（3）保证封孔质量；（4）孔数应根据注水区与注水有效(yuxio)半径确定；（5）对于难注水煤层，尽量采用“间歇注水”。共一百零六页4.7 岩石(ynsh)井巷揭穿突出煤层预防突出措施包括：石门、竖井、斜巷。特点：突出强度大。 Exp

50、: 我国，70多次大型突出中，80%发生在岩巷揭煤过程中。一、概述 1）在10m ，进入顶（底）板2m范围内，全部作业中，都必须采取防突措施。 2）揭开突出煤层(micng)前，应进行专门设计。 3）岩石井巷揭穿突出煤层前应遵守以下规定： a) 进行探测孔和测压孔的设计；共一百零六页B）打至少两个(lin )穿透煤层全厚的探测孔；C）测定煤层瓦斯压力；D）进行煤层突出危险预测；E）有突出危险时，应采取防突措施；F）进行煤层突出危险性检验；G）揭开突出危险煤层。10m5m石门被揭煤层共一百零六页突出煤层石门(sh mn)揭煤作业程序（一）探明揭煤工作面和煤层的相对位置；（二）在与煤层保持适当距离

51、的位置进行工作面预测（或区域验证）；（三）工作面预测（或区域验证）有突出危险时，采取工作面防突措施；（四）实施工作面措施效果检验；（五）掘进至远距离爆破揭穿煤层前的工作面位置，采用工作面预测或措施效果检验的方法进行最后(zuhu)验证；（六）采取安全防护措施并用远距离爆破揭开或穿过煤层（七）在岩石巷道与煤层连接处加强支护。共一百零六页石门和立井、斜井工作面从掘进至距突出煤层(micng)的最小法向距离5m开始，必须采用物探或钻探手段边探边掘，保证工作面到煤层的最小法向距离不小于远距离爆破揭开突出煤层前要求的最小距离。采用远距离爆破揭开突出煤层时，要求石门、斜井揭煤工作面与煤层间的最小法向距离是

52、：急倾斜煤层2m，其它煤层1.5m。要求立井揭煤工作面与煤层间的最小法向距离是：急倾斜煤层1.5m，其它煤层2m。如果岩石松软、破碎，还应适当增加法向距离。共一百零六页 根据工作面岩层情况，实施(shsh)工作面防突措施时要求揭煤工作面与突出煤层间的最小法向距离为：预抽瓦斯、排放钻孔及水力冲孔均为5m，金属骨架、煤体固化措施为2m。当井巷断面较大、岩石破碎程度较高时，还应适当加大距离。 石门揭煤工作面钻孔的控制范围是：石门的两侧和上部轮廓线外至少5m，下部至少3m。85共一百零六页二、水力冲孔 可控地、缓慢地排放突出煤层瓦斯。 1、防突机理 以岩柱为安全屏障， 利用打钻和高压水射流 冲击煤体，

53、激发煤体发 生可控的喷煤和喷瓦斯， 煤和瓦斯排出，使被揭 煤层地应力降低，煤层透气性增大，煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量降低，煤的机械强度增加，煤的弹性变形能和瓦斯潜能释放，从而使钻孔(zun kn)一定范围内煤的丧失突出能力。5m石门被揭煤层共一百零六页共一百零六页具体(jt)要求 石门揭煤工作面采用水力冲孔防突措施时，钻孔应至少控制自揭煤巷道至轮廓线外35m的煤层，冲孔顺序为先冲对角孔后冲边上孔，最后冲中间孔。水压(shu y)视煤层的软硬程度而定。石门全断面冲出的总煤量（t）数值不得小于煤层厚度（m）乘以20。若有钻孔冲出的煤量较少时，应在该孔周围补孔。88共一百零六页 2、适用条件 有自喷

54、能力的突出危险煤层。 3、施工工艺 4、参数 水压 3 5 Mpa，水流量 40 50 m3/h。 三、排放钻孔(zun kn) 预定揭穿煤层的断面轮廓外布置多排扇形穿层钻孔，钻取煤炭与排放瓦斯。5m石门被揭煤层共一百零六页1、防突机理 石门揭煤前，由岩巷或煤巷向突出危险煤层打一定数量呈网格排列(pili)的钻孔，钻取煤炭，并将煤层中的瓦斯经过钻孔长时间自然排放，使石门周围一定范围内煤体瓦斯含量和瓦斯压力降低，煤体发生收缩变形，煤的弹性能和瓦斯潜能得到释放，从而消除石门揭煤的突出危险。2、基本要求 岩柱厚度5m，范围 轮廓线外 7 8 m。孔距：决定于煤层煤层透气性。要求：煤层瓦斯压力降低到

55、1.0 MPa 以下共一百零六页共一百零六页3、适用条件 煤层透气性较高，有足够的排放时间。特别适用于急斜煤层。四、金属骨架 1、工艺 巷道顶、两帮上部打75100mm钻孔，进入岩层0.5m，孔距0.2m，插入(ch r)钢管或钢轨。(23)m石门被揭煤层石门煤层金属骨架共一百零六页2、作用机理 预先加固煤体，增加煤的稳定性；骨架孔排放一定量的瓦斯，钻取煤炭。从而降低了煤层的应力状态，增加了煤的坚固性，揭煤过程中金属(jnsh)骨架支承上方煤体重量，阻止煤体突然破坏与离层，抑制突出的发动。3、要求 岩柱厚度：2.0m（硬岩），3.0m（松软岩层） 范围：巷道上部和两侧外 0.5 1.0 m 孔距：0.3 m（单排） 0.2m（双排）4、适用条件 45的薄及中厚煤层。共一百零六页五、震动放炮 震动放炮是采用增加炮眼数和装药量，一次爆破揭开煤层并成巷的爆破方法。 1、作用(zuyng)机理 因爆破震动，围岩应力和瓦斯压差急剧变化，创造了最有利的突出条件。所以震动放炮基本上是一种人为的诱使突出的措施，而不是防止突出的方法。 2、要求 (1) 震动放炮时，应将井下人员撤至地面。为了少影响生产，一般在交接班时放炮； (2) 放炮时应将放炮区或全井断电，进风系统内不得有火源存在，以免引燃瓦斯；共一百零六页 (3) 放炮半小时后由救护队进入检查。具有延期突出的矿井，进入的时间还要加长； (4