专题-煤与瓦斯突出煤层的开采技术.doc

1、专题部分 第23页煤与瓦斯突出煤层的开采技术摘要：近年，我国煤炭行业主管部门颁布的煤矿安全规程中明确规定：“矿井在开采过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出的现象，该矿井即定为突出矿井，发生突出的煤层即定为突出煤层。”随着开采深度的增加, 煤层瓦斯含量逐渐增高, 因此研究我国煤层条件下的煤与瓦斯突出煤层的开采技术，已是亟需解决的问题。突出矿井的开采技术条件普遍比较复杂，它同非突出矿井的开采比较，主要在开采程序、巷道布置、采掘通风、安全措施及技术管理等方面都存在较大的区别和更为严格的开采安全要求。煤层瓦斯是矿井发生瓦斯爆炸和瓦斯突出灾害事故的根源, 是高产高效矿井建设过程中的主要障碍,作为温室气体，

2、直接排放无疑会造成大气污染。 实践证明, 煤与瓦斯共采能够有效减少矿井瓦斯灾害, 实现煤矿安全绿色开采, 但是现有煤与瓦斯共采理论和技术仍存在许多不足亟待解决。在介绍煤与瓦斯突出理论基础与技术现状的基础上, 结合煤与瓦斯突出煤层开采技术的应用实例, 提出了煤与瓦斯突出煤层开采技术现存问题, 并对此提出了展望。关键字：煤与瓦斯突出 煤与瓦斯共采 瓦斯抽放 保护层 无保护层 绿色开采1 煤与瓦斯突出的基本概述1.1基本概念所谓煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，是一种类型的瓦斯特殊涌出。1.2基本特征煤与瓦斯突出基本特征有：（1）突出的煤向外抛出距离较远，具

3、有分选现象；（2）抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；（3）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；（4）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；（5）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；（6）突出孔洞呈口小腔大的梨形、倒瓶形以及其它分岔形等。1.3发生前的征兆煤与瓦斯突出发生前有较为明显的预兆，分为无声预兆和有声预兆两类。（1）无声预兆煤层结构变化，层理紊乱，煤层由硬变软、由薄变厚，倾角由小变大，煤由湿变干，光泽暗淡，煤层顶、底板出现断裂，煤岩严重破坏等；工作面煤体和支架压力增大，煤壁外鼓、掉碴、煤块进出等；瓦斯增大

4、或忽小忽大，煤尘增多。（2）有声预兆煤爆声、闷雷声、深部岩石或煤层的破裂声、支柱折断等。每次突出前都有预兆出现，但出现预兆的种类和时间是不同的，熟悉和掌握预兆，对于及时撤出人员、减少伤亡具有重要的意义。1.4一般规律煤与瓦斯突出的一般规律是：（1）突出与地质构造的关系,突出多发生在地质构造带内，如断层、褶曲和火成岩侵入区附近；（2）突出与瓦斯的关系,煤层中的瓦斯压力与含量是突出的重要因素之一。一般说来，瓦斯压力和瓦斯含量越大，突出的危险性越大。但突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间，没有固定的关系。瓦斯压力低、含量小的煤层可以发生突出；反之，瓦斯压力高，含量大的煤层也可能不突出，因为突出是多种因

5、素综合作用的结果；（3）突出与地压的关系,地压愈大，突出的危险性愈大。当深度增加时，突出的次数和强度都可能增加；在集中压力区内突出的危险性增加；（4）突出与煤层构造的关系,煤层构造主要指煤的破坏类型和煤的强度。一般情况下煤的破坏类型愈高强度愈小，突出的危险性愈大。故突出多发生在软煤层或软分层中；（5）突出与围岩性质的关系,若煤层顶底板为坚硬而致密的岩层且厚度较大时，其集中应力较大，瓦斯不易排放，故突出危险性愈大；反之则小。若顶底板中具有容易风化和遇水变软的岩层时，将减少突出危险性；（6）突出与水文地质的关系,实践表明，煤层比较湿润，矿井涌水量较大，则突出危险性较小；反之则大，这是由于地下水流动

6、，可带走瓦斯，溶解某些矿物，给瓦斯流动创造了条件；（7）突出具有延期性，突出的延期性变化就是震动放炮后没有诱导突出而相隔一段时间后才发生突出。其延迟时间从几分钟到几小时。2 煤与瓦斯突出的机理研究概况煤与瓦斯突出给煤矿安全生产，特别是井下人员的生命财产安全造成了极其严重的威胁。为了防止这类灾害事故的发生，保障煤矿井下安全生产，世界上各主要产煤国均投入了大量的人力、物力研究煤与瓦斯突出机理，以便为突出危险性预测和防突措施的制定与实施提供科学依据。但是，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在定性与假说性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其它因素间的作用机理还把握不

7、准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。2.1单因素作用假说单因素作用假说主要有：瓦斯主导作用假说，地压主导作用假说以及化学本质作用假说，其主要特点是强调单因素起主导作用。2.1.1瓦斯主导作用假说以瓦斯为主导作用的假说。(1) “瓦斯包”学说。前苏联的比尔沙留金和英国的R威廉姆等提倡的“瓦斯包”学说认为，煤层内存在着可以积聚高压瓦斯的空洞，其压力超过煤层强度降低区的煤体强度极限，当工作面接近这种“瓦斯包”时，煤壁就会发生破坏，产生突出。(2)粉煤带说：前苏联的几比贝可夫、德国的M鲁夫、英国的H布列斯克以及日本的植木七郎提倡的粉煤带说认为，由于地质构造或矿山压力的作用

8、，原生煤层被破碎成粉状，这些粉煤极易放出瓦斯。当巷道接近这一地带时，粉煤在较小的瓦斯压力作用下，就能与瓦斯一起喷出。(3)煤孔隙结构不均匀说：前苏联的PM克里切夫斯基等人提出了这一假说。这一假说认为，煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域的边缘，瓦斯流动速度变化很大。如果透气性小的恰好是坚硬的煤而透气性大的又是不坚硬的煤，那么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯潜能就有可能使煤突出。(4)突出波说：前苏联的C儿赫里斯基阿诺维奇提倡的这一假说认为，瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大十倍左右，在煤的强度低的地区，煤的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度。当巷道接近这一地区时，在瓦斯压力的作用下，可产生连续的破碎煤

9、体的突出波，引起突出。(5)裂缝堵塞说：前苏联的HL1阿莫索夫提倡这一假说。他认为由于均匀排放瓦斯的裂缝被封闭和堵塞，在煤层中形成增高的瓦斯压力带，从而引起突出。(6)闭合孔隙瓦斯释放说：前苏联的儿比合尔巴尼提出了这一假说。他认为，近工作面地带，由于煤吸收和解吸瓦斯的周期性，使其机械强度降低，包含在闭合孔隙中的瓦斯、在孔隙闭合面与敞开面之间产生了很大的压力差。当煤体被破坏时，使被解吸的瓦斯抛向巷道。(7)瓦斯膨胀说：前苏联的BLL尼柯林等人提倡这一假说。他们认为在煤层中存在着瓦斯含量增高带，因而引起煤体膨胀和煤层应力增高，此处煤层的透气性接近于零。当巷道掘进到该处时，其应力急剧降低，造成煤的破

10、碎和突出。(8)卸压瓦斯说：前苏联的GK里热夫斯基提出的这一假说认为，突出煤层富含瓦斯，但透气性低，瓦斯难以流出。而采掘工作可使局部卸压，迅速卸压的瓦斯涌向煤壁，造成煤壁局部瓦斯压力升高，使粉碎的煤迅速抛出或向巷道挤出。(9)火山瓦斯说：日本的栗原一雄提倡这一假说。他认为，瓦斯突出的动力来源于煤层中的游离瓦斯，突出时瓦斯压力能达到一千几百个大气压。由于火山的活动，煤受到了二次热力变质，产生瓦斯和热流体带来的岩浆瓦斯，从而在煤层内，特别是在断层内，形成高压瓦斯区，当进入这一地区进行采掘作业时，即能引起突出。(10)地质破坏带说：日本的兵库倍一郎提倡的这一假说认为，由于有地质破坏带的存在，潜藏着一

11、定数量的高压瓦斯。当巷道或工作面接近该带时，在爆破及地压的影响下，煤、岩壁裂缝增多，如覆盖层的阻力与瓦斯压力的平衡遭到破坏时，将会发生突出。它的中心点在于：由于地质破坏带的存在，增加了周围岩体的异常拱压，当工作面接近这一破坏带时，工作面与地质破坏带之间的煤层会被迅速破坏从而引起突出。(11)瓦斯解吸说：原民主德国的K克歇尔倡导这一假说。他认为，卸压时煤的微孔隙扩展、孔隙吸附潜能降低，吸附和吸着瓦斯解吸，潜伏的压力(吸附瓦斯的内能)转化为“游离瓦斯”压力，使瓦斯压力增高，可破坏不坚硬的煤体而引起突出。瓦斯说能解释突出中的一些现象、但与下面一些情况不符或不能解释：迄今为止在煤层内从未发现过上述的“

12、瓦斯包”或持定的粉煤带；后来实践中的统计资料表明：突出危险性与煤层瓦斯含量之间没有直接的联系；在突出孔洞周围出现过重复突出；岩石错动的强烈声响往往发生在突出之前的煤体深处；打小直径排放钻孔，并不能有效地防治突出；突出地点煤和岩石的温度升高，抛出的煤体温度也较高；煤层的自行揭开；过煤门时的突出；突出孔洞发生变形（体积缩小）；大多数平巷的突出空洞位于上隅角。2.1.2地压主导作用假说以地压为主导作用的假说。(1)岩石变形潜能说：前苏联的11M别楚克和D1阿尔沙瓦、法国的莫连、加拿大的伊格拿季叶夫及日本的外尾善次郎提倡这一假说。他们认为突出的发生是变形的弹性岩石所积聚的潜能引起的。这些岩石位于煤层周

13、围，而这种潜能是以往的地质构造运动造成的。当巷道掘到该处时，弹性岩石便像弹簧一样伸张开来，从而破坏和粉碎煤体而引起突出。(2)应力集中说：前苏联的D1L别楚克和D1M卡尔波夫提倡这一假说。他们认为，在采煤工作面前方的支撑压力带，由于厚弹性顶板的悬顶和突然沉降引起附加应力、煤体在此集中应力的作用下产生移动相遇到破坏。如果再施加动载荷，煤体就会冲破工作面煤壁而发生突出。煤突出时，伴随有大量的瓦斯涌出。(3)塑性变形说：前苏联的AB瓦尔琴等提倡这一假说。他们认为，突出煤层发生弹塑性交形，使巷道周围煤体突然破碎，引起突出。(4)冲击式移近说：前苏联的儿A包利生科倡导这一假说。他认为，在突出中起主导作用

14、的是地压，具体地说是顶底板的冲击式移近。冲击式移近发生的可能性和大小取决于岩体的性质、巷道参数、掘进方式和速度。其条件是：第一、煤层紧张程度增大；第二，煤层边缘有脆性破坏；第三，从破坏的煤中涌出的瓦斯有一定的压力。(5)拉应力波说：前苏联的51L梅德维杰夫提倡这一假说。他认为，突出煤层的力量是拉应力波。而这个拉应力波是脆性材料在地压的作用下储蓄了大量的弹性能，当巷道工作面附近的煤体由三向受压状态转为复杂应力状态时，掘进工作面破坏了平衡，造成能量释放而产生突出。在拉应力波作用下，煤体破碎并抛出，而瓦斯的迅速排放又使动力效应更加猛烈。(6)应力叠加说：日本的矢野贞三提倡这一假说。他认为，突出是由于

15、地质构造应力、火山与岩浆活动的热力变形应力、自重应力、采掘应力和放顶动压等叠加而引起的。突出危险煤层具有持殊的“分支性裂隙”的显微结构。(7)放炮突出说：日本桥本清等提倡这一假说。他们认为，大多数瓦斯突出(包括冲击地压)主要是由于爆破的应力作用而造成的。他们认为：如果突出是由地压引起的话，那么，采煤工作面应该比巷道突出次数多，但事实与此相反。(8)顶板位移不均匀说：日友的小田仁平次等提倡这一假说。他们认为，瓦斯突出是由于煤层顶底板不规则和不连续移动而引起的一种动力现象。并指出，顶底板移近速度值增加又下降后，才发生突出。以地压为主导作用的假说同样也能解释相当一部分突出现场的现象，但也还有许多观象不能解释，如：在瓦斯不大的矿井，即使开采深度很深(400-500 m)，也不会发生突出；二氧化碳参与突出的平均强度比甲烷参与突出的平均强度大；突出前出现风流中的瓦斯浓度增大或忽大忽小的预兆，也出现工作面煤壁或空气温度下降的预兆；煤与瓦斯突出时，从突出煤的分选现象中可见到大量的细尘状粉煤；如果突出的发生是由地压引起的，那么突出的孔洞应该是圆锥形，而实际的突出孔洞常常是一些口小腔大特殊形状的孔洞(如梨形、椭球形)；在一些特大型的突出中，每吨喷出煤的瓦斯涌出量比煤层瓦斯含