专题-煤与瓦斯突出防治的浅析.doc

1、专题部分 煤与瓦斯突出防治的浅析 摘 要 本文系统总结评述了近年来煤矿与瓦斯防突技术及其应用的成果和最新进展，综合分析了煤与瓦斯突出的影响因素，四位一体的防突措施：预测、防突、检验、安全防护措施，得出四位一体的综合防突措施是实现煤与瓦斯共采防突的发展趋势。基于此，结合具体的实例，采取局部综合防突措施孔的措施不仅能够有效消除掘进工作面的煤与瓦斯突出危害，还能大大降低瓦斯超限的次数，达到安全生产的目的。关键词：煤与瓦斯突出；综合防治；措施1 绪论1.1课题研究的背景我国是世界上少数几个以煤炭为主的能源消费国，20012009年我国一次能源构成中，煤炭能源消费比例维持在66%68%。由于我国是富煤贫

2、油少气的国家，目前我国煤炭探明可采储量约1145亿吨，占世界煤炭探明储量的11%;我国石油探明储量为32亿吨，仅占世界石油探明储量的2.1%;我国天然气探明储量为1.82万亿立方米，仅占世界总储量的1%。考虑到我国能源供给状况、开采价格及对外依存度等因素，我国以煤炭为能源消费主体的格局短期内不会改变，预计到2030年仍占到55%，煤炭仍将是我国能源消费的重要组成部分。我国煤炭资源95%为井工开采，由于浅部煤层资源大都采完，大部分矿井必须向深部延伸开采，煤与瓦斯突出(简称突出)矿井数量将增多，原有的突出矿井灾害将加重。因此，随产量和开采深度的不断加大，煤矿瓦斯灾害将日益严重。2006年，我国煤矿

3、安全事故死亡4746人，百万吨死亡率高达2.041。其中，瓦斯灾害事故死亡1319人，占煤矿事故总死亡人数的27.8%。2007年，我国煤矿安全事故死亡3786人，其中，瓦斯灾害事故死亡1084人，占我国煤矿事故总死亡人数的28.6%。2008年，我国煤矿安全事故死亡3215人。其中，瓦斯灾害事故死亡778人，占我国煤矿事故总死亡人数的24.2%。2009年，我国煤矿安全事故死亡2631人，百万吨死亡率下降为0.892。其中，瓦斯灾害事故死亡人数为775人，占我国煤矿事故总死亡人数的28.7%。上述事故数据说明:虽然近几年我国煤矿死亡总人数和百万吨死亡率持续下降，但瓦斯灾害死亡人数仍占我国煤矿

4、事故总死亡人的24-29%，瓦斯灾害仍将严重制约着我国煤炭工业的发展。我国突出矿井产量约占世界突出矿井总产量的 24%，累计突出次数约占世界总突出次数的 40%以上。在西方发达国家，煤与瓦斯突出矿井是不允许开采的，但由于我国国内的煤炭资源有限和地域的复杂性，煤与瓦斯突出矿井不得不进行开采。因此，加强对煤与瓦斯突出预测的研究，查明煤层瓦斯突出危险区，对可能的瓦斯突出点进行预报防治，在我国尤为重要。煤与瓦斯突出是我国煤矿生产中所面临的一种主要的瓦斯灾害，在矿井下采掘过程中发生的一种瓦斯突然从煤层中大量涌出的复杂动力现象，它严重威胁着矿井安全生产和煤矿职工的人身安全。自1834年法国鲁阿尔煤田依萨克

5、矿井发生了世界上有记载的第一次突出至今，发生突出的国家有我国、前苏联、法国、波兰、日本和美国等20多个国家。据不完全统计，迄今共发生3万多次突出事故。其中，世界上最大的一次突出发生在年7月13日前苏联顿巴斯矿区加加林矿井，突出煤14000吨，喷出瓦斯达250万m3。我国首次有记载的煤与瓦斯突出是在1950年5月2日辽源矿务局富国矿二井发生的。随着我国煤炭工业的飞速发展，矿井数目和开采深度日益加大，突出危险性也日益增大。我国迄今累计突出次数约1.6万次。占世界突出总次数的35%。其中，1975年8月8日重庆市天府三汇矿一井 +280m水平主平硐揭Kl煤层时发生的突出强度最大，突出煤量12780t

6、，瓦斯140万m3。我国最大的突出死亡事故于2005年2月14日发生在辽宁省阜新矿业集团有限责任公司孙家湾煤矿。由于冲击地压造成该矿3316风道外段突出而引发特别重大瓦斯爆炸事故，该事故共造成214人死亡，30人受伤。煤与瓦斯突出除造成大量的人员伤亡和财产损失外，还容易引起风流紊乱、短时逆转和瓦斯爆炸等许多次生灾害。煤与瓦斯突出严重地影响巷道掘进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井的采掘接替的正常衔接带来了很大的困难。同时由于突出的影响，使煤矿在安全装备上要有更多的投入，在突出防治措施上要花费更大的精力，同时要花费更多的人力和财力用于突出防治。随着煤与瓦斯突出事故的不断发生，人们对突出的认识也逐

7、渐增强。各采煤国家投入了大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究，到目前为止，提出的关于突出机理的假说已有十几种，在一些方面取得了进展，但由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程的复杂性，对于突出的原因、过程及一些细节还不十分明确，现场存在着相当一些特殊的突出现象。也无法解释，问题还远远没有得到彻底解决。如何有效防治煤与瓦斯突出，从而减少其带来的巨大损失是科研人员急需攻克的课题。1.2国内外研究现状1.2.1煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，要防止突出带来的危害，必须了解和掌握这种灾害发生和发展的规律，以便采取正确的防治方法和措施。因此，

8、自从1834年法国发生世界上第一次突出以来，人们就一直在研究煤与瓦斯突出的机理问题。特别是本世纪以来，人们从突出现场和实验室对突出进行了细致的观察，积累了成千上万次的突出记录，总结了历年来突出防治的成功经验与失败的教训，提出了瓦斯主导作用说、地应力主导作用说、煤质主导作用说、综合作用说等。苏联的B.B霍多特在对煤样进行了大量试验的基础上用弹性力学的方法分析了突出过程，给出了突出的能量方程。巴普洛夫通过大量的突出现场观测后，提出了关于突出机理的应力分布不均匀假说。20世纪八十年代以来，我国学者在突出机理的研究方面有了新的发展，郑哲敏院士通过量纲分析和能量对比方法研究，指出发生突出的能量主要来自煤

9、体中的瓦斯能。俞善炳研究员、丁晓良博士对理想一维突出模型进行了分析，给出突出波阵面后的气固两相流的质量守恒方程和动量守恒方程，并认为煤的破碎与瓦斯渗流的祸合是煤与瓦斯突出的内在因素。八十年代许多学者认为煤和瓦斯突出就是有瓦斯作用的冲击地压，并提出了冲击地压和突出的统一失稳理论，九十年代人们又提出了含瓦斯煤岩突出的流变假说、煤与瓦斯突出的球壳失稳假说、煤与瓦斯突出的关键层一应力墙理论模型、煤和瓦斯突出固流祸合失稳理论数学模型。苏联学者A.T.艾鲁尼研究了瓦斯对煤的微观结构的影响；E.B.维诺库罗夫等人通过拉伸试验研究了无烟煤在瓦斯介质中弹性模量的变化；A.M.KaMoB等人用硬度计分别测定了井下

10、和实验室常压下的不同瓦斯成分介质中煤体的硬度、用X射线测定在瓦斯介质中煤分子之间的间距、用落锤法在密封缸内常压瓦斯介质下测定煤的硬度变化，分别得出了煤在瓦斯介质条件下硬度呈现下降的结论。这些都是在常压瓦斯吸斯介质条件下煤的强度性质，得出的结论是吸附瓦斯降低了煤的强度。姚宇平、周世宁、林柏泉，研究了瓦斯压力、气体种类及围压对煤的强度和变形的影响，结果表明：含瓦斯煤的强度有所降低，变形特征也有所改变，并得出了含瓦斯煤体的莫尔强度变化特征。靳钟铭和赵阳升等学者也对含瓦斯煤的力学性质作了研究，他们的研究结果表明，瓦斯的作用使煤的强度降低。何学秋研究含瓦斯煤体的流变力学性质提出了孔隙气体对煤体“蚀损”的

11、概念，并揭示了瓦斯气体对煤体损伤的作用规律和机理。这些理论和假说在人们不断探索煤与瓦斯突出机理的过程中发挥了重要的作用。归纳起来，主要有以下几种类型:（1）瓦斯作用说这类假说认为媒体内储存的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。其代表有“瓦斯包说”，“粉煤带说”和“煤孔隙结构不均匀说”等等。（2）地应力作用说这类假说认为，突出主要是高地应力作用的结果。主要代表有“岩石变形潜能说”、“应力集中说”和“应力叠加说”等。（3）综合作用假说这一类假说认为突出是由地应力、瓦斯压力及煤的力学性质等因索综合作用的结果。主要有“分层分离说”、“游离瓦斯说”、“能量假说”和“应力分布不均匀说”等。在综合假说的多种说

12、法中又以苏联B.B.霍多特的能量假说影响最大。霍多特认为突出是煤的变形潜能W和瓦斯内能突然释放所引起的近工作面煤体的高速破碎并推断出激发突出的三个条件可表述为如下三个公式: 激发突出的第一条件对于回采 W+ F+U对于掘进 WF+U对于石门揭煤W+QF+U式中:W一煤的变形潜能；一顶板岩石的动能;Q一煤内游离瓦斯所含的内能;F一煤向巷道的移动功;U一煤的破碎功。 激发突出的第二条件是:VPVX式中: VP一煤的破碎速度;VX一煤裂隙中瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。 激发突出的第三条件，它要求在煤破碎完成之前瓦斯压力应大于比已破煤的抛出阻力。测试与计算表明，在瓦斯矿井激发突出的第二与第三条

13、件实际上总是可以满足的，因此，能否满足第一条件便成为发生突出的主要而必需的条件。霍多特认为，只有当煤中的应力状态突然改变时，煤层可能产生高速破碎，下述原因可以引起煤中应力状态突然改变;a、煤中坚硬区段或坚硬包裹体的承载能力以脆性破碎的形式消失了;b、围岩作用于煤层的动载荷;c、放炮落煤时，巷道迅速进人煤层;d、放炮揭开煤层。进入20世纪80年代，突出机理的研究有了新的发展。1989年余楚新建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。1990年周世宁和何学秋提出了流变假说，认为煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后地应力与孔隙瓦斯气体祸合的一种流变过程。1990年周世宁研究了瓦斯在煤层中流动的机理，认为瓦

14、斯在孔隙结构中的流动主要是扩散，符合菲克定律，在煤层裂隙系统的流动属于渗流，符合达西定律。1995年梁冰和章梦涛提出固流耦合理论。1995年蒋承林和俞启香提出地壳失稳假说，认为煤和瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并形成的煤壳失稳破坏。上述表明煤与瓦斯突出机理的研究主要有三个方面:a、对突出过程及突出特征的解释;b、对突出的力学实验研究;c、用数学力学方法对突出模型的研究。煤与瓦斯突出机理的研究加深了对突出这一复杂现象的认识，也为煤矿现场采取适当的防治措施提供了依据。但至今为止，人们普遍接受了突出是地应力、瓦斯压力和媒体强度综合作用的结果，对于突出过程是如何发

15、生与发展的还没有得出统一的认识，上述的各种假说都只能解释某些现场的突出现象。1.2.2煤与瓦斯防突措施1 )国外现状 世界上有20个主要产煤国家都有煤与瓦斯突出问题。前苏联煤矿突出危险性是世界上最严重的，曾发生过多次重大突出事故。波兰煤矿突出危险性仅次于前苏联，特别是西里西亚煤田突出频繁。日本北海道煤田及空知煤田有煤与瓦斯突出，每年发生10多次。德国煤与瓦斯突出主要发生在萨尔煤矿和伊苯比伦煤矿，平均每年10多次。其他国家如澳大利亚、加拿大、比利时、英国和保加利亚等国都发生过突出事故。这些国家采用下列安全开采方法或卸压方法lz，使高应力区的应力重新分布或释放而有效防突。(1)安全开采方法。开采解

16、放层方法20世纪80年代在前苏联、英国和德国得到广泛应用，形成了一套完整的防突措施。(2)卸压钻孔。在不可能应用开采解放层进行大面积卸压时，选用钻大直径钻孔进行局部卸压。原联邦德国煤矿成功地打直径95一140mm卸压钻孔，使工作面前方5-10m范围内经常处于卸压状态。法国普罗旺斯煤矿采用结果改进的卸压技术以2-3m的间距向煤层打直径95mm、长2025m的钻孔。(3)松动爆破。在一些国家，松动爆破被认为是有效的防突方法。它能诱发煤和岩体中积蓄的弹性变形能而诱发突出。2 )国内现状我国20世纪50年代初首次成功采用密闭巷道和钻孔预抽了开采层瓦斯。20世纪50年代后期，成功实现邻近层瓦斯抽采技术，进行了开采保护层的区域性防突措施以及石门揭煤、煤巷掘进工作面局部性防突措施的研究。20世纪60年代中期至70年代