专题-煤与瓦斯突出防治与研究现状.doc

1、专题部分煤与瓦斯突出防治与研究现状摘要：煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一。随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力等日益加大，原来非突出矿井变为突出矿井，原来已有的突出矿井的突出危险性越来越严重，明确突出的机理并根据机理制定有效的防突措施尤为重要。本文对煤与瓦斯突出的机理及防治突出的现状进行了研究，并对防突技术的发展进行了探讨。关键词: 突出机理；突出防治技术；“四位一体”；防突技术发展探讨1 概述1.1煤与瓦斯突出的概念煤与瓦斯突出是煤矿井下采煤过程中发生的最严重的灾害之一。煤矿地下采掘过程中，在很短的时间内（数分钟）内，从煤（岩）壁内部向采掘空间突然喷出煤（岩）与瓦斯的动力现象

2、，称为煤（岩）与瓦斯突出，简称瓦斯突出或突出。突出能摧毁井巷设施，破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤（岩）抛出物，能造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产中断等。1.2煤与瓦斯突出的危害1834年3月22日，法国伊萨克矿井发生了世界上第一次有记载的突出。支架工架棚子时，发现煤壁外移，三个工人立即撤离，但煤炭冲入巷道13 m，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没，一人窒息死亡，一人幸免于难。迄今为止，世界各主要产煤国家都发生过煤与瓦斯突出现象。世界上最大的一次煤与瓦斯突出发生在1969年7月13日前苏联加加林矿，在710 m水平至石门揭穿仅1.03 m煤层时，发生了这次突出，

3、突出煤14000 t，瓦斯25万方。我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。我国发生的第一次有记载的突出是1950年吉林省辽源富国西二矿在垂深280m煤巷掘进时发生的突出。我国发生的最大的一次突出是1957年8月8日，天府三汇坝一井+280 m主平硐震动性爆破揭穿煤层时发生了突出，突出煤岩12780 t（煤占60%，岩石占40%）、瓦斯140万方。1975年6月13日吉林营城五井在垂深439 m处全岩掘进巷道爆破时发生我国第一次砂岩与CO2突出，突出砂岩1005 t。目前，我国国有重点煤矿有煤与瓦斯突出矿井107处，占总数的17.6%，发生突出次数超过万次。2000.72009.5期间我国共

4、发生煤与瓦斯突出事故248起，遇难1395人。其中一次死亡10人以上的突出事故共发生38起，死亡579人。煤与瓦斯突出灾害已经越来越引起煤炭行业与国家的重视，同时国家也在加大煤与瓦斯突出灾害的防治研究与措施的制定。表1-1 2000.72009.5 死亡10人以上的突出事故明细表序号事故时间事故单位企业性质死亡人数12000-07-12云南省富源县合乐武煤矿乡镇1822001-05-26湖南邵阳市隆回县大国煤矿地方国有1732001-06-19湖北宜昌长阳县对舞溪煤矿乡镇1842002-01-14湖南娄底市冷水江资江煤矿国有地方1852002-04-22重庆中梁山南矿国有地方1162002-0

5、5-04湖南涟源市湄江镇赛海矿乡镇1172002-05-15湖南新化县温塘镇新源煤矿乡镇1882002-05-26湖南涟源市枫坪镇青树煤矿乡镇1592002-12-18贵州金沙县兴化三号煤矿乡镇12102003-10-17重庆天府三汇坝一矿国有地方10112003-10-28重庆綦江县万隆煤矿乡镇12122003-11-15云南昭通市扎西镇煤矿乡镇10132004-12-19四川兴文县银方煤矿乡镇14142004-12-31湖南郴州嘉禾县珍珠岭煤矿乡镇10152005-01-16重庆南川市南城街道煤矿乡镇12162005-06-08湖南娄底市资江煤矿原国有地方22172005-08-25贵州仁

6、怀县大坝镇煤矿乡镇15182004-07-26湖南涟源市安平镇煤矿乡镇16192004-10-20重庆松藻矿务局逢春矿国有地方13202006-02-10河南郑煤集团马岭山煤矿国有地方15212006-02-25湖南邵阳市隆回县大国煤矿民营股份制18222006-03-12湖南郴州永兴县高坪煤矿乡镇11232006-03-26毕节地区纳雍县五轮山煤矿国有地方15242006-05-10四川兴文县石林镇坳田煤矿乡镇11252006-07-29云南富源县白龙山煤矿股份制11262006-12-03湖南涟源市安平镇观音一矿乡镇12272006-12-13湖南衡阳市常宁市裕民煤矿国有地方1228200

7、7-03-27贵州水城矿业注家寨煤矿乡镇10292007-03-14河南荥阳县贾峪煤矿乡镇10302007-04-19河北峰峰矿业集团大淑村矿国有重点17312007-11-08贵州毕节地区群力煤矿乡镇29322008-01-18重庆南川县高桥煤矿乡镇13332008-03-14云南威信县三桃乡煤矿乡镇14342008-08-01河南平煤集团平禹四矿国有地方14352008-09-21河南登封新丰二矿国有地方37362008-10-12四川江安县红桥镇幸福煤矿乡镇10图1-1 2000.72009.5我国煤与瓦斯突出遇难人数柱状图图1-2 2000.72009.5我国煤与瓦斯突出事故曲线图综合

8、分析可知，2000年以来，随着煤炭形势日益好转，为了追求经济效益，全国各煤矿都加大了生产力度，一味追求产量而忽视了生产安全，造成煤与瓦斯突出事故频频发生，其中2002、2003年分别达到了近年来突出死亡人数和突出事故起数之首。由于国家加大了煤矿安全监管力度，2003年以后突出事故明显减少，因突出造成的死亡人数也有所下降，其中2005年达到近年来最低。尽管如此，突出事故仍时有发生，并且一直严重威胁工人的生命和国家财产安全，为了减少直至消除突出造成的危害，必须采取有效的防治突出的措施，而要防治突出，首先就必须研究突出的机理。2 煤与瓦斯突出的机理煤与瓦斯突出机理是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及过

9、程的理论。由于煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象，影响突出的因素众多，发生原因复杂，到目前为止，对各种地质、开采条件下突出发生的机理还没有完全掌握，大部分是根据现场统计资料及实验室研究提出的各种假说。这些假说可以分为三类：1）“以瓦斯为主导作用的假说”认为煤内存储的瓦斯在突出中起着主要的作用；2）“以地应力为主导作用的假说”认为突出主要是地应力作用的结果；3）“综合作用假说”认为突出是地应力、瓦斯压力和煤的结构性能综合作用的结果。以地应力为主导的假说，不能解释突出时煤的分选现象及生成大量的粉煤，并在突出时能喷出数十万乃至上百万立方米的瓦斯，可以逆风流运行并充满数千米长的巷道等现象。以瓦斯为主

10、导作用的假说不能解释煤层的揭开和过煤门时的突出。其中，“综合作用假说”由于全面考虑了突出发生的作用力和介质两方面的主要因素，得到了国内外大多数学者的认可。2.1决定突出发生的因素和条件绝大多数的研究者都认为煤与瓦斯突出由地应力、包含在煤中的瓦斯和煤的结构（包括其力学性质）三个因素决定，突出过程中，地应力、瓦斯压力是发动和发展突出的动力，煤的结构则是阻碍突出发生的因素，它们存在于一个体系（突出煤层及围岩）之中，有着极为密切的内在联系，既互相依赖，又互相制约。地应力1）地应力场是一个自然应力场，它由自重应力场、构造应力场和温度应力场组成。自重应力场是由上覆岩体的自重造成的。温度应力场属于静水压力应

11、力场，随深度增加而增加，在同一深度，温度应力仅为自重应力垂直分量的1/8。构造应力场是构造运动在发展过程中形成的应力场。一个地区可能发生多次构造运动，因而其构造应力场往往是新、老应力场叠加在一起的复杂应力场。构造应力场具有很高的水平应力，并且应力分布不均匀。中国的突出大都发生在构造应力增高地带，这些应力增高带有：（1）封闭向斜轴附近；（2）煤层厚度变化带；（3）帚状构造的收敛端；（4）煤包及分岔煤；（5）煤层的扭转区；（6）压性、压扭性小断层；地应力的表现为：（1）使围岩或煤层产生弹性变形，导致煤体产生突然破坏和位移；（2）控制瓦斯压力场。高的地应力可导致煤层中瓦斯应力的增大；（3）决定着煤层

12、的透气性。地应力增高，煤层透气性降低，煤体中瓦斯不易排放，将造成瓦斯压力梯度增高，而煤体一旦破坏，透气性增大，又会提高煤体中的瓦斯放散能力。导致应力状态突然改变变化的原因有：（1）巷道进入地质破坏区；（2）石门揭开煤层；（3）工作面迅速推进；（4）巷道从硬煤进入软煤带；（5）煤层突然加载；（6）煤层突然卸压。发生突出的第一个必要条件是：煤层和围岩具有较高的地应力和瓦斯压力，并且工作面地带煤层的应力状态突然变化。2）煤中的瓦斯以游离状态和吸附状态存在于煤层裂隙和孔隙中的瓦斯，对煤体有三方面的作用：（1）全面压缩煤的骨架，促使煤体产生潜能；（2）吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起着楔子作用，降低煤的

13、强度很大的瓦斯压力梯度形成作用于压力降低方向的力；（3）突出发生时，煤体潜能的释放使煤体发生破碎并产生移动，而瓦斯的解吸又使煤的破碎和移动进一步加强；由于瓦斯流不断地把碎煤抛出，使突出孔洞壁始终保持一个较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，使煤的破碎不断向深部发展。煤与瓦斯突出发展的第二个必要条件是：有足够的瓦斯流把碎煤抛出。3）煤结构及其力学性质煤结构和力学性质对突出的影响很大。煤质愈硬、裂隙愈小，所需的破坏力愈大，要求的瓦斯压力和地应力愈高;反之亦然。在地应力和瓦斯压力一定时，软煤层易被破坏，且由于软煤层存在的大量裂隙的连通性差，煤体的透气性差，易于出现大的瓦斯压力梯度，因而突出往往只沿软煤层发

14、展。在成煤过程和历次地质构造运动中造成的煤结构和力学性质沿煤层走向和倾斜方向的不均质性，不但给工作面附近煤体的应力状态突然变化创造了有利条件，并且还影响着突出的发展速度和突出孔洞的形状和尺寸。2.2 突出的过程突出是采掘工作面前方局部煤体内所积蓄的能量突然释放的过程。由采场的应力分布可知，采掘工作面前方煤体内存在一个集中应力带（如图2-1所示），这里的地应力高于原始煤体的应力，瓦斯压力接近于原始煤体的瓦斯压力。在无突出危险地正常情况下，随着工作面的推进，这个集中应力带也以大体上和落煤差不多的速度向前移动，这时工作面煤壁发生着比较均匀和缓慢的压出，工作面前方煤层的顶板也以一定的速度接近，使煤层的弹性能得到缓慢而均匀的释放，瓦斯涌出也比较均衡。图2-1 突出前工作面前方地应力与瓦斯压力的变化1 突出孔；2硬煤体；3地质构造应力-工作面在、位置时的地应力分布；P、P-工作面在、位置时的瓦斯压力分布当出现突出危险时，可能有多种情况，但是它们的地应力曲线和瓦斯压力曲线大体上是类似的，即突出前工作面前方的地应力曲线和瓦斯压力曲线都显著变陡。首先见图2-1（a）的情况，煤体硬度不均匀，前方出现硬煤包裹体。当工作面由位置推进到位置时，地应力曲线变为，因为硬煤包裹体强度大，支撑能力强，集中应力值明显增高，应力梯度也变大（曲线变陡），在工作面由位置至位置的区段