防突知识讲座.doc

防 突 知 识
一、 概述
1、 什么叫煤与瓦斯突出？
煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内（几秒到几分钟），从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤（岩）和瓦斯（CH4、CO2）的现象，称为煤与瓦斯突出。
2、 煤与瓦斯突出机理
  突出的机理是关于解释突出的原因和过程的理论。突出是十分复杂的自然现象，它的的机理还没有统一的见解，假说很多。多数人认为，突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果。
  在回采和掘进工作面前方煤层形成所谓“极限应力状态区”，该区内煤层的完整性遭到破坏，但与围岩还保持着力学上的联系。明煤层的稳定性由煤层内部向外部逐渐下降，透气性则逐渐增强，游离瓦斯含量增高，产生了沿巷轴方向的瓦斯压力梯度，此时的煤壁强度已处于一触即溃的极限状态。当工作面瞬间向前推进（如震动放炮是），或煤层、围岩的强度发生变化，或煤层突然卸压、增压等情况下，处于极限应力状态的部分煤体突然破碎卸压，发出巨响和冲击。同时突然释放的高压瓦斯开始膨胀形成瓦斯流，瓦斯作用在破碎煤体的推力向巷道自由方向突然增加几倍至几十倍，使破碎煤体得以随高速瓦斯流被搬运和抛出。
新暴露煤体所受支撑压力（包括前期突出所产生的动压）如果大于煤体的强度，煤体将由外向内连续剥离破碎，与此同时进一步向煤体深部发展。
    在突出进行的过程中，或由于煤、岩力学性质的变化，或由于喷出物的堵塞作用，煤层能够达到新的力学平衡，突出得以终止。但是突出孔周围煤壁和突出的煤炭中，还能继续涌出大量瓦斯。
    因此地压、重力、煤的结构特点等因素，是激发突出的条件，瓦斯则是实现突出的必要条件。
3、 煤与瓦斯突出的危害？
它是另一类型的瓦斯特殊涌出，也是煤矿地下开采过程中的一种动力现象。它所产生的高速瓦斯流（含煤粉或岩粉）能够摧毁巷道设施，破坏通风系统，甚至造成风流逆转；喷出的瓦斯由几百到几万m3，能使井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸；喷出的煤、岩由几千吨到万吨以上，能够造成人流埋人；猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。
      全国一次性死亡3人以上煤与瓦斯突出事故统计
年      份
事 故 起 数
死 亡 人 数
2006
40
264
2007
    36
257
2008
34
283
4、突出的一般规律
  大量突出资料的统计分析表明，突出具有一般的规律性。了解这些规律，对于制定防治突出的措施，具有一定的参考价值。
（1） 突出发生在一定的采掘深度以后。每个煤层开始发生突出的深度差别很大，最浅的突出矿井是湖南白沙矿务局里王庙煤矿仅50m，应该说随着采掘深度增加，突出危险性越大，突出强度增大。
（2） 突出多发生在地质构造附近，如断层、褶曲、扭转和火成岩侵入区附近。据南桐矿务局统计，95%以上的突出发生在向斜轴部、扭转地带、断层和褶曲附近。北票矿务局统计，90%以上的突出发生在地质构造区和火成岩侵入区。（安徽省62号文对地质构造专门要求：采用物探、钻探等手段探测突出煤层采掘工作面前方地质构造，遇有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层赋存条件急剧变化等情况时，须按突出危险工作面采取防突措施。采掘工作面遇构造煤层不连续时，再次进入煤层采掘作业须执行石门揭煤有关规定）
（3） 突出多发生在集中应力区，如巷道的上隅角，相向掘进工作面接近时，煤层留有煤柱的相对应上、下方煤层处，回采工作面的集中应力区内掘进时，等等。
防突规定第二十二条:在同一突出煤层正在采掘的工作面集中应力范围内，不得安排其他工作面进行回采或者掘进。具体范围由矿技术负责人确定，但不得小于30m。
突出煤层的掘进工作面应当避开临近煤层采煤工作面的应力集中范围。
在突出煤层的煤巷中安装、更换、维修或回收支架时，必须采取预防煤体垮落而引起突出的措施。
（4） 突出次数和强度，随煤层厚度、特别是软分层厚度的增加而增加。煤层倾角愈大，突出的危险性也愈大。
（5） 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、含量小的煤层可能发生突出；压力高，含量大的煤层也可能不突出。因为突出是多种因素综合作用的结果。
（6） 突出煤层的特点是强度低，而且软硬相间，透气系数小，瓦斯的放散初速度高，煤的原生结构遭到破坏，层理紊乱，无明显节理，光泽暗淡，易粉碎。如果煤层的顶板坚硬致密，突出危险性增大。
（7） 大多数突出发生在放炮和落煤工序。
（8） 突出前常有预兆发生，如煤体和支架压力增大；煤壁移动加剧，煤壁向外鼓出，掉渣，煤块迸出；破裂声，煤炮声，闷雷声；煤质干燥，光泽暗淡，层理紊乱；瓦斯增大或忽大忽小；煤尘增多；气温降低；顶钻或夹钻等。
4、 突出预兆
突出预兆主要有三个方面：
1） 煤层结构、构造
预兆有：煤层层理紊乱，软硬不均或变软，煤暗淡无光，煤层受挤压，厚度变大，倾角变陡，煤层干燥等。
2） 地压增大
如来压声响，支架折断，煤炮声，煤岩开裂，煤壁外鼓，片帮，掉渣，底鼓，打钻时顶钻、夹钻等。
3） 瓦斯及其他（也称无声预兆）
主要预兆有：瓦斯涌出异常，忽大忽小，闷人，煤尘增大，煤或气温变冷，顶钻喷瓦斯、喷煤等。
二、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施
1、 区域性防突措施
1） 开采保护层：
1 地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。
2 煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。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。
  2)  预抽煤层瓦斯
    对于无保护层或单一突出危险煤层的矿井，可以采用预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施。这种措施的实质是，通过一定时间的预先抽放瓦斯，降低突出危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度提高等效应，使被抽放瓦斯的煤体丧失或减弱突出危险性。
防突规定第四十九条：采取各种方式的预抽煤层瓦斯区域防突措施时，应当符合下列要求;
(一) 穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制区段内的整个开采块段、两侧回采巷道及其外侧一定范围内的煤层。要求钻孔控制回采巷道外侧的范围是：倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m，其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m。
(二) 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制整条煤层巷道及其两侧一定范围内的煤层。该范围与本条第（一）项中回采巷道外侧的要求相同；
(三) 顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制整个开采块段的煤层；
(四) 穿层钻孔预抽石门(含立、斜井等)揭煤区域煤层瓦斯防突措施应当在揭煤工作面距煤层的最小法向距离7m以前实施（在构造破坏带应适当加大距离）。钻孔的控制范围是：石门和立井、斜井揭煤处巷道轮廓线外12m（急倾斜煤层底部或下帮6m），同时还应当保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线（包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线）的最小距离不小于5m，且当钻孔不能一次穿透煤层全厚时，应当保持煤孔最小超前距15m；
(五) 顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制的条带长度不小于60m，巷道两侧的控制范围与本条第（一）项中回采巷道外侧的要求相同；
(六) 当煤巷掘进和采煤工作面在预抽防突效果有效的区域内作业时，工作吗距未预抽或者防突效果无效范围的前方边界不得小于20m；
(七) 厚煤层分层开采时，预抽钻孔应当控制开采的分层及其上部至少20m、下部至少10m（均为法向距离，且仅限于煤层部分）。
2 、 局部防突措施
1） 松动爆破
松动爆破是向掘进工作面前方应力集中区，打几个钻孔装药爆破，使煤体松动，集中应力区向煤体深部移动，同时加快瓦斯的排出，从而在工作面前方造成较长的卸压带，以预防突出的发生。松动爆破分为深孔和浅孔两种。深孔松动爆破一般用于煤巷或半煤岩巷掘进工作面，钻孔直径一般为40～60mm，深度8～15mm（煤层厚时取大值）。浅孔松动爆破主要用于采煤工作面。
2） 钻孔排放瓦斯
预抽瓦斯和钻孔排放瓦斯在防治煤与瓦斯突出作用机理方面是相同的，都是力求将突出煤层中的瓦斯含量与煤层中的应力降低到不能发动突出的安全范围内。抽放瓦斯与钻孔排放瓦斯的区别在于：前者借助于机械产生的小于大气压力的负压，加速突出危险煤层中的瓦斯排放，而后者是靠突出危险煤层中的瓦斯压力，使瓦斯从钻孔周围深部煤层中不间断地流向钻孔，并通过钻孔向矿井空气中扩散。当钻孔周围煤层中瓦斯含量降低后，煤层发生的收缩变形，改善石门工作面压力集中状态，并增加煤层的稳定性，从而破坏或减弱发生突出所必须的条件，可有效地控制煤与瓦斯突出的发生。
3） 水力冲孔与抽放、排放钻孔作用一样，也是为了排除煤层中的瓦斯，降低煤层瓦斯含量和应力。其不同之点是：水力冲孔是借助于水压，快速破坏钻孔孔低前方的煤体，形成新的暴露面，使钻孔周围的压力发生突变，瓦斯压力梯度陡增，诱发钻孔内产生突出。由于钻孔孔口断面小，并用特殊的孔口装置加以控制，因而，孔内的突出是可控的。当孔口排渣通畅时，孔内突出将得到延续；当孔口排渣不畅通或被堵塞时，孔内瓦斯压力陡增，煤层暴露面上的瓦斯压力梯度降低或消失，则突出被迫停止；当需要再冲孔时，只要疏通钻孔，使孔内瓦斯压力突降，则钻孔内的突出又将重新恢复，借此控制释放煤层中的突出能量。由于应力的作用，冲孔完毕后所形成的洞穴附近的煤层产生位移，洞穴充满碎煤，使空穴周围煤体中的应力得到释放，煤层中的瓦斯得到排放，措施的有效范围也随之增大，防治突出的效果有明显的提高。
4） 金属骨架    是一种超前支架，适用于急倾斜且厚度不大的松软突出煤层。
5） 超前钻孔      它是在煤巷掘进工作面前方始终保持一定数量的排放瓦斯钻孔。它的作用是排放瓦斯，增加煤的强度，在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。超前钻孔孔数决定于巷道断面积和瓦斯排放半径。钻孔在软煤中的排放半径为1～1.5m，硬煤中可能只要几十厘米。平巷掘进工作面每平方米一般布置3～5个钻孔，孔径75～120mm。孔径应超前工作面前方的应力集中区，一般情况下它的数值为3～7m，所以孔深不小于10～15m。掘进时钻孔至少保持5m的超前距离。
3、区域措施效果检验
1） 开采保护层的效果检验主要是采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量、顶底板位移量及其他经试验证实有效的指标和方法。
2） 对预抽煤层瓦斯区域进行检验时，应当根据经试验考察确定的临界值进行评判。在确定前可以按如下指标进行评判：可采用残余瓦斯压力指标进行检验，如果没有或者缺少残余瓦斯压力资料，也可根据残余瓦斯含量进行检验，并且煤层残余瓦斯压力小于0.74MPa或残余瓦斯含量小于8m³/t的预抽区域为无突出危险区，否则，即为突出危险区，预抽防突无效；也可以采用钻屑瓦斯解析指标对穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验，如果所有实测的指标值均小于下表中的临界值则为无突出危险区，否则，即为突出危险区，预抽效果无效。
  但若在检验期间在煤层中进行钻孔作业时发现了喷孔、顶钻及其他明显突出预兆时，发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施失效，所在区域煤层仍属突出危险区。
  钻屑瓦斯解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性的
参考临界值
煤  样
Δh2指标临界值/Pa
K1指标临界值[mL/（g.min½）ˉ1]
干  煤  样
200
0.5
湿  煤  样
160
0.4
  4、工作面措施效果检验
1）、对石门和其他揭煤工作面进行防突措施效果检验时，应当采用钻屑瓦斯解吸指标法或经试验证实有效的方法，但所有用钻孔方式检验的方法中检验孔数均不得少于5个，分别位于石门的上部、中部、下部和两侧。
如检验结果的各项指标都在该煤层突出危险临界值一下，且未发现其他异常情况，则措施有效；反之，判定为措施无效。
    2）、煤巷掘进工作面执行防突措施后，应当选择下列方法进行效果检验：
        a、钻屑指标法；
        b、复合指标法；
        c、R值指标法；
        d、其他经试验证实有效的方法。
    检验孔应当不少于3个，深度应当小于或等于防突措施钻孔。
如果煤巷倔强工作面措施效果检验指标均小于指标临界值，且未发现其他异常情况，则措施有效；反之，判定为措施无效。
3） 采煤工作面防突措施效果检验方法同掘进工作面防突措施效果检验方法。但应当沿采煤工作面每隔10～15m布置一个检验孔，深度应当小于或等于防突措施钻孔。
5、 安全防护措施
1） 有突出煤层的采区必须设置采区避难所。
2） 在突出煤层的石门揭煤河煤巷掘进工作面进风侧，必须设置2道牢固可靠的反向风门。风门之间的距离不得少于4m。
3） 为降低爆破诱发突出的强度，可根据情况在炮掘工作面安设挡栏。挡栏可以用金属、矸石或木垛等构成。
4） 井巷揭穿突出煤层和突出煤层的炮掘、炮采工作面必须采取远距离爆破安全防护措施。石门揭煤采用远距离爆破时，必须制定包括爆破地点、避灾路线及停电、撤人和警戒范围等的专项措施。远距离爆破时，回风系统必须停电、撤人。爆破后进入工作面检查的时间由矿技术负责人确定，但不得少于30min。
5） 突出煤层的采掘工作面应设置避难所或压风自救系统。应根据具体情况设置其中之一或混合设置，但掘进距离超过500m的巷道必须设置工作面避难所。
4、 石门揭煤
1、 防突规定第六十二条：石门和立井、斜井工作面从突出煤层底（顶）板的最小法向距离5m开始到穿过煤层进入顶（底）板2m（最小法向距离）的过程均属于揭煤作业。揭煤作业前应编制揭煤的专项防突设计，报煤矿企业技术负责人批准。
1） 探明揭煤工作面和煤层的相对位置；
2） 在与煤层保持适当距离的位置进行工作面预测（或区域验证）；
3） 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；
4） 实施工作面措施效果检验；
5） 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验证；
6） 采取安全防护措施并用远距离爆破揭穿或穿过煤层；
7） 在岩石巷道与煤层连接处加强支护。