煤与瓦斯突出防治技术讲座.doc

煤与瓦斯突出防治技术第一节 煤与瓦斯突出的危害煤与瓦斯突出是煤层开采过程中严重的自然灾害之一，是煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯参与的动力现象。煤与瓦斯突出发生时，能在几秒至几十秒的时间内将几吨到上万吨的煤和几百立方米到几百万立方米的瓦斯抛射到采掘空间。煤与瓦斯突出的危害极为严重，主要表现在如下五个方面：（1） 危及井下作业人员生命安全1971年，六枝矿务局大用矿突出煤量2000余吨，死亡99人，风流逆转，造成人员窒息，遇害人员多在距离突出地点700800米。1975年8月8日 天府矿务局三汇坝一井+280米水平（垂深500米）主平硐揭k1煤层时，突出煤（岩）量12700吨，喷出瓦斯量140万米3。这是我国所发生的最大的一次煤与瓦斯突出事例，也是世界上第二大突出事例。1999年12月26日沈阳矿务局红菱矿石门揭煤时发生特大型煤与瓦斯突出，突出煤量2000吨，瓦斯逆流2000多米，死亡28人，死亡28人。（2）破坏矿井正常的生产秩序（3）破坏井下设备和建筑物，如摧毁支架、推倒矿车、破坏通风设施（4）诱发其它灾害事故，如瓦斯煤尘爆炸、瓦斯燃烧1879年4月17日 比利时阿格拉波二号井上山掘进时发生了世界上第一例大强度突出，突出煤量420吨，喷出瓦斯量50万米3以上，喷出的瓦斯流从提升井冲出地面，距井口23米处的绞车房附近的火炉引燃瓦斯，火焰高达50米，井口建筑被烧成一片废墟，在突出2小时后火焰将要熄灭时，又连续发生了7次瓦斯爆炸，烧死3人，烧伤11人，整个事故造成124人伤生，是世界上首例特大煤与瓦斯突出事故。（5）严重影响矿井经济效益第二节 我国煤与瓦斯突出现状我国最早有记载的煤与瓦斯突出突出事例是1950年5月1日 辽源矿务局富国二井在垂深280米煤巷掘进时发生的，截止到2000年底，我国已累计发生突出15000余次，占世界各国总突出次数的40%以上，已成为世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家。目前，我国有800多个突出矿井，其中国有重点煤矿130个，地方煤矿300多个，乡镇煤矿400多个，各个采煤省份几乎都有突出矿井。严重突出的矿区有北票、六枝、南桐、天府、芙蓉、松藻、英岗岭、涟邵、白沙、焦作、鸡西、阜新、沈阳等，一般突出矿区有平顶山、淮南、淮北、丰城、萍乡、阳泉、鹤壁等 。1988年以前，年突出近千次，最多的一年是1980年,发生了1151次突出。1988年后，随着防治煤与瓦斯突出细则的颁步，我国突出矿井全面开以突出危险性预测、防治突出措施、措施效果检验和安全防护措施为标志的四位一体综合防突措施，年突出次数明显下降，目前年突出次数维持在200300次。河南省是我国的产煤大省。七十年代，突出主要发生在焦作局和安阳局龙山煤矿。目前，河南省的绝大多数矿区都发生过煤与瓦斯突出，而且突出具有日趋严重的趋势，已成为我国煤与瓦斯突出灾害最为严重的省份之一。 第三节 煤与瓦斯突出的分类与特征3.1 煤与瓦斯突出分类目前，我国将煤与瓦斯突出按成因和特征统一分为三类：（1）煤与瓦斯突出（简称为突出）；（2）煤与瓦斯压出（简称为压出）； （3）煤与瓦斯倾出（简称为倾出）。3.2 煤与瓦斯突出的基本特征正确区分煤与瓦斯突出的特征，在突出鉴定、制定防突技术措施时具有重要的指导意义。我国防治煤与瓦斯突出细则对各类煤与瓦斯突出的基本特征进行了详细的规定，现简述如下。（1）突出的基本特征突出的煤向外抛出距离较远，具有明显的分选性；抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉；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；有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远大于突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转；突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其它分岔形等。（2）倾出的基本特征倾出的煤就地按自然安息角堆积，并物分选现象；倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线压风自沿煤层倾斜或铅垂方向（厚煤层）发展；无明显动力效应；倾出常发生在煤质松软的急倾斜厚煤层中；巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量明显增大。（2）压出的基本特征压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出，但位移和排除的距离都较小；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；压出的煤呈块状，无分选显现；巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量增大；压出可能无孔洞或呈口大小腔小的楔形孔洞（如图3-1）。压出时常伴随巷道底鼓。图3-1 压出型煤与瓦斯突出突出物堆积及孔洞形式第四节 煤与瓦斯突出的机理煤与瓦斯突出机理是解释突出原因和描述突出发生、发展过程的理论。本节所谈的突出机理是针对上节第一类的瓦斯动力现象，即煤与瓦斯突出来进行分析。对突出的其它类型，如压出、倾出来说，其机理与突出相类似，仅是瓦斯动力现象的主要能量由所不同，倾出的主要能量是煤体自重，压出的地应力，而突出的主要能量是地应力和煤中所含的游离和吸附瓦斯。4.1 煤与瓦斯突出假说根据对矿井发生突出事例的分析以及实验室和现场的观测研究，对煤与瓦斯突出发生的原因，提出过许多假说。概括起来，突出假说大致有以下几类。(1)瓦斯假说这类假说认为，引起突出并促使其发展的主要因素是煤中所含的高压瓦斯。在这类假说中，“瓦斯包”假说占有重要的地位。这种假说的拥护者认为，在原始煤体中，存在着瓦斯压力比邻近区域高的多的“瓦斯包”，瓦斯包中的煤，松软、揉皱、裂隙发育，包周围煤体的透气性极小，使包中的高压瓦斯得以保存。当采掘工作面接近“瓦斯包”时，高压瓦斯则连同碎煤一起突出。至于“瓦斯包”如何形成，一般多认为是地质构造破坏的结果，也有人认为与火成岩活动有关。一些研究者认为，在“瓦斯包”中并不一定有高压瓦斯，而是强调在煤层和与其相了邻的围岩中，有空隙、裂隙异常发育的地段。由于在该地段煤层与围岩有裂隙网连通，使游离瓦斯大量增大。(2)地压假说这类假说把突出发生的原因归结为局部地区地应力的增大。在这类假说中，构造应力说占有重要的地位，构造应力说又可分为残余构造应力说和现代应力说两种。地层中产生地质构造需要又庞大的力量，即构造应力。残余构造应力说认为，尽管在久远的年代以前，地质构造已经形成，但在地质构造带煤层坚硬的围岩中，仍人残存着部分构造应力，即残余构造应力，其值远大于自重应力值。当巷道接近这些含有残余构造应力的岩层时，后者会像弹簧一样张开，释放其中储存的大量弹性潜能，引起突出。但在漫长的地质年代中，残余构造应力是否能保存下来，引起了较大的争议，所以又有人提出了现代构造应力说，即现代构造应力大的区域即为突出危险区域。(3)综合假说综合假说认为，突出是地应力、煤中所含瓦斯和煤的物理力学性质三因素综合作用的结果。煤与瓦斯突出是一种力学现象，综合假说全面考虑了突出动力（地应力、瓦斯）和阻力（煤强度）两个方面的主要自然因素，因此，该假说得到了国内外突出研究者的普遍认可。突出的发生与否取决于上述三因素的一定组合。对突出发生的区域条件来说，该区域的地应力越大，煤层瓦斯压力（含量）越高，煤越松软，则区域的突出危险性就越大。对采掘工作面发生的一次突出来说，除与上述三因素个参数的原始值有关外，而且还在很大程度上取决于工作面附近的应力 、瓦斯压力的分布状况和煤强度性质的变化。工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大，煤强度越不均质，则工作面的突出危险性也就越大。4.2 突出的发展过程煤与瓦斯突出并非瞬间完成的，它有一个发生发展过程。各类巷道发生的强度各异的突出，其发生、发展过程可能不尽相同。地音观测和突出堆积物情况表明，有些突出不是一次完成的，而是有多个循环。根据当前对突出的理论认识和为数不多的现场和试验室对突出的观测，可把典型突出归结为准备、激发、发展和终止四个阶段。(1) 准备阶段准备阶段指突出发生前工作面前方煤体及围岩中能量的局部积聚过程。在该阶段，在工作面前方形成较大的 应力集中，应力增大使煤体透气性降低，从而使瓦斯压力梯度提高，工作面前方煤体由三向应力状态转化为两向甚至单向应力状态，煤中产生新的裂隙。当石门工作面逐渐靠近煤层、在非均质煤层中的工作面逐渐接近坚硬的包括体、坚硬顶板条件下的采煤工作面悬顶面积逐渐加大以及工作面逐渐靠近地质破坏带时，都能使工作面前方煤层和围岩中积聚的能量逐渐增大。准备阶段形成的结果将使工作面处于突出危险状态，这时的工作面能显现有声和无声的各种突出预兆，此时如果停止工作面作业，那么突出将不会发生。(2) 激发阶段突出的激发阶段即为发动阶段该阶段的特征是工作面附近煤岩体应力状态的突然变化，使煤体突然破坏、位移、形成贯穿裂隙，发出巨响和冲击。这是由于顶底板的震动，煤层所受应力呈波动变化，煤体中瓦斯压力忽高忽低也呈波动变化；由于煤体中贯穿裂隙的形成，使瓦斯压力的作用面积增大几倍至十几倍；由于煤空隙率增大，部分解吸瓦斯转化为游离瓦斯。开采突出煤层的实践表明，下列几种情形易于引起应力状态突然变化而诱发突出：(1)石门揭煤；(2)工作面迅速推进到煤层，如炮作业、快速打钻；(3)工作面由硬煤区进入软煤区；(4)工作面靠近和进入地质构造带；(5)采煤工作面周期来压或初次来压；(6)急倾斜煤层煤突然冒落。(3) 发展阶段 该阶段的特征是煤体发生 煤体发生连续性的破碎，形成破碎波，以破碎的煤在高速瓦斯携带下向巷道抛出。应力状态突然变化后，形成了新的暴露面，使地应力和瓦斯压力重新分布，当这些力不足以使煤体继续破坏时，突出将停留在激发阶段。只有当激发阶段煤突然破坏的范围较大，使煤体破暴露面进入高地应力和高瓦斯压力区时，才会使煤体连续破碎。 突出模拟试验表明，煤体连续破碎是逐层进行的，煤体破碎是地应力和瓦斯压力共同作用的结果。突出的发展有赖于形成足以抛出破碎煤的瓦斯流，即必须实现煤的抛出，否则，已破碎的煤将原地堆积、逐渐堵塞，使瓦斯突出不能发展。形成瓦斯流的瓦斯源来自已破碎煤和周围已破坏的煤体。已破碎的煤由于撞击与磨擦而进一步破碎，还会由于煤块内外瓦斯压差的作用而粉碎成更小的粒度。煤的粉碎加快了煤中吸附瓦斯的解吸，更有助于瓦斯流的形成。突出发展过程可大致描述如下：当应力状态突然改变使瓦斯压力较大且解吸瓦斯初速度较快的煤体破碎时， 瓦斯涌出增大 ，形成了足以携带碎煤的的瓦斯流，瓦斯煤流由已破碎煤区段喷出，从而在煤层中形成最初的突出空洞。煤抛出后，空洞周围煤体的破碎向煤体深部发展，由于结构破坏的软煤分层容易破碎且在重力作用下，煤自上向下的垮 落，故破碎多沿软煤分层向上发展。当煤层强度非均质时，孔洞沿软煤发展，突出孔洞形成带有分岔的奇异形状，这是瓦斯压力参与煤破碎的良好证明。随着煤体破坏范围的增大和瓦斯涌出加剧，已形成的空洞内再次聚集大量的瓦斯，在一次形成瓦斯煤流向巷道喷出，这种煤破碎和喷出可能循环多次。当抛入巷道的煤足够多、瓦斯量足够大时，有可能在整个巷道形成足以携带大量碎煤的被称之为“瓦斯风暴”的瓦斯流，它可以将煤搬运几十或上百米距离。 突出发展阶段的持续时间一般为几十秒钟。我国中梁山煤矿实测的一次突出时间为39秒钟，俄罗斯 实测的突出时间为396秒钟。(4)停止阶段通常认为突出停止有两个原因：一是破碎发展遇到硬煤段，地应力和瓦斯压力不足以继续破坏煤体；二是突出的煤将孔洞堵塞，在充满碎煤的孔洞中形成了较高的瓦斯压力，降低了煤体前沿的瓦斯压力梯度，使煤不能继续破碎和抛出。突出停止后，从抛出煤、孔洞残留煤和孔洞周围已松动煤体中，还会不断大量涌出瓦斯，时间可能持续几小时或几天。根据以上对突出发展过程的分析，发生突出必须同时满足如下三个条件：（1）诱发因素（放炮落煤、石门揭煤、进入构造带、打钻等）使工作面附近煤（岩）体应力状态突然改变，并导致煤体局部的突然破坏这是突出的激发条件；（2）突出激发后，煤的暴露面处于高地应力和高瓦斯压力区，使煤体能产生自发连续破碎，这是突出的发展条件；（3）煤体和已破碎的煤能快速涌出瓦斯，足以形成能抛出已破碎煤的瓦斯流， 这是突出能发展的必要条件。第五节 煤与瓦斯突出的一般规律和突出预兆5.1煤与瓦斯突出的一般规律我国突出矿井大量突出事例统计表明我国所发生的煤与瓦斯突出具有以下一般规律。（1）煤层突出危险性随采深增加而增大对同一矿区、同一矿井、同一煤层来说，随着开采深度的增加，煤层突出危险性增大，在浅部开采为高瓦斯甚至为低瓦斯的矿井，开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，可能转变为突出矿井；一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井，开采到深部后，可能转变为严重突出矿井。矿井或煤层一般有一个始突深度，当小于该深度时，不会发生突出；当大于该深度时，就有发生突出的危险。（2）绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面在统计的9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占76%，石门揭煤工作面突出567次，占5.76%，回采工作面突出1556次，占15.8%。需要指出的是石门揭煤工作面突出次数少，并不代表石门揭煤突出危险小、危害轻，主要是因为矿井石门揭煤次数少。（3）煤层突出危险性随煤厚增加而加大对同一矿区、同一矿井来说，突出煤层厚度越大，突出危险性也越大。南桐矿务局三号井煤层厚度0.30.5m，平均突出强度2吨/次，最大突出强度5吨/次；五号煤煤厚0.70.8m，平均突出强度38吨/次，最大突出强度138吨/次；六号煤厚1.01.5m，平均突出强度43吨/次，最大突出强度450吨/次；而煤层厚度较厚的4号层，煤厚2.53.2m，平均突出强度88吨/次，最大突出强度5000吨/次，该局所有特大型突出都发生在该煤层，突出次数占全局突出次数的60%以上。在同一煤层，煤层由簿变厚，突出危险性也增大。（4）突出大多数发生在地质构造带在有严重突出危险的矿务局的3082次有地质构造情况详细记录的突出中，有2525次突出地点有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，占81.9%；有557次突出无地质构造，仅占18.1%。需要指出的是，对刚刚开始突出的突出矿井、突出煤层，突出几乎都和地质构造有关，而对突出已有几十年历史的严重突出矿井、突出煤层，当作业地点无地质构造时，也可能发生煤与瓦斯突出。（5）大多数突出前有作业方式诱导煤与瓦斯突出除由应力、瓦斯、煤质三个自然要素决定外，采掘作业也是一种诱导因素。我国8480次有明确作业方式记录的突出事例统计表明，有8253次有放炮、支护、落煤、带钻等作业方式诱导了突出，占97.3%，其中放炮作业突出5481次，占64.6%，风镐落煤突出676次，占8%，手镐落煤突出1102次，占13%，尽管风镐落煤和手镐落煤突出强度一般不大，仅1020吨，但由于施工人员在现场，一旦发生突出，势必造成人身伤亡事故。（6）突出前大多有预兆大多数煤与瓦斯突出事故发生前，都会出现程度不同的有声或无声预兆。在我国统计的5029次有明确突出预兆记载的突出事例中，有4493次突出发生前有突出预兆，占89.3%，无突出预兆仅有536次，占10.7%。（7）煤体破坏程度越高，突出危险性越大突出煤层结构特点是破坏程度高，多为、类煤，此类煤的共同特点是坚固性系数f值小、煤层瓦斯放散初速度p大、煤层透气性系数小、层理紊乱、多为遭受到地质构造揉皱的构造煤。（8）石门突出危险性最大在统计的9845次突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5吨/次，是平巷平均突出强度（50吨/次）的6倍以上。在各个地点所发生的突出中，采面突出强度最小 ，平均突出强度为15.2吨/次。（9）煤层突出危险区常呈条带状分布前苏联统计资料表明，在突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10%，即突出煤层中绝大多数地区都无突出危险。之所以是这样，目前的观点是：突出危险工作区受到带状分布的地质构造控制（如断层、向斜轴部、活成岩侵入地区以及各种地质构造交汇处等）和采掘形成的应力集中带（如采掘工作面邻近煤柱、采止线、两条巷道即将贯通处）的影响，煤层突出危险性增大；这些地区不仅突出频繁，而且极易发生大强度煤与瓦斯突出。因此，在突出煤层开采过程中，地质部门应随时掌握工作面附近地质构造变化情况，指导防突工作有针对性地进行。5.2 煤与瓦斯突出的预兆大多数突出发生前会有预兆，突出预兆主要有：声响预兆、瓦斯预兆、煤结构预兆、矿压显现预兆等。（1）声响预兆响煤炮是煤与瓦斯突出发生前最常见的声响预兆，它是煤体断裂破坏时所发出的声响，有的象闷雷声、有的似爆竹声、有的如机枪声。如果在施工预测钻孔和措施效果检验钻孔时出现响煤炮预兆，工作面应预测或检验为突出危险工作面。（2）瓦斯预兆瓦斯预兆主要表现为瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小、打钻喷孔及出现哨叫声、蜂鸣声等。（3）煤体结构预兆煤体结构预兆包括煤体层理紊乱、干燥、松软、色泽变暗失去光泽、软煤分层变厚和煤层产状急剧变化（煤层波状隆起，层理逆转等）。尤其应引起高度重视的是软煤分层变厚情形。（4）矿压显现预兆包括支架来压、煤壁开裂、掉碴、片帮、工作面煤墙外臌、巷道底臌、打钻时顶（夹）钻、钻孔严重变形以及炮眼装不进炸药等现象。（5）其它预兆突出发生前，可能会出现一些其它预兆，例如，工作面温度降低、煤墙发凉、气味特殊等预兆。上述预兆，有时同时出现，有时单独出现。在采掘工作面施工作业中，当出现上述某一或几种预兆时，应立即停止作业，待采取措施、预兆消失后方可重新恢复作业。 第六节 煤与瓦斯突出危险性预测6.1 煤与瓦斯突出危险性预测方法分类突出预测的目的是确定煤层中的突出危险区域和工作面作业地点的突出危险性，使防突工作有的放矢，减少措施的盲目性，提高突出矿井的安全可靠性和经济效益。我国新颁布的煤矿安全规程规定，在地勘、新井建设、新水平（新采区）开拓以及采掘过程中，都要进行突出预测工作。按预测任务的不同，煤与瓦斯突出预测可分为区域突出危险性预测（简称区域预测）和工作面突出危险性预测（简称工作面预测）。6.2 区域突出危险性预测方法区域预测亦称长期预测，其任务是确定井田、煤层和煤层区域的突出危险性，即预测上述区域的煤层是否具有发生突出的必要条件，有无发生突出的可能性。煤层区域是指开采水平、采区等。区域预测的最终结果是将煤层划分为突出煤层或非突出煤层，将煤层区域划分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。目前，区域预测方法主要有瓦斯地质统计法、单项指标法和综合指标法。6.2.1 单项指标法区域预测煤层突出危险性的单项指标包括煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标（p）、煤的坚固性系数（f）和煤层瓦斯压力（p）。上述各突出危险预测指标的临界值应根据矿井实测资料确定，若无实测资料，细则给出了参考临界值，见表6-1。需要特别强调的是，只有全部单项指标达到或超过表6-1中临界值时，方可将其预测为突出危险煤层（危险区域）。新井建设时期，应由施工单位测定煤层瓦斯压力p、瓦斯放散初速度p、煤的坚固性系数f ,并根据揭穿煤层情况重新验证煤层的突出危险性。煤的破坏类型分五类，见表6-2。表6-1 预测煤层突出危险性单项指标法临界值煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度p煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力p突出危险、100.50.74表6-2 煤的破坏类型分类 破坏类型 光 泽 构 造 及 构造特征 节理性质节理面性质 断口性质 强 度 类（非构造煤）亮与半亮层状构造，块状构造，条带清晰明显一组或二到三组节理，节理系统发育，有次序有充填物（方解石），次生面少，节理、劈理面平整参差阶状，贝状，波浪状坚硬，用手难以掰开类 （破坏煤）亮与半亮1、尚未失去层状2、条带明显，有时扭曲，有错动3、不规则块状，多棱角4、 挤压特征次生节理面多，且不规则，与原生节理呈网状节理节理面有擦纹、滑皮，节理平整，易掰开参差多角用手极易剥成小块，中等硬度类（强烈破坏煤）半亮与半 暗1、弯曲成透镜状构造2、小片状构造3、细小碎块，层理较紊无次序节理不清，系统不发达，次生节理密度大有大量擦痕参差及粒状有有手捻成粉末，硬度低 类 （粉碎煤）暗 淡1、粒状或小颗粒胶结而成，形似天然煤团节理失去意义，成粘块状粒状可捻成粉末，疏松类煤 （全粉煤）暗 淡1、土状构造，似土质煤2、 如断层泥状土状6.2.2 瓦斯地质统计法瓦斯地质统计法的实质是根据已开采区域突出点分布与地质构造的关系，结合未开采区域的地质构造条件将未开采区域划分出突出危险区域和突出威胁区域。方法的关键点在于要求确切掌握已开采区域突出点分布和煤层赋存、地质构造条件的关系。应用瓦斯地质统计法有如下三个技术要点：在上水平发生过突出的区域，下水平的垂直对应区域应预测为突出危险区。根据上水平突出点分布与构造的关系，确定突出点距离构造两侧的最远距离线，并结合地质部门提供的下水平或下部采区的构造分布，按照上水平构造线两侧的最远距离线推测下水平或下部采区的突出危险区（如图6-1）。未划定的其它区域为突出威胁区。 图6-1 用瓦斯地质统计法向下推测下水平或下部采区突出危险区示意图需要指出的是，不同矿区控制突出的构造因素是不同的，一些矿区突出主要发生在断层附近，突出明显受断层尤其是压扭性逆断层控制；而另一些矿区，突出的发生主要受褶曲或煤层厚度变化控制，尤其是受软分层控制。在具体划分时，应根据已采区域主要控制突出的地质构造因素来预测未采区域的突出威胁。6.2.3 综合指标法采用综合指标法对煤层进行区域预测时，需要进行如下测试工作:向突出煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层原始瓦斯压力p；测压钻孔施工过程中，每米采取一个煤样，测定煤的坚固性系数f；将两测压孔所测的坚固性系数最小值平均,作为煤层平均坚固性系数；将坚固性系数最小值的两个煤样混合，测定煤的瓦斯放散初速度p。 综合指标法预测煤层区域突出危险性的计算公式如下： d=（0.0075h/f-3）(p-0.74) k=p/f式中：d煤层突出危险性综合指标； k煤的突出危险性综合指标； h开采深度，m； p煤层瓦斯压力，取两个测压孔实测瓦斯压力最大值，mpa； p软分层煤的瓦斯放散初速度指标； f软分层煤的平均坚固性系数。综合指标d、k预测煤层突出危险性的临界值应根据本矿区实测资料确定；无实测资料时，可采用防治煤与瓦斯突出细则给定的参考临界值（表6-3）确定区域突出危险性。需要说明的是在计算d值时，当d值两括号内计算结果全为负值时，则不论d值大小，都为突出威胁区域。采用综合指标进行区域预测时，应按表6-4记录预测结果。6.3 工作面突出危险性预测工作面突出危险性预测的任务是在采掘工作面采掘作业前，预先确定工作面附近煤体的突出危险性，即预报工作面继续向前推进时，有无发生煤与瓦斯突出的危险。按作业场所的不同，又分为石门揭煤工作面预测、煤巷掘进工作面预测和采煤工作面预测。在突出煤层中有下列情况之一者，工作面应预测为突出危险工作面：表6-3 综合指标d、k预测煤层区域突出危险性的临界值煤层突出危险性综合指标d煤的突出危险性综合指标k无烟煤其它煤种0.252015表6-4 综合指标预测区域突出危险性报告表煤层 水平 石门 距地表垂深 （m）煤层瓦斯压力测定钻孔编号钻孔直径（mm）孔长（m）钻孔倾角（） 瓦斯压力变化曲线 岩孔 煤孔 合计封孔长度 （m）封孔日期 （年/月/日）安装压力表日期（年、月、日）最大瓦斯压力 （mpa）煤的坚固性系数f煤的瓦斯放散初速度p煤突出危险性综合指标d突出危险性综合指标k突出危险性评价矿总工程师：通风科区长：地测科长：预测人：在突出煤层的构造破坏代，包括断层、褶曲、或成岩侵入；煤层赋存条件急剧变化的区域；采掘应力的迭加的区域；在工作面预测过程中出现喷孔、顶钻等动力现象；工作面出现明显突出预兆。6.3.1 工作面预测仪表md-2型钻屑瓦斯解吸仪、zld-1型多级流量计、jn-1型胶囊封孔器是工作面突出危险性预测最常见的三种仪器,现简述其用途、结构以及使用方法。6.3.1.1 md-2型钻屑瓦斯解吸仪(1)用途在井下石门揭煤和煤巷掘进工作面，直接测定煤钻屑瓦斯解吸指标h2值。h2的物理意义是：10克煤样自煤体脱落暴露在大气中，以水柱计压差值来表示的第3分钟到第5分钟的累计瓦斯解吸量。(2)仪器结构由水柱计、解吸测量室、三通旋塞、单通活塞和煤样瓶组成（如图6-2）。（3）测定方法和步骤将水柱计两侧水位调平至0刻度；向工作面前方煤体打钻，当钻孔打到预定采样深度时 ，启动秒表开始计时，并利用1mm和3mm筛子组筛取13mm粒度煤钻屑装入煤样瓶至刻度线，煤样重量约10g。解吸测定。首先将煤样瓶连同煤样一起迅速装入解吸仪测量室，拧紧测量室上盖，然后打开三通活塞，使解吸测量室与大气、水柱计均沟通；当煤样自从煤体脱落的暴露时间达3分钟时，逆时针旋转三通旋塞，使解吸仪测量室仅与水柱计相通，重新启动秒表计时，开始进行瓦斯解吸测定；记录煤样解吸测定2分钟时的解吸仪水柱计两侧压差值。6.3.1.2 zld-1钻孔多级流量计（1）用途测定煤层钻孔瓦斯涌出初速度，用于预测工作面前方煤体的煤和瓦斯突出危险性和对措施执行效果进行检验。该仪器要和jn-1胶囊封孔配套使用(2)仪器结构和技术性能该仪器由水柱计、喷嘴组、进气嘴、喷嘴底座和两个单通旋塞组成（如图6-3）。zld-1多级流量计用5个不同孔径的喷嘴组来获得较大的流量测定范围。 仪器测量范围为0.1100 l/min，水柱计最大压差160mmh2o。（3）测定方法和操作步骤将水柱计两侧水位调平至0刻度；根据煤层条件预计钻孔瓦斯流量大小，选择范围较为接近的喷嘴，安装在流量计喷嘴底座上；在工作面选择软分层打直径42mm的钻孔，打到预定位置后迅速拔出钻杆，插入jn-1型胶囊封孔器密封钻孔后，将多级流量计进气嘴与封孔器排气管出口用胶管连接，使水柱计呈铅垂位置，读取水柱计压差h。根据细则要求测定应在打完钻后2分钟内完成。钻孔瓦斯涌出初速度q由下式计算： q = kk1 式中： k-喷嘴系数，l/pa1/2k1-瓦斯浓度修正系数， k1=1.34;h-水柱计压差读数，pa。6.3.1.3 jn-1型胶囊封孔器(1)用途jn-1胶囊封孔器专用于快速封闭钻孔，测定钻孔瓦斯涌出初速度q，以预测工作面前方煤体的煤和瓦斯突出危险性。该封孔器亦可以用于密封钻孔，测定钻孔自然瓦斯涌出量和钻孔有效排放半径。(2)封孔器结构该封孔器由胶囊、瓦斯排出管、充气管、充气阀和打气筒组成（如图6-4）。瓦斯排出管每节1m长，共10节（包括封孔器探头），最大封孔深度10m。胶囊充气压力0.150.2mpa，封孔直径4250mm，封孔深度10m 。（3）测定方法首先在工作面前方煤体中选择软分层打一直径为42mm的煤层钻孔，迅速将准备好的封孔器插入孔内，并留出测量室的长度，然后通过充气阀门用打气筒给胶囊充气，胶囊充气后膨胀与孔壁充分接触(轻拔封孔器无相对移动)，即封孔完毕。连接zld-1型钻孔多级流量计，进行钻孔瓦斯涌出初速度q测定。测定结束后，打开充气阀门，使胶囊排气，然后拔出封孔器。测量室的长度应根据细则确定。当采用钻孔瓦斯涌出初速度进行预测时，测量室长度为0.5m；当采用钻孔瓦斯涌出初速度q和钻屑综合指标r值进行预测时，测量室长度为1m。6.3.2 石门揭煤工作面突出危险性预测石门揭煤工作面突出危险性预测可选用综合指标法、钻屑解吸指标法或其它经验证有效的方法工作面。6.3.2.1综合指标法综合指标法预测石门揭煤工作面瓦斯突出危险性需要进行如下测定工作:(1)在石门揭煤工作面向煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层瓦斯压力p。(2)在打测压钻孔过程中，每米钻孔采一个煤样，测定煤的坚固性系数f，并将两个测压孔所测的坚固性系数最小值平均，作为煤层平均坚固性系数。(3)将坚固性系数最小值的两个煤样混合，测定煤的瓦斯放散初速度p。石门揭煤工作面瓦斯突出危险性综合预测指标按下式计算： d=（0.0075h/f-3）(p-0.74) k=p/f式中 d-煤层突出危险性综合指标； k-煤的突出危险性综合指标； h-开采深度，m； p-煤层瓦斯压力，取测压钻孔实测煤层瓦斯压力最大值，mpa； p-软分层煤的瓦斯放散初速度指标； f-软分层煤的平均坚固性系数。综合指标d、k预测突出危险性的临界值应根据本矿区实测资料确定，无实测资料时，可采用防治煤与瓦斯突出细则给定的参考临界值（表6-3）确定区域突出危险性。6.3.2.2 钻屑解吸指标法采用钻屑解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性时，应在工作面留有垂距至少310m保护岩柱时，至少打两个直径5070mm的预测钻孔，当钻孔进入煤层时，用13mm的筛子筛分钻孔煤屑，测定其瓦斯解吸指标h2或k1值。钻屑解吸指标预测石门揭煤工作面突出危险性的临界值应根据实测数据确定，如无实测数据时，可参照表6-5所列的指标临界值预测突出危险性。表6-5 钻屑解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性临界值钻屑解吸指标法临界值h2（p a）k1值(ml/g.min1/2)干煤 20005湿煤 16004采用h2 或k1指标预测突出危险性时，若预测指标超过临界值，该工作面预测为突出危险工作面，反之，预测为无突出危险工作面。采用钻屑解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性应按表6-6填写记录。6.3.3煤巷掘进工作面突出危险性预测在突出煤层突出危险区掘进煤巷时，应进行突出危险性预测。煤巷掘进工作面预测方法主要有钻孔瓦斯涌出初速度法、r值指标法和钻屑解吸指标法。6.3.3.1 钻孔瓦斯涌出初速度法在煤巷掘进工作面采用钻孔瓦斯涌出初速度进行突出预测时，应按下列步骤进行：表6-6 石门揭煤工作面突出危险性预测记录表石门名称煤层测定日期 年 月 日 钻孔编号钻孔深度 （ m ）钻屑解吸指标法k1值（ml/g min1/2）h2(pa)备注 突出危险 预测结论 总工称师 批 示通风科（区）长地测科长预测人员（1）在掘进工作面的软分层中，靠近航道两帮，各打一个平行于巷道掘进方向，直径42mm，深3.5m的预测钻孔（如下图示）。 （2）用专用封孔器封孔，留0.5m长测量室；（3）在钻孔成孔2min内测定完钻孔瓦斯涌出初速度，并将测定数据填入表6-7中。采用钻孔瓦斯涌出初速度临界值qm预测突出危险性应根据实测资料分析确定，如无实测资料时，可参照表6-8的临界值qm确定。当实测的q值等于或大于临界值qm时，工作面预测为突出危险工作面；实测的q值小于突出危险临界值时，工作面预测为无突出危险工作面。用钻孔瓦斯涌出初速度法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，如预测为无突出危险工作面，每循环应留有2m超前距，采用安全防护措施进行掘进作业。表6-7 钻孔瓦斯涌出初速度qm法预测结果记录表 测定日期 工作面距主要 巷 道 位 置 （m）测定钻孔编 号 瓦斯涌出初速度 qm （l/min)预测结 论测定人员防突机构负 责 人表6-8 判断突出危险性的钻孔瓦斯涌出初速度临界值（qm）煤的挥发分vdaf(%)5151520203030qm（l/min）504540456.3.3.2 r值指标法采用r值指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，应按下列步骤进行:(1)在煤巷掘进工作面打2个（倾斜和急倾斜煤层）或3个（缓倾斜煤层）直径42mm、深5.56.5m的预测钻孔（如下图示）。钻孔应布置在软分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行于巷道掘进方向，其它钻孔的终孔应位于巷道轮廓线外24m处。(2)钻孔每打1m，测定一次钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度；测定钻孔瓦斯涌出初速度时，测量室长度为1.0m，根据每个钻孔的最大钻屑量和最大钻孔瓦斯涌出初速度按下式计算各孔的r值： r=（smax1.8）(qmax4)式中 : smax-每个钻孔沿孔长最大钻屑量，l/m； qmax-每个钻孔沿孔长最大钻孔瓦斯涌出初速度，l/mmin。判断煤巷掘进工作面突出危险性的临界指标rm应根据实测资料分析确定；如无实测资料，可取rm=6。任何一个钻孔中实测的r值等于或大于临界值rm时，工作面预测为突出危险工作面；r值小于临界值rm时，工作面预测为无突出危险工作面。采用r值指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，如预测为无突出危险工作面，每循环应留有2m超前距，采用安全防护措施进行掘进作业。需要指出，当r值为负数时，应采用单项指标进行工作面突出危险性预测。6.3.3.3 钻屑解吸指标法钻屑解吸指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性应按下列步骤进行。(1)在煤巷掘进工作面打2个（倾斜和急倾斜煤层）或3个（缓倾斜煤层）直径42mm、深810m的预测钻孔。钻孔应布置在软分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行的于巷道掘进方向，其它钻孔的终孔应位于巷道轮廓线外24m处，如下图示；(2)钻孔每打1m，测定一次钻屑量，每隔2m测定一次钻屑解吸指标；根据每个钻孔沿孔长每米的的最大钻屑量smax和最大钻屑解吸指标h2和k1预测工作面的突出危险性。采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，各指标的突出危险临界值应根据实测资料分析确定；如无实测资料时，可参照表6-9所给临界值确定突出危险性。表6-9 钻屑解吸指标预测工作面突出危险临界值h2（pa）最大钻屑量k1危险性kg/ml/mml/(gmin1/2)20065.40.5突出危险工作面20065.40.5无突出危险工作面实测的sm、k 1或h2值等于或大于临界值时，工作面预测为突出危险工作面；实测的所有值都小于突出危险临界值时，工作面预测为无突出危险工作面。采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，如预测为无突出危险工作面，每循环应留有2m的预测超前距，采用安全防护措施进行掘进作业。一般来说，h2和k1值属同一类指标，测定时任选一个，不需要同时测定h2和k1。6.3.4 采煤工作面突出危险性预测采煤工作面原则上可采用所有应用于煤巷掘进工作面突出预测方法。在进行采煤工作面突出危险性预测时，要求：(1)沿工作面每隔1015m布置一个预测钻孔，孔深不得小于3.5m。(2)当预测工作面为无突出危险工作面时，每个循环应留2m预测超前距离进行采煤作业。由于采煤工作面长，预测工作量大，因此，建议采用钻孔瓦斯涌出初速度法预测突出危险性。因为采用其它方法预测时，则需要打大量的钻孔工程，占用的采煤时间太长，很少有矿井采用。第七节 煤与瓦斯突出防治措施7.1 制定防突措施的原则防突措施要根据具体的煤层赋存条件来制定。在制定防突措施时，应遵守如下的几个基本原则：（1）部分卸除煤层或采掘工作面前方煤体的应力，将集中应力区推延至煤体深处；（2）部分排除煤层或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力，减少工作面前方瓦斯压力梯度；（3）增大工作面附近煤体的承载能力和稳定性；（4）改变煤体的力学性质，使其不易于发生突出；（5）改变采掘工艺条件，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯动力学状态平缓变化，达到工作面本身自我卸压。7.3 防突措施分类 防突措施一般分为两类: 区域防突措施和局部防突措施。区域防突措施的作用在于使煤层一定区域（如一个采区）消除突出危险性。区域性防突措施的优点是在煤层采掘工作开展前，预先采取防突措施，措施施工与采掘作业互不干扰，且其防突效果优于局部防突效果。具体的防突措施有：(1)开采保护层；(2)预抽煤层瓦斯；(3)煤层注水。局部防突措施的作用在于使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性。局部防突措施的缺点是：措施施工和采掘作业工艺相互干扰，且防突效果受地质和开采条件变化影响较大，因此，细则规定在局部防突措施执行后，要对防突效果进行检验。局部防突措施仅在没有条件采用区域防突措施时才采用。根据局部措施的应用巷道类别，局部防突措施可分为石门措施、煤巷措施和采煤工作面措施。具体的局部防突措施有：（1） 石门局部防突措施 扩孔卸煤钻； 金属骨架； 高压注水； 水力冲孔； 超前钻孔。（2） 煤巷局部防突措施水力冲孔；超前钻孔；松动爆破；超前支护；高压注水； 卸压槽； 掩护挡板。（3）采煤工作面局部防突措施超前支护；卸压槽；高压注水；浅孔松动爆破。7.3 区域性防突措施7.3.1保护层开采在开采具有突出危险的煤层群时，当首先开采一个煤层后，对其它煤层起到消除突出危险的作用时，则先采的煤层称为保护层，受到保护作用而消除了突出危险的煤层称为被保护层。开采保护层是防止煤与瓦斯突出最有效的措施，具有经济、简单等优点，是国内外公认的主要防突措施。由于先采煤层（保护层）的采动影响，使其相邻的突出危险煤层（即被保护层）的应力状态、瓦斯动力参数和煤的物理力学性质都将发生显著变化。现场和实验室的试验结果证明，被保护层各参数的典型变化规律如图7-1示。由图可看出，保护层开采后，在突出危险煤层的对应区域（被保护区）内煤体发生膨胀变形，地应力和瓦斯压力降低，煤层透气性系数增大，煤层瓦斯排出，煤体强度加大。这说明保护层的开采，既降低了突出煤层的突出能量，同时又增强了煤层抵抗破碎的能力，而且还降低了突出煤层工作面前方的应力梯度和瓦斯压力梯度，因此不会再发生突出。图7-1 保护层开采后被保护层各参数变化情况p-煤层瓦斯压力 q-钻孔瓦斯流量 l-煤层变形 a-正常应力区 b-集中应力区 c-卸压区7.3.2预抽煤层瓦斯（1）应用原则对于单一煤层或无保护层开采的突出危险煤层，煤层透气性系数等于或大于0.001md，都可以采用预抽煤层瓦斯作为区域性的防突措施。由于大多数的突出煤层属于低透气性煤层，因此预抽煤层瓦斯的措施需要作大量的工程，要求预抽的时间也相当长，一般要求一年以上，所以预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施，主要适应于不具备开采保护层条件的严重突出危险煤层，属于一般突出危险的煤层可考虑局部防突措施。（3） 预抽煤层瓦斯措施的防突机理 煤体卸压 瓦斯抽放 煤体强度增高 增大突出阻力释放瓦斯潜能释放弹性潜能 煤与瓦斯突出危险消除在大面积区域内，通过对突出危险煤层采前预抽瓦斯，首先可以降低突出煤层的瓦斯潜能，由于瓦斯的排放，煤体发生收缩，可以缓和煤体的应力紧张状态，从而部分地释放煤体的弹性潜能；此外，煤体瓦斯的排出能提高煤的强度，增大了突出的阻力，降低了激发和发展突出的作用力，因此可以达到消除突出危险性的目的。（4）预抽煤层瓦斯措施的钻孔布置方式沿层布孔方式此种布孔方式一般适应于无围岩巷的巷道布置方式，如图7-2所示。图7-2 预抽煤层瓦斯措施的沿层布孔方式穿层布孔方式此种布孔方式适应于有围岩巷道的巷道布置方式，如图7-3所示。图7-3 预抽煤层瓦斯措施的穿层布孔方式7.3.3 煤层注水（1）煤层注水的防突机理 作为区域性防突煤层注水措施，应在大面积范围内均匀布置长钻孔来实现。通过钻孔向煤层注水，使煤体湿润，增加煤的可塑性，随后开采时，可减小工作面前方的应力集中；当水进入煤层内部的裂隙和空隙后，可使煤体瓦斯放散速度减慢，因此煤层注水可以减缓煤体弹性潜能和瓦斯潜能的突然释放，降低或消除煤层的突出危险性。（2）煤层注水的钻孔布置方式最适合的布孔方式应从回风平巷沿煤层倾斜打全阶段长的钻孔，一般