浅析煤与瓦斯突出的预测及防治措施

1、浅析煤与瓦斯突出的预测及防治措施作者：颜文星 2012-12-03引 言煤与瓦斯突出是一个能量释放过程，在这一过程中，首先是能量的积聚，这个能量包括瓦斯、地应力等。煤层内的瓦斯含量、瓦斯压力和地应力随地质构造复杂程度的不同存在着较大的差异。由于地质构造带存在着一定的构造应力，所以，在构造带储存有较高的煤岩弹性应变能，突出危险性较大；并且在这些区域，煤层裂隙较为发育，瓦斯含量和压力往往较高，所以瓦斯内能较大，突出危险性较大。同时，在地质构造带，由于煤岩层受到不同程度的破坏，煤层的坚固性系数往往较低，软分层较为发育，相对而言抵抗突出破坏的能力较差，所以成为突出的多发区域。江西建新煤矿（90万吨/年

2、）为高瓦斯突出矿井，9#煤层为高瓦斯威胁煤层，2916工作面属于地质构造复杂区域，所以在该区域中的瓦斯预测、防突技术和防突管理，是矿井安全掘进的重要保障。摘要煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出是煤矿井下最重的自然灾害之一,它严重制约着煤炭的正常生产,同时也危及工作人员的生命安全。煤与瓦斯突出预测是煤矿瓦斯安全管理的前提和基础。开展煤与瓦斯突出方面的研究能有效地加强瓦斯危机预警和防治工作的针对性,从而减少瓦斯灾害的发生。在总结分析煤与瓦斯突出机理、突出类型、突出条件、突出一般规律和影响因素的基础上，重点分析了煤与瓦斯突出预测的各种方法及针对性防治措施，神经网络是预测煤与瓦斯突出非线性问题是最有前景的

3、方法。关键词煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出预测防治措施一、煤与瓦斯突出的机理、类型与一般规律 1、煤与瓦斯突出的机理    世界国对煤与瓦斯突出机理的研究都很重视，也取得了一定成果，但由于突出机理的复杂性及突出现象的多样性，目前对突出机理的认识仍处于假说阶段。一般对煤与瓦斯突出机理的认识可归纳为四种：地应力论、瓦斯作用论、化学本质论和综合作用论。    我国从60年代起就对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等开展了一系列的研究，根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨，提出了新的见解和观点，概括起来主要有中心扩张学说

4、、流变假说、二相液体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳理论等。此外中国科学院力学研究所从力学角度对突出过程做了大量的研究工作，并提出了突出破坏过程及瓦斯渗流的机制方程。2、煤与瓦斯突出的类型煤与瓦斯的突出包括：煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、煤与CO2突出、岩石与CO2突出等。由于突出时的原动力和所表现现象的不同，煤与瓦斯突出可分为突然涌出、急速倾出、较慢压出三种情况。 除压出主要是瓦斯或CO2气体外，前二种为煤尘固体和 瓦斯或CO2气体同时涌出。3、煤与瓦斯突出的一般规律1）、突出的次数和强度随开采的深度增加而增加；2）、突出多发生在地质构造地区，如褶曲、断层处及岩浆侵入地区

5、；3）、煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，突出危险性越大；4）、煤层厚度大、倾角大或其厚度和倾角发生变化以及煤层中的软分层由薄变厚的地区，容易发生突出；5）、掘进工作面应力集中的地区易发生突出；6）、在外力冲击作用下，如放炮或采煤机割煤时煤体受到震动，诱导瓦斯发生突出；7）、围岩的透气性越差、致密的岩层越厚，煤层的瓦斯含量越高，其突出的危险性也就越大；8）、突出多发生在揭煤和煤层掘进工作面；9）、在突出前大多数都会出现预兆。二、煤与瓦斯突出的预测 1、突出预测方法的分类    按预测预报范围和时间的不同，预测方法可分为3类：第一是区域性预测，主要是确定煤田、井田、

6、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测，它是在区域性的基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区或要点的突出危险性作出判断；第三是日常预测，它是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应，对突出危险发出警告。2、目前对煤与瓦斯突出的预测方法1）、微震技术预测突出危险性    研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发生破裂和震动，当从震源传出震波或声波的强度和频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出。突出是由连续的多起断裂引起的，而且异常的微震发射通常在断裂之前545s内产生，故微震法作为突出预报方法，有其广阔的应用前景。俄罗斯在

7、地震声学预测方法中取得了较好的研究成果。2）、煤层温度状况预测突出的危险性    温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。    国外对采掘工作面近工作面地段的煤体温度状况进行了考察研究，用于突出危险性日常预测，并对掘进中发生的6次突出全部作出了预报。原苏联学者，采用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。3）、煤层中涌出的氦或氡浓度的变化预测突出研究表明在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦

8、的反常涌出。前苏联学者考察了顿涅茨煤田中2个不突出煤层和4个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯压力也相应的高。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标，该项目正在继续进行。4）、电磁辐射强度预测突出危险    电磁辐射(EME)是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象，与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关。采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的优点是：电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动力现象的主要影响因素；可实现真正的非接触预测，无需打钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动态

9、连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。  目前岩石破裂电磁辐射效应的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤岩层受力变形破坏过程中会产生电磁辐射，电磁辐射强度取决于所受力的大小和煤岩层的物理力学性质。煤炭科学研究总院重庆分院利用这一原理研制的煤与瓦斯突出危险探测仪，在四川芙蓉矿务局进行了实际应用，取得了较好的效果。5）、神经网络方法进行突出预测    煤与瓦斯突出，其发生是由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体结构及围岩特征诸多因素决定的。突出灾害的发

10、生是极不规则的，其所处的系统是一个不断变化的系统，各种力学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。    人工神经网络方法的出现，为解决这一问题开辟了一条新途径。神经网络具有通过样本来“学习”的能力，一方面区别于传统的各种预测方法，实际应用时无须做出因素与突出相关关系的任何假设，只需将实际数据直接提供给网络来训练；另一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值(只要训练数据足够多)，能够抽提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，尤其是那些尚未被人类认识和揭示的规律，这些优点是传统方法无法比拟的。三、煤与瓦斯突出预兆及其防治 1、煤与瓦斯突出预兆 

11、;   煤与瓦斯突出前一般都有预兆，没有预兆的突出是极少数的。突出预兆伴随其突出过程按其主要特征大体可分为“三个阶段”：一是突出前瓦斯在煤（岩）体内能量聚集阶段；二是大突出前的少量瓦斯压出阶段，此时工作面瓦斯浓度急剧升高；三是若能量够大就发生大量瓦斯与煤尘涌出。各阶段的显现程度和处理原则各不相同。2、煤与瓦斯突出的防治措施    煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，因其具有突发性、不完全的可知性，很难完全防止它的产生。但是如果开展突出预测并采取行之有效的防治措施，仍可做到不发生或减少伤亡事故的发生。目前防治煤与瓦斯突出工作，已不是单一的技术措

12、施，而是一套完整的综合防治突出的系统工程。    防治突出首先要摸清楚它发生的地区、范围，采取必要的防治措施，改变其发生突出应具备的基本条件，使其不发生或降低其突出强度，并采取必要的安全防护措施，重点要抓好以下几点工作。1）、揭煤防突    目前大都采用远距离震动放炮的方法揭开煤层，揭煤防突主要是把好“七关”。    设计关：进行煤巷道的设计时，要避开地质构造带和应力集中区；    施工关：巷道和抽放钻孔必须按设计施工，落实到实处；    验收关

13、：巷道和抽放钻孔必须有专人验收，确保质量；    封孔关：凡有矿井系统抽放和局部抽放系统的矿井，应采用新设备、新技术、新工艺、新材料，确保封孔质量，提高抽放效果；    抽放卸压关：应按表计算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯压力和解突安全抽放期等重要参数；    检验关：必须按照颁发的防突细则的有关规定进行效果检验，符合要求后方准揭煤；    二次卸压关：揭煤前可再打一组卸压孔，进行二次卸压。2）、煤巷掘进防突    实践证明，煤与瓦斯突出多发生在煤巷

14、掘进过程中。为了有效地防治煤巷掘进突出，应用超前排放钻孔、浅孔松动爆破、深孔控制爆破、预抽瓦斯以及上述措施与边掘边抽相结合的综合防突措施 。在一般和中等程度突出危险区域，大部分采取打少数超前卸压钻孔的方法解突；在严重突出危险区域，大都采用超前钻孔、煤体固化和金属骨架等多种措施综合防治。3）、大倾角不稳定煤层防突    在大倾角不稳定煤层中，重点采取超前密集钻孔和煤层注水防突措施。超前密集钻孔是通过煤体前方的钻孔使煤体应力释放和转移，钻孔使煤体前方的高压瓦斯得以释放，使掘进头前方一定范围内形成低应力、低瓦斯区，达到防突或降低突出强度的目的。目前都不同程度地应用煤层注

15、水措施来降低或消除瓦斯突出危险性，实验测试结果表明：湿润煤的JP2瓦斯解吸量可达常压下煤的瓦斯解吸量的17%27%，当煤样吸水饱和后，湿煤较干煤的透气系数要下降一个数量级。国内外不少矿井煤层注水后的实际结果表明，注水结束后打开钻孔时几乎没有瓦斯涌出现象，在注水进行采掘时，瓦斯涌出量明显下降，并且放炮后的瓦斯涌出量比较均匀。四、采面防突实例1、试验区域情况建新煤矿2916工作面位于井田西翼二水平一采区，标高一302397m，工作面全长1030m，倾向宽120m，沿走向布置。东以二采区中部运输上山为界，西(2916切眼)靠近F12矿井边界断层，风巷与设计2944工作面为界，机巷靠近2948采空区。

16、工作面平均煤厚22m，煤层厚度变化较大，靠近断层处煤层有拉薄现象，变异系数20；煤层结构较复杂，含12层夹矸，夹矸为灰黑色泥岩，平均厚度01m。本工作面构造较复杂。煤层产状局部有起伏，受区域构造力作用，小断层较为发育。2916工作面煤层瓦斯含量为26m3t,煤层含有二层软分层。煤层倾角22°左右。2、防突技术建新煤矿2916煤层为高瓦斯突出威胁煤层，根据防治煤与瓦斯突出规定要求，并结合矿井施工区域的特殊性在2916煤层掘进及回采期间，采用“超前钻孔预抽瓦斯加四位一体”综合防突措施，工作流程如图所示：21突出预测及效检突出预测及效检技术以防治煤与瓦斯突出规定为原则，结合矿井煤层的实际情

17、况，以钻屑量S和瓦斯解吸指标K1为主要预测及效检指标；辅助指标为各种动力现象、地质构造发育及变化程度、构造煤变异程度、瓦斯涌出异常现象等。当上述主要指标超限时，即认为工作面具有突出危险性；当辅助指标异常时，需要分析其异常的原因，在确认为与突出危险无关时，方可排除辅助指标预测突出危险的结论。在2916煤层掘进工作面进行防突预测时，布置3个预测钻孔，钻孔的深度按规定要求布置。钻孔尽量布置在软分层，中间一个钻孔位于巷道中部与掘进方向一致，另外两个钻孔开孔于工作面两侧巷帮内05m处，终孔于巷道前方预计轮廓线外24m。采煤工作面进行防突预测时，每隔10m布置一个防突预测钻孔。钻屑量的测定从钻孔第1m开始

18、，每施工1m用专用容器收集孔口钻屑，并用弹簧秤称量，钻屑量的临界值采用规定规定的So=6km；K值的测定在钻每2m、4m、6m、8m时用WTC防突测定仪进行测定，K值的临界值K=05mLgmin；瓦斯涌出初速度口的测定从钻孔第2m开始用TwY防突测定仪测定，q的临界值q=4Lmin。掘进过程遇到下列情况时，均视为有突出危险：地质构造破坏带，如断层、褶曲等构造；煤层倾角、厚度、走向或倾向等赋存条件急剧变化以及软分层增厚地带(软分层厚度0-3m)；打钻过程出现喷孔、卡钻、顶钻、吸钻等动力现象；工作面出现明显的突出预兆：顶板来压、支架断裂、煤壁片帮、掉渣与外鼓，煤壁光泽暗淡、层理紊乱，瓦斯涌出忽大忽

19、小、工作面温度降低，煤壁前方附近出现煤炮声等；采掘应力迭加区域。22预测及效检工艺要求为了提高预测及校检数据的可靠性，对打钻工艺及防突仪器的操作做了以下要求：钻孔施工、指标测定由专人负责，以消除由于施工与测定技术差异引起的操作误差；施工钻孔前要仔细观察巷帮支护情况、顶板受力情况、煤壁特征等，并作详细记录；在测定K。值和钻孔瓦斯涌出初速度时，应当尽可能减少人为因素对测量造成的误差；测量钻屑量时，尽可能多的收集到钻屑，以提高钻屑量的准确度；预测效检测过程中要具有高度的责任心，详细记录预测及校检过程中的各种动力现象，不能敷衍了事。23工作面消突措施当预测及校检有突出危险时，应该及时采取消突措施，不能

20、盲目进尺。根据矿井瓦斯自然排放半径05m的经验数据和2916煤层的实际厚度，采取的主要防突措施是在工作面施工9个1819m深，9lmm大直径瓦斯排放及卸压钻孔。钻孔的布置综合考虑煤体状况，主要布置在分层及构造煤层中，同时，通过观察煤层延伸方向，从三维空间的角度设计最少的钻孔达到最好的消突目的。在消突钻孔施工过程中，要详细记录动力现象，如喷孔、卡钻、响煤炮等，发现有异常情况及时通知相关部门处理。当掘进工作面遇褶曲构造，即煤层弯曲变形的构成形式，除掘进方向沿煤层走向不变，加强转弯巷道处的支护外，防突在保留5m安全屏障的工作面，尽可能利用小型煤电钻向前方煤层多打孔，然后用大型液压钻机打部分岩孔进入褶

21、曲转折端煤层并过全煤层，再对转折端煤层排放孔检验，有效后方可掘进。当掘进工作面遇压薄带与增厚带的伴生构造形式，如由煤层增厚带进入压薄带，防突措施可以适当减少钻孔；如由煤层压薄带进入增厚带，防突措施可以适当增加钻孔，加强排放孔工作，在效检有效后方可进入厚煤带掘进。3、采煤工作面瓦斯抽采根据2916工作面煤层赋存条件和瓦斯涌出来源分析，在回采期间采用本煤层顺层超前钻孔抽采（高负压）和采空区埋管抽采（低负压）措施。封孔长度为10m。2916工作面瓦斯抽采设计如图所示：4、煤巷掘进工作面防突预测采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性，工作面向前方煤体施工3个直径42mm、孔深10m的钻孔，测定钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量。钻孔布置在软分层中，一个钻孔位于掘进巷道断面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔的终孔点应位于巷道断面两侧轮廓线外4m处。钻孔每钻进1m测定该1m段的全部钻屑量S，每钻进2m至少测定一次钻屑瓦斯解吸指标K1或h2值。突出危险性的参考临界值钻屑瓦斯解吸指标h2Pa钻屑瓦斯解吸指标K1mL/gmin12钻屑量S（kg/m）（L/m）2000.565.4如果实测得到的S、K1或h2的所有测定值