煤与瓦斯突出基础知识

1、突出研究室高级工程师Tel: E-mail: 煤与瓦斯突出防治基础知识1目 录第一章 煤与瓦斯突出概论 第一节 煤与瓦斯突出基本概念 第二节 瓦斯动力现象分类及突出预兆 第三节 煤与瓦斯突出发生机理 第四节 我国煤与瓦斯突出防治技术的发展第二章 煤与瓦斯突出预测及效果检验 第一节 煤与瓦斯突出危险性预测概述 第二节 区域突出危险性预测 第三节 工作面预测方法 第四节 煤与瓦斯突出措施效果检验第三章 防治煤与瓦斯突出措施 第一节 防治煤与瓦斯突出措施概述 第二节 防治突出措施的原则与分类 第三节 区域性防治突出措施 第四节 局部性防治突出措施第四章 安全防护措施2第一章 煤与瓦斯突出概论第一节

2、煤与瓦斯突出的基本概念 在煤矿井下采掘过程中，在极短时间内（数秒至几分钟）突然从煤（岩）体内 喷出大量的煤（岩）与瓦斯的现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。 世界上首例煤与瓦斯突出事例发生在1843年法国。1879年4月17日比利时阿拉波二号井上山眼掘进时发生了世界上第一例大强度突出，突出强度420吨煤，喷出50万立方米以上的瓦斯。世界上最大的一次突出发生在1969年7月13日苏联顿巴斯加加林矿710m水平主石门揭穿L3煤层时，煤层厚仅1.03m，突出煤量1.42万吨，瓦斯25万立方米。 迄今为止，世界各主要产煤国家几乎都发生煤与瓦斯突出，这些国家主要有中国、前苏联、波兰、日本、法国、美国、匈牙

3、利、比利时、德国、英国、澳大利亚等。其中，中国、苏联、法国、波兰、日本是突出在千吨以上的较严重的国家。 追溯我国煤矿煤与瓦斯突出的历史，最早有记载的突出是1950年5月2日辽源矿务局富国二井在垂深280m煤巷掘进时发生的。1915年8月8日在天府矿务局三汇坝，一矿主平硐揭6#煤层震动放炮时突出煤岩量12780吨，瓦斯量140万立方米，这是目前为止所发生的的最大的一次突出事例，也是世界上第二大突出事例。尽管我国煤与瓦斯突出历史比较短，但是，是世界上第一个突出次数超万次的国家，因此是世界上突出最严重的国家。突出特点是突出矿井比较多，强度大，突出频繁。1、煤与瓦斯突出概述3鱼田堡矿+150m水平主石

4、门揭煤第一次突出示意图4煤煤厚2.4m,倾角30度,瓦斯压力2.26MPa震动放炮揭煤,突出煤岩56t,瓦斯4500m34鱼田堡矿+150m水平主石门揭煤第二次突出示意图放炮揭煤层底板时,突出煤粉1473t,岩石80m3,瓦斯逆流冲出进风竖井井口到地面5 煤与瓦斯突出是煤矿严重的自然灾害之一，是煤、岩和瓦斯参与下的一种复杂的动力现象。具体表现为在数秒至几十秒钟极短的时间内向巷道、采面等采掘空间抛出大量的煤岩，并喷出大量的瓦斯。煤量从几吨到上万吨，瓦斯量从几十立方米到数百万立方米。危害轻的摧毁巷道支架，推倒矿车，破坏通风设施，引起局部地区风流反风，严重的使井巷充满煤岩和瓦斯，造成人员窒息、埋人，

5、甚至可能引起矿井瓦斯爆炸等煤矿恶性伤亡事故。 如1879年4月17日比利时阿拉波二号井上山眼掘进时发生了世界上第一例大强度突出，突出强度420吨煤，喷出50万立方米以上的瓦斯，逆流瓦斯从提升井口23m处绞车房附近的火炉引燃瓦斯，火焰高达50m，井口建筑一片废墟，在2小时后火焰将要熄灭时，又连续发生了7次恶性瓦斯爆炸，造成124人丧生，其中地面烧死3人，烧伤11人的特大恶性煤与瓦斯突出事故。2、煤与瓦斯突出的危害6(1) 煤层突出危险性随采深增加而加大。(2) 突出多发生在地质构造带。如在断层、褶曲和火成岩侵入的地区，受挤压扭曲严重易发生突出。见下面示意图。 突出的气体主要是CH4，少数情况下为

6、CO2。一般情况下，瓦斯压力和瓦斯含量越大，突出危险越严重。 煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，突出危险性越大。 采掘工作面应力集中区容易发生突出。 突出常发生于外力冲击作用下。如放炮、支护、落煤等作业方式诱导。 突出多数有突出予兆。 石门突出危险性最大。 煤层突出危险区常呈带状分布。统计表明在突出煤层中，突出危险区占突出煤层总区域面积不到10，即突出煤层并非处处都危险，相反大多数地区无突出危险，这也是突出预测工作的意义所在。 3、煤与瓦斯突出发生的一般规律71-不透气性岩层；2-煤层瓦斯含量增高部位；3-煤层几钟常见的储存瓦斯构造图81-瓦斯流失区；2-瓦斯含量降低区；3-瓦斯含量增高区；4

7、-瓦斯含量正常区；5-地表断层对煤层瓦斯含量影响示意图9按瓦斯动力现象力学的基本特征，可分为：突出、压出和倾出； 按参与突出特种类分为：煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、煤与二氧化碳突出、岩石与二氧化碳突出。原在东德发生过岩盐与CO2突出，窑街局三矿发生了特大强度的煤、岩石、CO2和瓦斯突出。按突出发生地点分为：石门突出、平巷突出、上山突出、下山突出以及回采面突出等。见示意图按突出强度一般可分为：小型突出50m； 下解放层与突出煤层间距80m。（二）检验方法 钻孔瓦斯涌出初速度法。检验方法和第三节所述的掘进工作面预测方法相同。对开采解放层这一防突措施检验后鉴定的基本原则是：任一钻孔qqm（矿区突出

8、危险临界值或细则规定值）时，开采解放层无效； 全部钻孔qqm时，开采解放层有效。 R值指标法。检验方法也和第三节所述的预测方法相同，对开采解放层这一防突措施鉴定的基本原则是： 任一钻孔的RRm（矿区临界值或细则规定值）时，开采解放层无效；全部钻孔RRm时，开采解放层有效。钻屑指标法。检验方法同第三节所述的预测方法相同，对开采解放层这一防突措施鉴定的原则是：任一钻孔的钻屑煤量及最大的h2、K1中的任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或细则规定值时，开采解放层无效；各钻孔上述指标全部小于矿区突出危险临界值或细则规定值时，开采解放层有效。 392、预抽煤层瓦斯防突措施效果检验 在预抽瓦斯煤层的掘进工

9、作面，采用下列三种方法之一进行检验：钻孔瓦斯涌出初速度法；R值指标法；钻屑指标法。检验的具体方法及鉴定防突措施是否有效的基本原则如同前述3、石门揭煤工作面防突措施效果检验采用钻屑指标法进行检验：由石门工作面向煤层打检验孔（一般垂直距离大于5m），检验孔应布置在措施孔之间，检验孔数为4个。测算每一钻孔的最大钻屑煤量Smax(L/m)、最大钻屑解吸指标h2(Pa)、K1(L/gmin1/2)及f软。任一钻孔的任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或细则规定值时，应认定为防突措施无效；各钻孔上述全部指标小于矿区突出危险临界值或细则规定值时，可确认防突措施有效。404、煤巷掘进工作面防突措施效果检验煤巷

10、掘进工作面打检验孔，检验孔布置在措施孔之间，至少须打两个。钻孔瓦斯涌出初速度法： 任一钻孔qqm时，防突措施无效；钻孔qqm时，防突措施有效。R值指标法：任一钻孔RRm时，防突措施无效；各钻孔RRm时，防突措施有效。采用钻屑指标法：各钻孔的最大钻屑煤量Smax（L/m）、最大钻屑解吸指标h2（Pa）、K1（L/gmin1/2）均小于矿区突出危险临界值或细则规定值时，防突措施有效；任一钻孔中的上述任一指标大于或等于矿区突出危险临界值或细则规定值时，防突措施无效。 5、采煤工作面防突措施效果检验 回采工作面采用浅孔注水或浅孔松动爆破时，采用以下方法进行检验：钻孔瓦斯涌出初速度法：检验孔布置在措施孔

11、之间，钻孔直径为42mm，深为3.5m，实测的各钻孔qqm时，防突措施有效；任一钻孔的qqm时，防突措施无效。采用其它防突措施时，采用经试验证实有效的方法检验防突措施的效果。 检验孔应打在措施孔之间，检验指标小于该煤层突出危险临界值时，则认为防突措施有效；反之，认为防突措施无效。41第三章 防治煤与瓦斯突出措施第一节 防治煤与瓦斯突出措施概述 随着我国煤炭工业的迅速发展，开采范围不断扩大，开采深度逐渐加深，矿井突出危险性日趋严重。我国防治煤与瓦斯突出细则规定：“开采突出煤层时，必须采取包括突出危险性预测、防治突出措施、措施效果检验和安全防护措施的综合措施。” 实践证明，“四位一体”综合防突措施

12、带来的安全效益和经济效益都是十分显著的。“四位一体”综合防突措施的理念在我国煤矿得到普遍的认同和广泛的应用，是我国煤矿自20世纪80年代以来突出事故得以遏制，突出次数明显下降的一个主要原因。 近年来，围绕“四位一体”防治措施的各个环节，研究发展和推广应用了许多新技术，在防治突出措施方面，有大面积预抽煤层瓦斯（穿层网格钻孔，本层顺层长钻孔和交叉布孔）的技术、提高煤层瓦斯抽放效果的技术（控制预裂爆破、水力扩孔等）、煤巷掘进的综合配套防突技术、机掘巷道的钻掘一体化、割掘一体化技术、石门揭煤防突新技术等，使防突效果及技术经济指标都得到很大提高，防突措施向综合配套方向发展是近年来的一个重要特点。 42

13、当前对突出理论的认识是：煤层（包括围岩）中地应力和瓦斯压力是突出的主要原动力；煤层是受力体，是被破碎和抛出的对象；采掘工艺条件是突出发生的外部诱导因素。基于这种认识，制定防治突出措施，可归结为以下几个基本原则。巷道布置和开采方式要提供足够的时间和空间，有利于实施综合防突措施；煤层巷道应尽量布置在非突出煤层或突出煤层的保护区内；保护层实行连续开采不留煤柱；地质构造复杂的矿井，则应按地质构造划分盘区，每个盘区自成一个开采系统。部分卸除煤层区域或采掘工作面前方煤体的应力，使煤体卸压并将集中应力区推移至远离工作面。部分排放煤层区域或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力（含量），减小工作面前方煤体中

14、的瓦斯压力梯度。增大工作面附近煤体的承载能力，提高煤体稳定性，如金属骨架、超前支护和注浆加固煤体等。改变煤体的性质，使其不易于突出。如煤层注水后，煤体弹性减小，塑性增大，煤的放散瓦斯初速度降低，使突出不易发生。改变采掘工艺条件，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯压力状态平缓变化，达到工作面自身卸压和排放瓦斯，消除和减小突出危险性。如水平分层开采、刨煤机和浅截深机组采煤、间歇作业等皆属此类。 第二节 防治突出措施的原则与分类43 应当指出，上述前三个原则（卸压和排放瓦斯）是减少发生突出的原动力，是釜底抽薪的防突方法，因此，它是国内外绝大多数防突措施制定的主要依据。诸如开采保护层、预抽煤层瓦斯、超前钻

15、孔、水力冲刷和冲孔、松动爆破等，皆系根据这三个原则。上述第四、五个原则是增大煤体对发生突出的阻力，实践证明，它对防止小型突出，特别是倾出类型的突出是有效的，但对大型突出起不到防止的目的。 按上述第六个原则制定防突措施是最理想的，因为它只是改变巷道布置和采掘工艺，而勿须专门制定防突措施。在这方面，芙蓉矿务局白皎煤矿取得了成功的经验，并已推广应用。随着突出煤层采掘机械化程度提高，加强研究能消除或减小发生突出危险性的采掘工艺参数是十分必要的。在突出危险的采掘工作面实现无人工作面或采掘机械的远距离操作，也是一种不可忽视的安全防护措施。在这方面，德国在一些突出煤层作业的刨煤机已实现了无人工作面。 防止突

16、出措施一般按其实施的空间和作用影响的范围分为两大类：即区域性防突措施和局部防突措施。44区域和局部防突措施分类系统图451、 开采保护层 1933年首先在法国使用，1958年我国开始在北票、南桐、天府等局进行开采保护层试验考察，七十年代在所有开采煤层群突出矿井得到广泛应用。该措施是防治突出最有效、最经济的区域防突措施。细则第45条规定：“在突出矿井开采煤层群时必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层中受到保护的地区按无突出危险煤层进行采掘工作；在未受到保护的地区，必须采取防突措施。 所谓保护层，是指突出矿井在煤层群开采中，首先开采没有突出危险或突出危险性较小的煤层称为保护层。相应的受其保护

17、影响的未被开采的突出危险煤层称为被保护层。按保护层位置不同，可分为上保护层和下保护层。选择保护层时，应优先选择上保护层，条件不允许时，也可选择下保护层，但在开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件。区域性防突措施主要有开采保护层、预抽煤层瓦斯和煤层注水三种。第三节 区域性防治突出措施46表4 保护层和被保护层之间的有效垂距煤层类别最大有效垂距（m）上保护层下保护层急倾斜煤层6080缓倾斜和倾斜煤层50100近距离保护层：H 10m；中距离保护层：10H60；远距离保护层：H 60保护层和被保护层关系示意图472、预抽煤层瓦斯 预抽煤层瓦斯措施防突机理为通过预抽煤体中的瓦斯，降低了突出煤层瓦斯

18、压力和瓦斯含量，煤体瓦斯潜能得到释放；由于煤体瓦斯排放，煤体发生收缩变形，煤体应力紧张得到缓解而卸压，部分地释放煤体的弹性潜能；此外，由于瓦斯排放，煤体强度提高，增大了煤体抵抗突出的阻力。以上三方面共同作用，达到消除突危险的目的。 预抽煤层瓦斯的有效性指标主要有两个：预抽瓦斯后，煤层残存瓦斯含量小于该煤层始突深度煤层原始瓦斯含量； 煤层瓦斯预抽率大于25%。 需要指出的是细则第53条规定预抽煤层瓦斯有效性指标应根据矿井实测资料确定，报矿务局总工程师批准；未达到有效性指标的区域进行采掘作业时，必须采取补充的防治突出措施。预抽煤层瓦斯措施适用于单一突出煤层或无保护层开采的突出煤层。 48(一) 网

19、格钻孔预抽瓦斯防止突出 大面积网格预抽瓦斯防突的钻孔控制范围为工作面回采区及其巷道轮廓线以外15m的范围，在此范围内均匀施工钻孔进行有效预抽。中梁山、北票、芙蓉、天府、松藻和六枝矿务局都先后试验过网格钻孔预抽瓦斯的技术，并取得了良好的效果。 网格预抽瓦斯防止突出，就是用均匀且较密集的布孔，使钻孔在突出煤层内的终孔点成网格状（防止煤层内有抽放的死角），通过尽量短的预抽时间，使总抽出量能达到钻孔控制区域瓦斯储量的25%以上，达到有效防突的目的。 网格钻孔预抽瓦斯防突方法与开采保护层相比，井巷工程量可以减少一半以上，节省准备时间11.5年。投入成本仅为开采保护层的三分之一。综合比较，网格钻孔预抽瓦斯

20、措施具有施工安全、工程量少、准备时间短、投入少等优点，具有良好的推广应用前景。在有条件的工作面，网格钻孔预抽瓦斯方法同本煤层预抽瓦斯方法配合，抽放效果更好。49(二)顺层长钻孔预抽瓦斯防突技术 网格式穿层钻孔抽放方式对于许多高瓦斯、突出矿井防治煤与瓦斯突出和降低瓦斯涌出量起到了显著的作用。但是与之相比，顺层钻孔完全沿煤层钻进，抽放的效率高；可利用生产巷道打钻，节约了辅助岩巷；钻孔的施工速度比较快，施工成本也低。因此，扩大顺层钻孔的应用对于煤矿降低抽放成本和增大抽放应用规模有非常重要的意义。 顺层钻孔的成孔长度是影响其抽放效果和应用范围的重要因素，如果不能达到一定的长度，则钻孔在巷道排放瓦斯带内

21、的比例相对较大，抽放效率降低。此外，区域性瓦斯治理措施的基本要求是在该区域采掘工作开始之前即应消除或降低煤层的瓦斯威胁。短钻孔无法使抽放作用有效地延伸到未采掘的区域，只能用于本工作面内的局部瓦斯抽放，也就不能起到目前穿层钻孔具有的区域性预抽作用。所以，为了扩大顺层钻孔在抽放瓦斯领域的应用，成孔技术是前提，合理的布置方式和参数则是实现有效抽放的手段。顺层长钻孔抽放应用范围较为广泛，不仅可用于覆盖整个工作面煤层的区域性抽放，也可用于煤巷条带的预抽；既能沿倾向施工，也能沿走向控制煤层；既适用于高瓦斯煤层抽放，也适用于区域性防突。所以，顺层长钻孔预抽瓦斯的经济效益十分显著，对于促进高瓦斯、突出矿井的瓦

22、斯抽放具有十分重要的意义。 503、煤层注水 随着煤体的湿润，可对引起突出的因素（包括煤层的瓦斯动力学性质及物理力学性质）产生影响，使煤的湿度、瓦斯涌出量、瓦斯压力及煤体应力都发生变化。其原因是水改变了煤的力学性质，增加了煤的可塑性，降低了煤的弹性能，使应力分布均匀化，弹性能释放的速度变小，降低了释放的功率；水进入煤的孔隙，抑制了瓦斯的排放，可使煤的瓦斯放散初速度大大降低，减少了发生突出的可能性。 煤层注水有长钻孔（区域性措施）和浅孔（局部措施，一般用于采煤工作面防突）两种。按其工艺划分为高压注水和中压长时注水。高压注水压力应根据煤层软硬程度和透气性来确定。松软煤层注水压力不宜过大，一般以69

23、MPa为宜，硬煤注水压力以1015MPa为宜。封孔方式可用水泥或水力膨胀式封孔器。中压长时注水则是依靠静水压力，缓慢地将水注入或吸入煤体内部，做到均匀湿润煤层。为了提高注水速度和湿润效果，可在水中添加湿润剂。采用静压注水系统，注水最大压力即为水管压力，压力不低于0.4Mpa。 51 局部性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。根据防突措施的应用场所可分为石门揭煤措施、煤巷掘进措施和采煤工作面措施。 1、 石门揭煤防突措施 前述突出大多数发生在煤巷掘进工作面，石门发生突出次数仅占5.76，主要是突出矿井石门揭煤次数少。统计表明我国千吨以上的特大型突出几乎都发生在石门揭煤工作面，

24、因此可以认为在各种作业场所中石门发生突出的危险性最大。 对石门揭煤，细则规定：探明石门和煤层相对位置；测定瓦斯压力进行突出预测；预测有突出危险时采取防突措施；进行措施效果检验；用远距离放炮或震动放炮揭开或穿过煤层；在巷道与煤层连接处加强支护；穿透煤层进入顶（底）板岩层。 石门揭煤措施可以采用排放钻孔、水力冲孔、抽放瓦斯、金属骨架等其它经试验证明有效的措施。 第四节 局部性防治突出措施52 抽放瓦斯措施要求：煤层透气性比较好，有足够的抽放时间（一般不少于3个月）；钻孔控制石门周边界外3m4m。抽放孔径75100mm，孔底间距一般为2m3m。在抽放孔控制范围内，如预测指标降到突出临界值以下，认为措

25、施有效。 排放钻孔措施要求：有足够的排放时间；排放孔控制石门周界外3m5m煤层；排放孔径75100m，孔底间距按有效排放半径确定，一般不大于2m；缓倾斜煤层，钻孔不能一次穿透煤层全厚，可以分段打，但第一次打钻穿煤长不得小于15m，且进入煤层后排放钻孔必须留有5m最小超前距。在排放钻孔控制范围内，必须进行措施效果检验。如效果检验指标降到突出危险临界值以下，措施有效。53金属骨架措施要求： 适用于软煤和软围岩的薄和中厚煤层； 要求在石门上部和两侧周边外0.51.0m范围布置骨架孔； 骨架孔要进入顶板0.5m，孔间距应小于0.2m； 骨架材料可选用8kg/m钢轨、型钢或直径不小于50mm钢管； 揭开

26、煤层后严禁拆除金属骨架。 我国应用金属骨架措施实践表明，对防止倾出类型的突出，金属骨架措施是有效的，而对突出十分严重的煤层，仅靠金属骨架措施尚不能有效防止突出，因此，目前金属骨架一般与其它措施配合使用，仅作为一种辅助措施。 54 扩孔钻卸煤措施要求： 扩孔钻卸煤措施是利用可伸缩钻头，将石门前方煤体部分掏出，使煤体卸压，排放瓦斯，达到防突目的的一种方法。为防止卸煤过程中上部悬煤垮落，使用该措施时，在石门上部架设金属骨架。 钻孔卸煤措施分两个步骤进行。首先是架设骨架，当石门工作面距煤层最小垂距为1.52m时(如岩柱岩石松软应增加0.51m)，沿石门轮廓线打1519个直径为100mm或75mm的骨架

27、孔，孔间距0.3m。然后向骨架孔插入直径为89mm的钢管或8kg/m的重钢轨，再向孔内注入水泥砂浆固化。第二部是打钻卸孔，在石门工作面打直径为150mm的钻孔，当钻孔进入煤层0.4m后，停钻更换扩孔钻具，扩孔直径500mm，直至煤层全厚。 下图为抚顺分院国家“十五”攻关项目在淮南试验所用钻头（收缩和扩张状态），是抚顺分院研制的专用防突机械伸缩式扩孔钻头，钻头总长420mm，未扩张时直径为108mm，扩张时最大直径为230mm。排放钻孔岩石段孔径为108mm，见到煤层后更换机械可伸缩扩孔钻头进行施工。 55机械伸缩式扩孔钻头562、 煤巷掘进防突措施 煤巷掘进防突措施主要有大直径钻孔、超前钻孔、

28、松动爆破、水力冲孔、煤层高压注水、前探支架等，国外还有卸压槽、煤层水力疏松。其中超前钻孔和松动爆破措施是国内应用最普遍的煤巷掘进局部防突措施。超前钻孔措施 是在工作面前方煤体内打一定数量的钻孔，并始终保持一定距离的超前距，使工作面前方煤体卸压，排放瓦斯，达到减弱和防止突出的目的一种方法。钻孔可分为大（120300mm）、小(120mm)直径钻孔。 超前钻孔孔径一般应为75300mm，地质变化剧烈地带也可采用孔径为42mm的小直径孔。其钻孔布置主要取决于钻孔的有效影响半径和所需形成的卸压和排放瓦斯范围。排放孔的控制范围应包括巷道断面和轮廓线外不得小于2m。57煤巷深孔控制卸压爆破防突技术 煤巷深

29、孔控制卸压爆破防突技术的实质是：在煤层掘进工作面正前方煤体中，打若干个 2530m深的钻孔，其中有爆破孔（直径5075mm）和控制孔（直径90 120mm）。通过爆破作用，煤体内产生破碎圈带及松动圈带，使地应力峰值转移，同时加速排放高压瓦斯，降低瓦斯压力梯度，减小突出势能，实现空间和时间上的超前防护作用，从而达到防止突出的目的。58 深孔控制卸压爆破作用原理 （1）形成破碎圈带 深孔控制卸压爆破中有爆破孔和控制孔，控制孔的存在相当于在爆破孔周围增加了辅助自由面。它不仅缩小了爆破抵抗线的长度，而且导致爆破作用结果的变化。 炸药起爆以后，首先产生高压冲击波和高压爆生气体，当高压冲击波作用于孔壁时，

30、孔壁及周围煤体就承受着很高的动载荷，其强度要高出煤体抗压强度许多倍，所以导致炮孔周围煤体产生过度粉碎。然后冲击波以应力波的形式向周围传播；当应力波传播到控制孔孔壁时，产生应力波反射。由爆破孔产生的压应力波和控制孔产生的反射拉伸波相互叠加，使得布孔区间的煤体处在叠加应力场中，沿反射波阵面的切线和法线方向均处于受拉状态，且沿控制孔和爆破孔中心连线上所受拉应力最大，因此产生贯通爆破孔和控制孔的裂隙。在爆炸应力波作用同时，紧随应力波之后，高压爆生气体作用于煤体，楔入煤体裂隙，促使裂隙迅速扩展，导致煤体破碎；几个爆破孔与控制孔同时作用的结果，在布孔区间及周边产生一个较大的破碎圈带。 59 （2）形成松动

31、圈带 当爆破冲击波以应力波形式向外传播到一定距离时，虽然应力波不能直接压碎煤体，但它的传播却使煤体质点产生了沿应力波传播方向的一种运动趋势或位移，这势必伴生出切向拉伸应力，其与径向压应力的关系为： 式中 切向拉应力； 径向压应力； V泊松比 由于煤的抗拉强度远小于其抗压强度，即拉=(1/101/20)压，所以当切向拉应力大于煤体极限抗拉强度时，煤体受拉断裂，从而产生一系列向外延伸的放射状径向裂隙；与此同时，爆生气体高速度冲入裂隙，使裂隙扩展延伸。 随着应力波的向外传播及爆生气体的逸散，以药腔为中心形成一个稀疏波向外传播，原被径向压缩应力波强烈压缩的煤体随即卸载，煤体质点产生了一种与稀疏波阵面运

32、动方向相反的指向药腔中心的运动趋势，由此产生指向药腔中心的径向拉应力及伴生的切向压应力，煤体就向着药包拉断，产生环向裂隙；最后在破碎圈带以外形成了径向裂隙与环向裂隙相互交错的区域，称之为松动圈带。 综合上述说明，由于控制孔的控制与补偿作用，导致炸药爆炸部分能量有效地作用在布孔区间的煤体上，使得工作面前方煤体内产生一个直径11.2m、长2O25m具有较大空隙的破碎圈带；同时在破碎圈带以外产生一个范围更大的松动圈带。60深孔控制卸压爆破防突机理 深孔控制卸压爆破后，在工作面正前方煤体中形成一个长2025m的破碎圈带和松动圈带。破碎圈带和松动圈带的形成，有利于消除煤体结构不均，卸除较高的地应力，排放

33、高压瓦斯，降低能量梯度，从而消除突出危险或降低突出危险程度。（1）排放瓦斯 破碎圈带和松动圈带形成以后，煤体内存在大量裂缝、裂隙，煤体透气性增加，为瓦斯流动创造了有利条件；在爆破段的轴向方向上，大量的瓦斯通过破碎圈带和松动圈带排出，从而使高压瓦斯得以充分加速释放，降低了轴向的瓦斯压力梯度；在径向上，由于地应力峰值转移到两帮深处，以及破碎圈带和松动圈带内的瓦斯排出，因而在爆破影响范围内形成一个指向爆破中心的瓦斯流动场，两帮的瓦斯便由破碎圈带和松动圈带排向巷道空间，降低了径向上的瓦斯压力梯度。 61（2）转移地应力 破碎圈带和松动圈带形成以后，工作面正前的煤体结构趋于均匀，地应力重新分布，使集中应

34、力带向纵深处的非爆破带转移，降低了爆破段轴向的地应力梯度；在爆破段径向上，处于高应力状态的松动煤体将向破碎圈带方向产生一定的“流变”，煤层内的弹性潜能有充足的释放空间，使集中应力带向两帮深处转移，降低了径向方向的地应力梯度。（3）超前防护作用 由于深孔控制卸压爆破具有孔深的特点，一次爆破长度可达2025m，甚至更长，爆破后在爆破段掘进时，破碎圈带和松动圈带始终存在。掘进过程中，工作面前方煤体中的瓦斯不停地以较快的速度向巷道空间排放，使工作面前方煤体内的地应力、瓦斯压力提前24天得以超前释放，从而起到超前防护作用。 62 深孔控制卸压爆破工艺及设备（1） 打钻工艺及设备 在深孔控制卸压爆破中有爆

35、破孔和控制孔，为了保证爆破孔的成孔质量和防止孔内积水，爆破孔必须采用风力排粉工艺打钻。 钻机可选用3KW岩石电钻，钻架为组合式可调钻架。这种钻架安装拆卸方便快捷，控制面积大，一次稳钻可打多方位、多角度的钻孔。 为了防止钻孔跑偏，保证布孔间距基本保持一致，钻头应选择具有一定定向能力的钻头。（2） 装药工艺及设备 装药结构为散粉连续耦合装药，孔内敷设导爆索，正向起爆。选用BQF-5OA型装药器和抗静电阻燃塑料管实现散粉连续装药。（3）封孔工艺及设备 封孔工艺为压风喷泥连续封孔；封孔设备为BQF-5OA型装药器；封孔材料为黄土。 63 深孔控制卸压爆破防突效果 由于深孔控制卸压爆破一次起爆长度在20

36、25m，同时又有控制孔作为产生裂斜的 补尝空间，爆破后在掘进工作面前方煤体中形成一个长为2025m、具有较大裂斜的破碎圈带，实现了空间上、时间上的超前防护作用。具有防突效果显箸、见效快的特点，可大幅度提高强突出煤层巷道掘进速度，节约措施费用。 通过焦作、平顶山矿区的应用实践说明，该措施有效率可达到85%以上，（即：在使用该措施后，85%可以完全解除突出危险性；有15%可在补充排放钻孔等措施的情况下解除突出危险，实现安全掘进。）64边掘边抽与排放钻孔相结合的措施 在具有瓦斯抽放系统、瓦斯涌出量大及突出危险性严重的矿井煤巷掘进时，可采用边掘边抽、抽掘结合，并配以排放钻孔的防突措施。该方法近年来在淮

37、南应用较多。 其具体布置方式为：在顺槽的巷道两帮沿底板，对称各做一个钻场，左帮施工442.4m钻场，右帮施工432.4钻场，每个钻场施工4个钻孔，每个钻孔深保证60m以上，直径为91mm的长抽放钻孔，孔口距巷帮大于2m，钻孔与巷道中线成24的夹角，钻场间距为50m，即巷道向前掘进55m停头，退后5m做钻场。钻孔压茬10m，钻孔施工完毕后用聚胺脂封孔，24小时不停抽放；工作面施工12(个)16（m）91mm排放孔，循环进尺10m之后施工第二茬排放孔，排放孔超前距离6m。 65掘进巷道边掘边抽钻场及钻孔布置示意图663、采煤工作面防突措施 随着矿井开采深度的增加和开采强度的增大，我国回采工作面的突

38、出日益严重。而采煤工作面突出的防治技术及其配套装备的研究在国内起步较晚,目前一般采用的局部防突措施有超前排放钻孔、浅孔松动爆破、注水等，由于这些局部性防突措施作用范围小，占用采煤时间以及不便实施等原因，难以满足安全高效生产之需要。 67第四章 安全防护措施第一节 安全防护措施概述 安全防护措施是“四位一体”综合防突措施的第四个环节，其目的在于突出预测失误或防突措施失效发生突出时，避免造成人员伤害事故，从而建立起防止突出事故的第二道生命保障线。 安全防护措施主要包括石门揭穿突出煤层的震动放炮、采掘工作面的远距离放炮、反向风门、避难所、压风自救系统和作业人员必须配带隔离式自救器等。68 1、震动性

39、放炮震放炮的作用： 震动放炮是一种诱导突出的方法。由于震动性放炮是在人员远离工作面的条件下进行的，所以它是防止发生突出人身事故的一种安全防护措施。震动放炮时对爆破工作面产生的强大震动力和破碎，使工作面前方煤体应力和瓦斯动力状态突然改变，给突出发生创造了最为有力的条件。该法于1890年首先在法国应用，当前仍是世界各国在防突安全方面所用的主要方法。震动放炮技术要求 石门震动放炮要求一次全断面揭穿(薄煤层)或揭开(中厚、厚煤层)突出煤层。对急倾斜和倾斜的中厚和厚煤层，要求一次全断面揭入煤层的深度应不小于1.3m；对缓倾斜煤层，应一次全断面揭开煤层。 震动爆破爆破孔的装药量根据我国各突出矿井的统计，采

40、用毫秒雷管时，爆破单位体积岩石的装药量为23kg/m3；采用瞬发雷管时为34.5kg/m3。 为提高爆破效果，加大一次爆破的深度，可用深孔掏槽布孔方法，即先在石门中心部位打几个直径100200mm的钻孔，这些钻孔不装药，作为爆破时的附加自由面。 69实施震动放炮的要求：震动放炮前，揭穿煤层的工作面必须有独立的回风系统，回风系统必须保证风流畅通。在石门进风侧的巷道中，为了防止突出的瓦斯逆流进入进风系统，应设置两道坚固的反向风门。放震动炮时，将反向风门关闭，不放炮时将风门敞开。震动放炮一次启动全部炮眼，崩开石门全断面的岩柱，如果第一次震动放炮未能全断面揭开煤层，则第二次爆破作业仍须按震动放炮的各项要求进行，直到揭穿煤层为止。震动放炮必须有专门设计，设计中对爆破参数、放炮地点、反向风门位置、避灾路线、停电、撤人和警戒范围等，应根据石门揭煤地点的地质、开采条件，做出明确的规定。岩石眼不得打入煤层，眼底距煤层应保持0.2m。如已打入煤层，应在眼底充填不小于0.2m长的炮泥。打穿煤层的炮眼在煤、岩层段应分段装药，并用长0.25m的炮泥隔开。所有炮眼装药后都应现充填12个水炮泥，然后再封炮泥直到眼口。震动放