煤与瓦斯突出预测及防治

煤与瓦斯突出预测及防治河南理工大学瓦斯地质研究所魏风清煤与瓦斯突出预测及防治•煤与瓦斯突出机理•煤与瓦斯突出分类•煤与瓦斯突出特征与规律•煤与瓦斯突出预测方法•煤与瓦斯突出防治措施煤与瓦斯突出机理•单因素假说•综合假说•流变假说（周世宁，何学秋）•球壳失稳理论（蒋成林，俞启香）•固流偶合失稳理论（章梦涛，梁冰）煤与瓦斯突出机理•综合作用假说•该类假说最早由前苏联的Я.Э.聂克拉索夫斯基教授在50年代提出，他认为煤与瓦斯突出是由于地压和瓦斯的共同作用引起的。到50年代中期，А.А.斯科钦斯基院士根据开采突出危险煤层的经验，以及当时的科研工作成果，提出突出是由于下列因素综合作用的结果：•（1）地压；•（2）包含在煤体中的瓦斯；•（3）煤的物理力学性质，煤的微结构和宏观结构及煤层结构；•（4）在急倾斜煤层中，煤层工作面附近的煤的自重。•这些为综合假说奠定了基础。•综合作用假说认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果。煤与瓦斯突出分类•1、按动力现象的力学(能量)特征分类•根据动力现象的力学(能源)特征不同，煤与瓦斯突出可分为突出、压出与倾出三类。•（1）发动突出的主要作用力是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。•（2）发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。•（3）发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出的主要力是失稳煤的自重。这三类力现象的发动都以地应力为主，所以它们的预兆相似(如有声响预兆等)，对震动以及引起应力集中的各因素都非常敏感，在应力集中地带、地质构造带、软煤带等处都易发生这三类现象。煤与瓦斯突出分类•2、按动力现象的强度分类•（1）小型突出：强度50t/次（突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常）；•（2）中型突出：强度50～99t／次(突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；•（3）次大型突出：强度100～499t/次(突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常)；•（4）大型突出：强度500—999t/次（突出后，经过几天回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）；•（5）特大型突出：强度1000t／次（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。煤与瓦斯突出特征与规律•根据我国主要突出矿区如天府、南桐、里王庙、焦作、六枝等的统计资料表明，突出发生的一般规律有：•（1）突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深度称为始突深度，一般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。•（2）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层。•（3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、甘肃窑街)突出二氧化碳。•（4）突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大；透气性差(透气性系数〈10m2／(Mpa2.d)〉；瓦斯故散初速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破坏的“构造煤”。煤与瓦斯突出特征与规律•（5）突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。•（7）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。•（8）绝大多数突出都有预兆。•（9）煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石门突出强度最大。煤与瓦斯突出预测方法•煤层突出危险性预测•区域突出危险性预测•工作面突出危险性预测•《防治煤与瓦斯突出细则》、《煤矿安全规程》、《煤与瓦斯突出鉴定方法》、《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》煤与瓦斯突出预测方法•1、煤层突出危险性预测•（1）突出煤层•（2）非突出煤层•（3）预测指标•A、动力现象：在采掘过程中发生过煤与瓦斯突出的煤层。•B、单项指标：煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力。煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度指标煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力，MPa突出危险Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ≥10≤0.5≥0.74煤与瓦斯突出预测方法•2、区域突出危险性预测•（1）预测指标•A、瓦斯地质统计法•B、综合指标法：D、K•（2）预测结果•A、突出危险区•B、突出威胁区•C、无突山危险区。)074.0)(30075.0(PfHDfPK煤与瓦斯突出预测方法•3、工作面突出危险性预测•（1）接触式预测方法：q、S、Δh2、K1•（2）非接触式连续动态预测方法：AE、瓦斯涌出量、T、电磁辐射等煤与瓦斯突出防治措施•1、区域性防突措施•2、局部性防突措施•防突措施的作用：减少瓦斯、降低应力煤与瓦斯突出防治措施•1、区域性防突措施•（1）开采保护层•（2）预抽煤层瓦斯•（3）煤体湿润煤与瓦斯突出防治措施•2、局部性防突措施•（1）水力松动•（2）水力压裂•（3）卸压缝•（4）卸压槽•（5）卸压腔•（6）超前钻孔•（7）水力爆破局部性防突措施•（1）水力松动•机理：水力松动的实质是在回采工作面或准备巷道工作面施工钻孔，通过钻孔向煤层压入特殊状态的水溶液，通过水对煤体结构的破坏作用改变工作面附近煤层的瓦斯动力状态和应力应变状态，在工作面附近煤层形成裂隙带，导致煤层失去支撑能力，引起集中应力带向煤体深部转移。由于煤层失去支撑能力，在工作面附近形成卸压带时，同时伴有瓦斯向外排放。局部性防突措施•（1）水力松动水力松动时裂隙发育图1—煤层工作面；2—封孔器；3—钻孔充水部分；Ⅰ～Ⅳ—裂隙发育阶段局部性防突措施•（1）水力松动•水力松动参数•钻孔深度，m………………………………………………6～11•钻孔直径，m………………………………………………42～45•钻孔封孔深度，m…………………………………………4～8•钻孔间距，m………………………………………………6～12•钻孔超前距离，m…………………………………………2～3•吨煤设计注水量，L………………………………………..20•注水压力，MPa……………………………………………局部性防突措施•（2）水力压裂•机理：借助于钻孔向煤层注入高压水，将工作面附近煤层强制压出。由于水力压裂造成工作面附近煤层向采掘空间推出，使煤层发生松动、形成裂隙。此时在水力作用区应力严重减小，煤层透气性大大提高，煤层局部卸压和湿润，压出煤体的机械强度和支撑能力降低，应力重新分布，因此最大支承应力点向煤体深部转移。局部性防突措施•（2）水力压裂•水力压裂过程•①注水开始阶段，水经钻孔注水部分进入钻孔周围的卸压区。随着注水压力增高，沿钻孔轴向的垂直和平行方向，密封弹性膨胀元件向钻孔壁传递不断升高的载荷。第一保证了钻孔及其附近煤体的可靠密封，其次在密封端头向采掘空间方向传递压力，保证在钻孔封孔深度处产生拉应力，形成煤层破坏弱面。•②注水压力达到最大值时，在煤层中封孔深度处，沿弱面形成一条平行于工作面煤壁的断裂裂缝。随着向煤层继续注水，在几乎所有情况下，断裂缝向工作面方向发生偏移。在此期间，煤层中可听到特殊的劈裂声。•③在形成断裂缝的同时，作用于裂缝壁的注水压力使该部分煤体应力升高，产生弹性变形，即发生能量积聚。当断裂缝中存在最大注水压力时，煤层的这部分附加潜能将一直保存。•④随着水力裂缝面积的扩大和附加潜能的积聚，工作面附近煤层的总绝对应力达到极限值，水力处理区域的煤层开始破坏和推出。在水力处理区域水向工作面喷出时，停止水力压裂。局部性防突措施•（2）水力压裂•水力压裂参数•钻孔深度•封孔深度•钻孔间距a•煤角至钻孔距离b•超前距离•最大注水压力和最终压力•注水时间t和注水速度v局部性防突措施•（3）卸压缝•机理：煤层卸压和排放瓦斯是防治煤与瓦斯突出的基本原则。沿工作面全长形成的卸压缝，使煤层边缘卸压，由此提高了煤层透气性，煤层瓦斯得到排放，增大了卸压排放带。局部性防突措施•（3）卸压缝•卸压缝工艺•①卸压缝的连续性和其几何参数的均匀性。•②使用专门在煤层中开缝槽的割缝机局部性防突措施•（3）卸压缝•卸压缝参数•卸压缝的位置•高度•深度•割缝速度•卸压缝煤角部分底部的形状上述参数不但要保证在割缝过程中的突出防治，而且要保证随后回采过程中的突出防治。局部性防突措施•（4）卸压槽•机理：沿煤层全厚垂直于煤层顶底板，在巷道边壁处沿巷道掘进方向切割两条卸压槽，卸压槽是两个附加的暴露面，不但有助于巷道方向的拉应变，而且也有利于卸压槽方向的拉应变。这些变形决定了由工作面和卸压槽圈定煤层的卸压和瓦斯有效排放，这种形状和范围的安全卸压带的形成，使下一循环的安全进尺成为可能。局部性防突措施•（4）卸压槽•卸压槽参数•根据顿涅茨克矿区突出危险煤层的开采经验，并考虑到安全性，卸压槽的深度应不超过2.5m，宽度为60～80mm。•卸压槽有效卸压距离为2m，故卸压槽之间的距离不应大于4m。•对于卸压槽长度的允许进尺深度，即最小超前距取0.5m。局部性防突措施•（5）卸压腔•机理：保护层开采•适用条件：半煤岩工作面在突出危险缓倾斜煤层上方卸压腔（缝）形成示意图а——利用掘进机工作机构；б——利用割缝装置1——卸压缝；2——保护岩柱；3——一个掘进循环允许的巷道工作面进尺局部性防突措施•（5）卸压腔•卸压腔参数•（1）卸压缝高度•（2）卸压缝宽度•（3）无论在掘进方向，还是在巷道侧壁的最小超前距，以及卸压缝到煤层的距离都不应小于0.5m。•（4）卸压缝长度增量采用40cm局部性防突措施•（6）超前钻孔•机理：在沿煤层打的钻孔周围出现塑性带，在塑性带内煤层应力和瓦斯含量严重下降。由于在钻孔周围煤体应力减小，煤层透气性增加，煤层瓦斯自然排放，导致其突出危险性消除。局部性防突措施•（6）超前钻孔•特点•（1）钻孔直径的增加，突出深度减小•（2）随着采矿深度、钻孔深度和直径、打钻速度的增大，在打煤层钻孔过程中突出发生的概率将增加•（3）塑性带尺寸随钻孔半径的增加而增大，随各向压缩应力的增加即采矿深度的增加而减小局部性防突措施•（6）超前钻孔•参数•（1）钻孔直径•（2）钻孔深度•（3）钻孔有效作用半径（卸压和排放作用半径）•（4）钻孔最小超前距•（5）钻孔之间的距离局部性防突措施•（7）水力爆破•机理：水力爆破可以理解为炸药在充水钻孔中的爆破。在煤层水力爆破处理时，通过煤的松动和由此引起的工作面附近煤层应力重新分布和瓦斯排放，达到防治煤与瓦斯突出。局部性防突措施•（7）水力爆破•参数•（1）钻孔深度.................................................................11m•（2）钻孔直径..................................................................60mm•（3）炸药类型...................................................№1岩石硝铵炸药•（4）炸药质量...................................................................8.4Kg•炮泥长度:•（5）水封............................................................................4.5m•（6）砂质粘土.....................................................................0.5m•炸药结构为单列圆柱局部性防突措施•（7）水力爆破•装药工艺钻孔装药工艺图а——炸药包结构；б——具有螺纹接头的金属送药杆；в——送药；г——钻孔炸药包在钻孔中的位置；