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1、煤矿防突工作业,邯郸矿业集团培训中心周敬朝,第一部分、突出概述,一.煤与瓦斯突出基本概念二、煤与瓦斯突出简史三.煤与瓦斯突出的危害四.突出煤的物理力学性质五.煤与瓦斯突出的分类六.煤与瓦斯突出的预兆七.煤与瓦斯突出的规律八.典型案例,一、煤与瓦斯突出的基本概念,煤与瓦斯突出是在煤矿井下开采过程中，在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤岩由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出，并伴随涌出大量瓦斯的一种很复杂的异常动力现象。,二.煤与瓦斯突出简史（1）,根据资料记载，世界上突出已有170多年的历史。1834年3月22日，法国鲁阿雷煤田依萨克煤矿，在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次煤与瓦斯突出。
2、据不完全统计，世界上约有20多个国家和地区发生煤与瓦斯突出30000多次。其中中国、俄罗斯、法国、波兰和日本五个国家突出比较严重。世界上最大一次突出发生在1969年7月13日，是前苏联的顿巴斯矿区加加林煤矿，当石门揭穿厚仅1.3米煤层时，发生了突出，突出煤（岩）14200吨，涌出瓦斯25万立方米。,煤与瓦斯突出简史（2）中国,中国是世界上突出最为严重的国家，目前有270多个突出矿井，已发生突出15000余次，占世界各种突出总数的40%以上。突出的主要省份有四川、重庆、湖南、贵州、江西、河南、辽宁、黑龙江等。国有重点煤矿有记载的最早的一次突出发生于1950年4月20 日，是吉林辽源矿务局富国矿西
3、二坑。我国最大的一次突出发生在1975年8月8日，是四川天府矿务局三汇坝一矿在主平硐揭穿煤层时发生的，突出煤（岩）12780吨，涌出瓦斯近140万立方米。,三.煤与瓦斯突出的危害,煤与瓦斯突出是一种及其复杂的动力现象，它在短时间内向采掘空间抛出的大量煤(岩)并涌出大量的瓦斯，给矿井安全生产造成严重威胁。(1)突出煤流充塞巷道，能摧毁巷道设施，机电设备，破坏通风系统；(2)突出煤流埋人死亡，高浓度瓦斯造成人员窒息死亡；(3)遇火源引发瓦斯燃烧和爆炸等。,案例1：,1879年4月17日，比利时曾发生一次突出，突出强度为420吨，涌出瓦斯50万立方米，瓦斯喷出时，逆风流从提升井冲到地面，距井口23米
4、的炉火导致瓦斯燃烧，火焰高达50米，井口建筑物烧成废墟。两小时后，火焰将熄灭时，又引起瓦斯连续爆炸7次，每隔7分钟爆炸一次。当时井下有209人，死亡121人，地面烧死3人，11人被烧伤。,案例2：,97年10月3日，辽宁抚顺矿务局老虎台矿-880m首采区-780水平中央运输石门掘进工作面发生煤与瓦斯突出，突出煤量1017吨，涌出瓦40337立方米，造成7人死亡。其中在工作面作业的6人被煤流与瓦斯冲出15m后被煤流埋住死亡，另有一人在距离工作面约80m以外的中央进风石门拐弯处被瓦斯窒息死亡。工作面装岩机和两台矿车被冲出13到15m远，部分支架扭曲变形。突出煤堆积长度85米，发生突出时有连续2分钟
5、左右的轰隆声，并有大量瓦斯涌出，进风石门口瓦斯瞬间达到10%，石门口以里瓦斯达到40%以上，造成风流逆转300米以上。,四.突出煤的物理力学性质（1）,煤与瓦斯突出发生在煤层中，煤的结构特征对突出也有显著影响。根据大量突出点的调查统计，在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱、煤质松软的特点，人们习惯上把这种煤叫做软分层，或称软煤。在突出矿井，煤质变软是突出的一种预兆。所谓软分层或者软团块、软煤，是与正常煤层相比而言的。这种煤层比正常煤分层的强度明显降低，具有极端的松散性和易碎性，用手捻搓易成厘米、毫米级碎粒甚至煤粉。从地质角度分析，软分层煤属于构造煤，它是煤层在构造应力作用下形变的产物。,
6、突出煤的物理力学性质（2）,按照煤在构造作用下的破碎程度，构造煤分为三种类型：碎裂煤：煤被密集的相互交叉的裂隙切割成碎块，这些碎块保持尖棱角状，相互之间没有多大的位移，仅在一些剪性裂隙表面煤被磨成细粉，原生结构可见。碎粒煤：煤已破碎成粒状，由于运动过程中颗粒间相互磨擦，大部分颗粒被磨去了棱角，并被重新挤压，主要粒级在1mm以上。原生结构已破坏，构造镜面发育。糜棱煤：煤已破碎成细粒状或细粉状，并被重新挤压，其主要粒级在1mm以下，有时煤粒磨得很细，只相当于岩石的粉砂级。由于这种煤是在强烈形变和发生塑性流动情况下造成的，肉眼和镜下常可看到流动构造，如长条状颗粒的定向排列等。,突出煤的物理力学性质（
7、3）,煤结构破坏程度的分类国内外不少研究者采用煤结构的破坏程度预测煤与瓦斯突出的危险性。煤的结构与突出的关系主要表现在原生结构被破坏的构造结构上。煤的结构破坏越严重，煤的机械强度也就越小，而且破坏后的煤增加了破裂面，煤内瓦斯的放散速度亦大为提高，因而，突出危险煤层的全部或大部分是由裂隙极多、镜面发育、层理紊乱、破碎严重的煤所组成，这就是所谓的“构造煤”。苏联和我国一些单位对煤结构破坏程度的研究，进行了煤的破坏类型划分，从突出危险性区域预测的需要出发，对煤的破坏类型做了划分，见下页煤的破坏类型表,突出煤的物理力学性质（4）,突出煤的物理力学性质（5）,煤的物理力学性质研究意义1.构造煤是引起突出
8、的必要条件之一（发生突出的地点必须有构造或叫软分层的存在）。2.突出煤层中构造煤厚度的增大，突出危险性也相应的增强。3.对构造煤宏观、微观的研究，有助于我们认识突出发生的内在原因和机理。4.构造煤的厚度变化和分布规律在一定程度上标志着突出发生的危险程度，对构造煤分布规律的研究有助于我们从地质角度进行突出预测。,五.煤与瓦斯突出的分类,5.1 按动力现象的力学特征分类 按照动力现象的力学的基本特征，可分为三类，即：突出、压出、倾出，统称为煤与瓦斯突出。5.2 按突出的强度分类 按照突出强度的大小可分为四类，即：小型、中型、大型和特大型。,1、突出的基本特征,煤与瓦斯突出，简称突出，其基本特征为：
9、1.突出的煤向外抛出距离较远，具有明显的分选现象；2.抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；3.抛出的煤破碎程度高，含有大量的块煤和手捻无粒感的煤粉；4.有明显的动力较应，破坏支架，推倒矿车，破坏和抛出安装在巷道内的设施；5.有大量的瓦斯（二氧化碳）涌出，瓦斯（二氧化碳）涌出量远远超过突出煤的瓦斯（二氧化碳）含量，有时会使风流逆转；6.突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、到瓶形以及其它分岔形等。,煤与瓦斯突出基本特征图示,2、压出的基本特征,煤与瓦斯压出，简称压出，其基本特征为：1.压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出，但位移和抛出的距离较小；2.压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中，常留有
10、细煤粉，整体位移的煤体上有大量的裂隙；3.压出的煤呈块状，无分选现象；4.巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量增大；5.压出可能无孔洞或呈口大腔小的楔形孔洞。,煤与瓦斯压出的基本特征图示,3、倾出的基本特征,煤与瓦斯倾出，简称倾出，其基本特征为：1.倾出的煤按自然安息角堆积，并无分选现象；2.倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂（厚煤层）方向发展；3.无明显动力效应；4.倾出常发生在煤质松软的急倾斜煤层中；5.巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量明显增加。,煤与瓦斯倾出的基本特征图示,2、按突出的强度分类,突出强度是指每次突出的煤岩数量和涌出的瓦斯量，主要以突出煤岩量做为划分突出强度的依据。小型突出：强
11、度小于100吨；中型突出：强度100吨（含100吨）500吨（不含500吨）之间；大型突出：强度在500吨（含500吨）1000吨（不含1000吨）之间；特大型突出：强度在1000吨（含1000吨）以上。,六.煤与瓦斯突出的预兆,实践证明，大多数突出都有一些能为人的感官觉察到的预兆。熟悉和掌握它，并在现场工作中注意观察，对于减少突出危害，保证人身安全，有着重要意义。突出的预兆主要表现在以下三个方面：,煤与瓦斯突出的预兆(1),地压显现方面的预兆：煤炮声、支架折裂声、煤岩开裂、自行剥落、掉渣、底鼓、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔、顶钻、夹钻等。瓦斯涌出方面的预兆：瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小、煤尘增
12、大、气温和气味异常、打钻喷孔、出现哨声、风声和蜂鸣声等。煤层结构与构造方面的预兆：煤层层理紊乱、煤体干燥、煤体松软或强度不均匀、煤的色泽暗淡、煤厚与倾角变化、挤压褶曲、波状隆起、断层等。概括起来，这些预兆可分为有声预兆和无声预兆。,煤与瓦斯突出的预兆（2）,有声预兆：地压活动剧烈、顶板来压、不断发生掉渣和支架断裂声；煤层产生震动、手扶煤壁感到震动和冲击；听到煤炮声或闷雷声，一般是先远后近、先小后大、先单响后连响，突出时伴有巨雷般响声。无声预兆：工作面遇到地质变化、煤层厚度不一，尤其是煤层中软分层变化；瓦斯涌出量增大或忽大忽小；气温降低、煤层层理紊乱、硬度降低、光泽暗淡、煤体干燥、煤尘飞扬、有时
13、煤体碎片从煤壁上弹出；打钻时严重顶钻、夹钻或喷孔等。,七、突出的一般规律(1),(1)开采深度增加，突出危险性增大；如平顶山矿区，89年以前矿井的开采深度大多在垂深400m以上开采，属非突出矿区。但随着开采深度的增加，八矿、十二矿、十矿、五矿、四矿相继发生突出，由原来的高、低瓦斯矿井升格为突出矿井。目前这些矿井的开采深度已达到800m以上。(2)突出多发生在地质构造区；如平顶山矿区的125次各类型突出，突出点有地质构造的占73次，占总突出次数的58.4。(3)煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，煤层越厚，特别是软分层厚度增加，突出危险越大。如平顶山矿区的突出，60以上与煤层中的软分层厚度有关。,
14、煤与瓦斯突出的一般规律（2）,(4)采掘应力集中区容易发生突出。有以下几种情况：a、相邻巷道的应力叠加（包括两巷相交和巷道贯通等）;b、采区巷道的应力叠加；c、相邻采场的应力叠加；采场的影响范围比较大，两采场互 相接近，产生的应力叠加更加明显。有以下几种情况：采空区和采面应力叠加、相向回采和邻近煤层采掘活动引起的应力叠加等。(5)围岩的透气性越差，致密岩层越厚，突出危险越大。(6)突出常发生在外力冲击作用下，如放炮、割煤等；如平顶山矿区的125次突出，放炮57次，割煤48次，占突出总次数的84,煤与瓦斯突出的一般规律（3）,(7)突出的气体主要是沼气，亦有二氧化碳；如平顶山矿区的突出气体均为沼
15、气等。(8)发生突出前大都有预兆。如平煤125次突出，有突出预兆的占114次，占总次数的91.2%。(9)绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面。石门突出危险性最大。如平煤掘进工作面突出计87次，占总次数的87%。(10)煤层突出危险区常呈带状分布。,第二部分煤与瓦斯突出的防治技术,一.煤与瓦斯突出机理二.“四位一体”综合防突措施三.煤层突出危险性预测四.防治突出措施五.防治突出措施的效果检验六.安全防护措施,一.煤与瓦斯突出机理（1）,突出机理就是解释发生突出的原因和过程的理论。煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，世界上许多产煤国家对煤与瓦斯突出的机理开展了广泛研究，提出了多种假说。,煤与瓦斯突出机
16、理（2）,1、国外煤与瓦斯突出假说瓦斯为主导作用的假说地压为主导作用的假说化学本质假说能量假说 综合假说2、国内煤与瓦斯突出假说流变假说球壳失稳假说,瓦斯为主导作用的假说,地压为主导作用的假说,化学本质假说,能量假说,苏联B.B.霍多特提出，长期以来在国际上享有盛誉。在实验室试验的基础上，从能量的观点出发，用数学方法分析计算了煤层的变形潜能Wt、瓦斯内能以及造成突出破坏需要的能量A，提出了能量假说。,球壳失稳假说,突出的发生发展是以球盖状煤壳的形成、发展及失稳抛出为特点的突出过程的实质是地应力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的球壳失稳破坏瓦斯膨胀能是发动突出的真正的动力及能源
17、,流变假说,含瓦斯煤岩体在外力的作用下，当达到或超过其屈服载荷时，则明显地表现为时间上的三个阶段，即变形衰减阶段、均匀变形阶段和加速阶段第、第阶段对应于突出的准备阶段，第阶段是突出的发生发展阶段，突出是含瓦斯煤岩体快速流变的结果瓦斯、地应力、煤的物理力学性质和时间过程是突出的重要影响因素,综合假说,50年代中期，苏联A.A.斯科琴斯基院士根据开采突出危险煤层的经验以及当时科研工作的成果，提出煤与瓦斯突出是由地应力、煤层瓦斯和煤层物理力学性质综合作用的结果。目前综合假说得到普遍认同，是瓦斯突出防治技术的理论基础。突出的动力是 地应力和 煤层中的瓦斯;突出的阻力是 煤层的物理力学性质。这三者称为煤
18、与瓦斯突出的“三因素”,煤与瓦斯突出机理（3）,3、煤与瓦斯突出的三因素：1地应力的作用 突出煤层中存在着地应力，它包括上覆岩层自重应力、地 质构造应力和采掘集中应力，采掘工作面前方局部煤体内存在一个集中应力带，这里的地应力高于原始煤体的应力，瓦斯压力接近于原始煤体的瓦斯压力。地应力的作用，一是使煤体产生位移和突然破碎，煤由静 态变为动态；二是地应力影响煤体内部结构，控制着瓦斯的流动。由于工作面前方煤体内存在着一个集中应力带，使距掘进迎头L米的集中应力带内，煤的裂隙、孔隙受压缩 变小，阻碍煤体内瓦斯的正常运移流动。那么，什么是地应力呢？我们通过一个简单的物理现象来予以说明。,煤与瓦斯突出的三因
19、素,我们知道，一个弹簧，给它一个压力，就产生一个反作用力1，也就是说，我们用力把弹簧压下去后，弹簧就蓄积一个弹起的能量。同样，煤岩层也具有一定的弹性，由于在几百米深的地下开采，必然受到上覆岩层给它的一个压力，使煤层蓄积一个向外膨胀的潜能.在没有开采前，煤岩体是处于三向应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，就破坏了原来的应力平衡状态，使煤岩体的应力重新分布，煤体向作业空间膨胀变形。,煤与瓦斯突出的三因素,采掘工作面地应力状况及对突出的影响：采煤工作面前方存在一个集中应力区，其峰值距离采面煤壁的距离越小，越容易破坏采面煤体而引发煤与瓦斯突出。因此，必须加强工作面支护，使采面煤体的集中应力向煤体
20、深部推移，或在采面采取人为卸压措施，如打排放钻孔、实施浅孔爆破等。掘进工作面前方的地应力，可分为三个带，即：卸压带、集中应力带和常压带，亦叫做原始应力区。从防突角度讲，集中应力区距离工作面越近，工作面煤体越易发生破坏而引发煤与瓦斯突出。解决该问题的措施，就是在突出危险区域采取人为卸压措施，如打排放钻孔、实施深孔爆破和放慢掘进速度等，使集中应力带向深部推移.,煤与瓦斯突出的三因素,以上情况说明，具有较高的地应力是发生煤与瓦斯突出的先决条件，即起着发动突出的作用。在地质构造带，由于构造应力的存在，就是采深不大也可能发生突出。因此，发生煤与瓦斯突出的第一个充分必要条件是：煤层和围岩具有较高的地应力和
21、瓦斯压力，并且在近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化，使潜能有可能突然释放。应力状态的变化一般有下列原因：,煤与瓦斯突出的三因素,（）、巷道进入地质破坏区；（）、石门揭开煤层时；（）、巷道从硬煤进入软煤带；（）、煤的冒落等。另外还有工作面迅速推进时；煤层突然加载，如巷道顶板下沉；煤层突然卸压，如悬臂梁断裂等。,煤与瓦斯突出的三因素,2瓦斯的作用 瓦斯是成煤过程中的产物，以游离状态和吸附状态存于煤裂隙和孔隙中，促使煤体产生潜能，降低煤的强度。）煤体中瓦斯含量是指每吨煤所含的瓦斯量，也就是煤体中游离和吸附两种状态瓦斯量的总和。其中吸附瓦斯量占瓦斯含量的8090%以上。瓦斯压力决定煤层中瓦斯含量的
22、多少，是造成瓦斯突出的重要能源。在卸压带瓦斯压力梯度是平缓的，在集中应力带瓦斯压力梯度显著增大，形成作用于压力降低方向（掘进迎头）的力，参与突出的发展。,煤与瓦斯突出的三因素,在掘进巷道揭露煤层引起瓦斯流动后，随着煤壁暴露时间 的不断增长，流动场范围 不断扩大，工作面附近瓦斯压力梯度不断下降变缓。最危险的是在时，即爆破见煤的瞬时，瓦斯压力梯度最大，此时最容易发生突出。因此，煤与瓦斯突出发展的第二个必要和充分条件是：有足够的瓦斯流把碎煤抛出，并且突出孔道要畅通，以便在空洞壁形成较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，从而使煤破碎向深部扩展,煤与瓦斯突出的三因素,3煤的物理力学性质与突出的关系 煤结构和力
23、学性质，与发生突出的关系很大。一般来说，煤愈硬、裂隙愈小，所需的破坏功愈大，要求的地应力和瓦斯压力愈高。反之亦然。因此，在地应力和瓦斯压力为一定值时，软煤分层易被破坏，突出往往沿软煤分层发展。,煤与瓦斯突出的三因素,4外部因素的影响 外部因素（工作面推进度、爆破等）对煤与瓦斯突出的发生和发展也有重要影响。工作面快速推进时，有助于应力状态发生突然变化，从而激发突出。反之，工作面缓慢推进时，应力状态变化是平缓的，发生突出的可能性就小。工作面若快速推进时，由于工作面前方煤体中集中应力带没有向深部推移时间，高压瓦斯没有有效排放，造成集中应力带距离工作面的正常距离1大于异常距离2，使工作面突出危险性增加
24、，特别是在爆破瞬间的突出危险性最大。,二.“四位一体”综合防突措施,1.防突技术的发展煤与瓦斯突出在煤矿出现已经超过一个半世纪，为了防治突出和避免造成人身伤亡事故，国内外进行了大量的研究，提出和应用了多种防突措施。纵观防突技术的发展史，大体有三个发展阶段：1、以安全防护措施为主的阶段，即在突出发生时，避免发生人身伤亡事故。在本世纪50年代前，属于这一阶段。,防突技术的发展,2、是以防治突出措施为主的阶段，即在突出矿井普遍采用防突措施，使它不发生突出。本世纪5070年代属于这个阶段。3、是采取综合防突措施阶段，即将突出危险性预测引入综合防突措施。前苏联在70年代中期开始采用综合防突措施，我国80年代末开始采用防突综合措施，1988年我国防突细则颁布后，在各突出矿井普遍推广。,2.“四位一体”综合防突措施,突出危险性预测防治突出措施防治突出措施的效果检验安全防护措施,三.突出危险性预测,1、突出危险性预测分类2、煤层突出危险性预测流程3、区域突出危险性预测4、工作面突出危险性预测,1、突出危险性预测分类,突出危险性预测1工作面突出危险性预测（日常预测或工作面预测）2区域突出危险性预测（区域预测）(1)煤层突出危险性预测(2)突出煤层突出危险区域预测,
