煤與瓦斯突出預(yù)測及防治

1、煤與瓦斯突出預(yù)測及防治第1頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出預(yù)測及防治煤與瓦斯突出機理煤與瓦斯突出分類煤與瓦斯突出特征與規(guī)律煤與瓦斯突出預(yù)測方法煤與瓦斯突出防治措施第2頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出機理單因素假說綜合假說流變假說（周世寧，何學(xué)秋）球殼失穩(wěn)理論（蔣成林，俞啟香）固流偶合失穩(wěn)理論（章夢濤，梁冰）第3頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出機理綜合作用假說 該類假說最早由前蘇聯(lián)的.聶克拉索夫斯基教授在50年代提出，他認為煤與瓦斯突出是由于地壓和瓦斯的共同作用引起的。到50年代中期

2、，.斯科欽斯基院士根據(jù)開采突出危險煤層的經(jīng)驗，以及當(dāng)時的科研工作成果，提出突出是由于下列因素綜合作用的結(jié)果： （1）地壓； （2）包含在煤體中的瓦斯； （3）煤的物理力學(xué)性質(zhì)，煤的微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)及煤層結(jié)構(gòu)； （4）在急傾斜煤層中，煤層工作面附近的煤的自重。這些為綜合假說奠定了基礎(chǔ)。 綜合作用假說認為：煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、包含在煤體中的瓦斯以及煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。持綜合作用假說觀點的學(xué)者都承認，煤與瓦斯突出是綜合因素作用的結(jié)果。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出分類1、按動力現(xiàn)象的力學(xué)(能量)特征分類 根據(jù)動力現(xiàn)象的力學(xué)(能源)特

3、征不同，煤與瓦斯突出可分為突出、壓出與傾出三類。（1）發(fā)動突出的主要作用力是地應(yīng)力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通常以地應(yīng)力為主，瓦斯壓力為輔，重力不起決定作用；實現(xiàn)突出的基本能源是煤內(nèi)積蓄的高壓瓦斯?jié)撃?。?）發(fā)動與實現(xiàn)壓出的主要作用力是地應(yīng)力，瓦斯壓力與煤的自重是次要因素，壓出的基本能源是煤巖所積蓄的彈性變形能。（3）發(fā)動傾出的主要因素是地應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)松軟、含有瓦斯致使內(nèi)聚力降低的煤，在較高地應(yīng)力作用下，突然破壞、失去平衡，為其位能的釋放創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)傾出的主要力是失穩(wěn)煤的自重。 這三類力現(xiàn)象的發(fā)動都以地應(yīng)力為主，所以它們的預(yù)兆相似(如有聲響預(yù)兆等)，對震動以及引起應(yīng)力集中的各因素都非常敏感，在

4、應(yīng)力 集中地帶、地質(zhì)構(gòu)造帶、軟煤帶等處都易發(fā)生這三類現(xiàn)象。第5頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出分類2、按動力現(xiàn)象的強度分類 （1）小型突出：強度1000t次（突出后，經(jīng)過長時間排放瓦斯，回風(fēng)系統(tǒng)瓦斯?jié)舛炔呕謴?fù)正常）。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出特征與規(guī)律根據(jù)我國主要突出礦區(qū)如天府、南桐、里王廟、焦作、六枝等的統(tǒng)計資料表明，突出發(fā)生的一般規(guī)律有：（1）突出發(fā)生在一定的深度上，開始發(fā)生突出的最淺深度稱為始突深度，一般它比瓦斯風(fēng)化帶的深度深一倍以上。（2）突出的次數(shù)和強度隨著煤層厚度特別是軟分層的厚度的增加而增多。突

5、出最嚴(yán)重的煤層一般是最厚的主采煤層。 （3）突出的氣體種類主要是甲烷，個別礦井(吉林營城、甘肅窯街)突出二氧化碳。（4）突出煤層的特點是煤的力學(xué)強度低，而且變化大；透氣性差(透氣性系數(shù)10m2(Mpa2.d)；瓦斯故散初速度高；濕度小；層理紊亂、遭受過地質(zhì)構(gòu)造力嚴(yán)重破壞的“構(gòu)造煤”。第7頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出特征與規(guī)律（5）突出危險區(qū)呈帶狀分布，這是因為影響突出的主要因素受地質(zhì)構(gòu)造控制的緣故，而地質(zhì)構(gòu)造具有帶狀分布的特征。 （7）采掘工作往往可激發(fā)突出，特別是落煤與震動作業(yè)，不僅可引起應(yīng)力狀態(tài)的變化，而且可使動載荷作用在新暴露煤體上造成煤的突然破

6、碎。 （8）絕大多數(shù)突出都有預(yù)兆。（9）煤與瓦斯突出主要發(fā)生在掘進工作面，但石門突出強度最大。第8頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出預(yù)測方法煤層突出危險性預(yù)測區(qū)域突出危險性預(yù)測工作面突出危險性預(yù)測防治煤與瓦斯突出細則、煤礦安全規(guī)程、煤與瓦斯突出鑒定方法、煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范第9頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出預(yù)測方法1、煤層突出危險性預(yù)測（1）突出煤層（2）非突出煤層（3）預(yù)測指標(biāo)A、動力現(xiàn)象：在采掘過程中發(fā)生過煤與瓦斯突出的煤層。B、單項指標(biāo)：煤的破壞類型、瓦斯放散初速度指標(biāo)、煤的堅固性系數(shù)和煤層瓦斯壓力。 煤層突

7、出危險性煤的破壞類型瓦斯放散初速度指標(biāo)煤的堅固性系數(shù)f煤層瓦斯壓力，MPa突出危險、100.50.74第10頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出預(yù)測方法2、區(qū)域突出危險性預(yù)測（1）預(yù)測指標(biāo)A、瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法 B、綜合指標(biāo)法 ：D、K（2）預(yù)測結(jié)果A、突出危險區(qū)B、突出威脅區(qū)C、無突山危險區(qū)。第11頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出預(yù)測方法3、工作面突出危險性預(yù)測（1）接觸式預(yù)測方法：q、S、h2 、K1（2） 非接觸式連續(xù)動態(tài)預(yù)測方法：AE、瓦斯涌出量、T、電磁輻射等第12頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，

8、星期四煤與瓦斯突出防治措施1、區(qū)域性防突措施2、局部性防突措施防突措施的作用：減少瓦斯、降低應(yīng)力第13頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出防治措施1、區(qū)域性防突措施（1）開采保護層（2）預(yù)抽煤層瓦斯（3）煤體濕潤第14頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四煤與瓦斯突出防治措施2、局部性防突措施（1）水力松動（2）水力壓裂（3）卸壓縫（4）卸壓槽（5）卸壓腔（6）超前鉆孔（7）水力爆破第15頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（1）水力松動機理：水力松動的實質(zhì)是在回采工作面或準(zhǔn)備巷道工作面施工鉆孔，通過鉆孔

9、向煤層壓入特殊狀態(tài)的水溶液，通過水對煤體結(jié)構(gòu)的破壞作用改變工作面附近煤層的瓦斯動力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) ，在工作面附近煤層形成裂隙帶，導(dǎo)致煤層失去支撐能力，引起集中應(yīng)力帶向煤體深部轉(zhuǎn)移。由于煤層失去支撐能力，在工作面附近形成卸壓帶時，同時伴有瓦斯向外排放。第16頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（1）水力松動 水力松動時裂隙發(fā)育圖1煤層工作面；2封孔器；3鉆孔充水部分；裂隙發(fā)育階段第17頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（1）水力松動水力松動參數(shù)鉆孔深度，m611鉆孔直徑，m4245鉆孔封孔深度，m48鉆孔間距，m612

10、鉆孔超前距離，m23噸煤設(shè)計注水量，L.20注水壓力，MPa第18頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（2）水力壓裂機理：借助于鉆孔向煤層注入高壓水，將工作面附近煤層強制壓出。由于水力壓裂造成工作面附近煤層向采掘空間推出，使煤層發(fā)生松動、形成裂隙。此時在水力作用區(qū)應(yīng)力嚴(yán)重減小，煤層透氣性大大提高，煤層局部卸壓和濕潤，壓出煤體的機械強度和支撐能力降低，應(yīng)力重新分布，因此最大支承應(yīng)力點向煤體深部轉(zhuǎn)移。 第19頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（2）水力壓裂水力壓裂過程注水開始階段，水經(jīng)鉆孔注水部分進入鉆孔周圍的卸壓區(qū)。隨著注

11、水壓力增高，沿鉆孔軸向的垂直和平行方向，密封彈性膨脹元件向鉆孔壁傳遞不斷升高的載荷。第一保證了鉆孔及其附近煤體的可靠密封，其次在密封端頭向采掘空間方向傳遞壓力，保證在鉆孔封孔深度處產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成煤層破壞弱面。注水壓力達到最大值時，在煤層中封孔深度處，沿弱面形成一條平行于工作面煤壁的斷裂裂縫。隨著向煤層繼續(xù)注水，在幾乎所有情況下，斷裂縫向工作面方向發(fā)生偏移。在此期間，煤層中可聽到特殊的劈裂聲。在形成斷裂縫的同時，作用于裂縫壁的注水壓力使該部分煤體應(yīng)力升高，產(chǎn)生彈性變形，即發(fā)生能量積聚。 當(dāng)斷裂縫中存在最大注水壓力時，煤層的這部分附加潛能將一直保存。隨著水力裂縫面積的擴大和附加潛能的積聚，工作面

12、附近煤層的總絕對應(yīng)力達到極限值，水力處理區(qū)域的煤層開始破壞和推出。在水力處理區(qū)域水向工作面噴出時，停止水力壓裂。 第20頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（2）水力壓裂水力壓裂參數(shù)鉆孔深度封孔深度鉆孔間距a煤角至鉆孔距離b超前距離最大注水壓力和最終壓力注水時間t和注水速度v 第21頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（3）卸壓縫機理：煤層卸壓和排放瓦斯是防治煤與瓦斯突出的基本原則。沿工作面全長形成的卸壓縫，使煤層邊緣卸壓，由此提高了煤層透氣性，煤層瓦斯得到排放，增大了卸壓排放帶。第22頁，共35頁，2022年，5月20日

13、，14點39分，星期四局部性防突措施（3）卸壓縫卸壓縫工藝卸壓縫的連續(xù)性和其幾何參數(shù)的均勻性。使用專門在煤層中開縫槽的割縫機 第23頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（3）卸壓縫卸壓縫參數(shù)卸壓縫的位置高度深度割縫速度卸壓縫煤角部分底部的形狀 上述參數(shù)不但要保證在割縫過程中的突出防治，而且要保證隨后回采過程中的突出防治。 第24頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（4）卸壓槽機理：沿煤層全厚垂直于煤層頂?shù)装?，在巷道邊壁處沿巷道掘進方向切割兩條卸壓槽，卸壓槽是兩個附加的暴露面，不但有助于巷道方向的拉應(yīng)變，而且也有利于卸壓槽方

14、向的拉應(yīng)變。這些變形決定了由工作面和卸壓槽圈定煤層的卸壓和瓦斯有效排放，這種形狀和范圍的安全卸壓帶的形成，使下一循環(huán)的安全進尺成為可能。第25頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（4）卸壓槽卸壓槽參數(shù)根據(jù)頓涅茨克礦區(qū)突出危險煤層的開采經(jīng)驗，并考慮到安全性，卸壓槽的深度應(yīng)不超過2.5m，寬度為6080mm。卸壓槽有效卸壓距離為2m，故卸壓槽之間的距離不應(yīng)大于4m。對于卸壓槽長度的允許進尺深度，即最小超前距取0.5m。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（5）卸壓腔機理：保護層開采適用條件：半煤巖工作面在突出危險緩傾斜煤

15、層上方卸壓腔（縫）形成示意圖利用掘進機工作機構(gòu)；利用割縫裝置1卸壓縫；2保護巖柱；3一個掘進循環(huán)允許的巷道工作面進尺第27頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（5）卸壓腔卸壓腔參數(shù)（1）卸壓縫高度（2）卸壓縫寬度（3）無論在掘進方向，還是在巷道側(cè)壁的最小超前距，以及卸壓縫到煤層的距離都不應(yīng)小于0.5m。 （4）卸壓縫長度增量采用40 cm 第28頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（6）超前鉆孔機理：在沿煤層打的鉆孔周圍出現(xiàn)塑性帶，在塑性帶內(nèi)煤層應(yīng)力和瓦斯含量嚴(yán)重下降。由于在鉆孔周圍煤體應(yīng)力減小，煤層透氣性增加，煤層瓦斯自

16、然排放，導(dǎo)致其突出危險性消除。 第29頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（6）超前鉆孔特點（1）鉆孔直徑的增加 ，突出深度減?。?）隨著采礦深度、鉆孔深度和直徑、打鉆速度的增大，在打煤層鉆孔過程中突出發(fā)生的概率將增加 （3）塑性帶尺寸隨鉆孔半徑的增加而增大，隨各向壓縮應(yīng)力的增加即采礦深度的增加而減小 第30頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（6）超前鉆孔參數(shù)（1）鉆孔直徑（2）鉆孔深度（3）鉆孔有效作用半徑（卸壓和排放作用半徑）（4）鉆孔最小超前距（5）鉆孔之間的距離第31頁，共35頁，2022年，5月20日，14點3

17、9分，星期四局部性防突措施（7）水力爆破機理：水力爆破可以理解為炸藥在充水鉆孔中的爆破。在煤層水力爆破處理時，通過煤的松動和由此引起的工作面附近煤層應(yīng)力重新分布和瓦斯排放，達到防治煤與瓦斯突出。 第32頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（7）水力爆破參數(shù)（1）鉆孔深度.11m（2）鉆孔直徑.60mm（3） 炸藥類型.1巖石硝銨炸藥（4）炸藥質(zhì)量.8.4Kg炮泥長度:（5）水封.4.5m（6）砂質(zhì)粘土.0.5m炸藥結(jié)構(gòu)為單列圓柱第33頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四局部性防突措施（7）水力爆破裝藥工藝 鉆孔裝藥工藝圖炸藥包結(jié)構(gòu)；具有螺紋接頭的金屬送藥桿；送藥；鉆孔炸藥包在鉆孔中的位置；1炸藥卷；2導(dǎo)爆索；3大麻繩；4本色粗平紋布；5細繩；6砂質(zhì)粘土炮泥；7水第34頁，共35頁，2022年，5月20日，14點39分，星期四各種防突措施效果比較 防突措施回采工作面準(zhǔn)備工作面突出次數(shù)工