7任務(wù)七 煤與瓦斯突出機(jī)理和規(guī)律

任務(wù)七煤與瓦斯突出機(jī)理和規(guī)律【主要內(nèi)容】一、煤與瓦斯突出的分類二、瓦斯突出的分布特點(diǎn)三、煤與瓦斯突出的機(jī)理四、煤與瓦斯突出的基本規(guī)律五、實訓(xùn)與操作-觀察識記煤與瓦斯突出的預(yù)兆煤礦地下采掘過程中，在很短時間（數(shù)分鐘）內(nèi)，從煤（巖）壁內(nèi)部向采掘工作空間突然噴出大量煤（巖）和瓦斯（CH4、CO2）的現(xiàn)象，稱為煤（巖）與瓦斯突出，簡稱突出。煤與瓦斯突出是礦井瓦斯特殊涌出的一種形式。它是一種伴有聲響和猛烈力能效應(yīng)的動力現(xiàn)象。它能摧毀井巷設(shè)施，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，使井巷充滿瓦斯與煤粉，造成人員窒息，煤流埋人，甚至引起火災(zāi)和瓦斯爆炸事故。因此，是煤礦中嚴(yán)重的自然災(zāi)害。1834年3月22日，法國魯阿爾煤田伊薩克礦井在急傾斜厚煤層平巷掘進(jìn)工作面發(fā)生了世界上第一次有記載的突出。支架工在架棚子時，發(fā)現(xiàn)工作面煤壁外移，三個工人立即撤離，巷道煤塵彌漫，一人被煤流埋沒死亡，一人窒息犧牲，一人幸免于難，突出煤炭充滿13m長的巷道，煤粉散落長度15m，迎頭支架傾倒。1879年4月17日，比利時的阿格拉波2號井，向上掘進(jìn)580?610m水平之間聯(lián)絡(luò)眼時，發(fā)生了當(dāng)時在世界上第一次猛烈的突出。突出強(qiáng)度420t煤，瓦斯50萬m3以上。最初瓦斯噴出量2000m3/min以上。瓦斯逆風(fēng)流從提升井沖至地面，距該井口23m處絞車附近的火爐引燃了瓦斯，火焰在井口上高達(dá)50m，井口建筑物燒成一片廢墟，2小時后火焰將熄滅時，又連續(xù)發(fā)生7次瓦斯爆炸（每隔7分鐘一次），井下209人，死亡121人，地面3人被燒死，11人被燒傷。迄今為止，世界各主要產(chǎn)煤國家都發(fā)生過煤和瓦斯突出現(xiàn)象。世界上最大的一次煤與瓦斯突出發(fā)生在1969年7月13日前蘇聯(lián)的加加林礦，在710m水平主石門揭穿厚僅1.03m煤層時，發(fā)生了煤和瓦斯突出，突出煤炭14000t，瓦斯25萬m3。我國有文字記載的第一次煤與瓦斯突出是1950年吉林省遼源礦區(qū)富國西二坑，在垂深280m煤巷掘進(jìn)時發(fā)生突出。在所有煤和瓦斯突出事故中，最大一次突出發(fā)生在1975年8月8日在天府礦區(qū)三匯壩一礦主平峒放震動炮揭穿6號煤層時，突出煤炭12780t，噴出瓦斯120萬m3。我國突出的氣體，除甘肅窯街三礦與吉林營城煤五井是CO2外，其余多為以CH4為主的烴類氣體，而且這些絕大多數(shù)突出是發(fā)生在掘工作面，其中以石門揭穿煤層的突出強(qiáng)度為最大。突出的固體物主要是煤炭，有時伴有巖石。從本世紀(jì)五十年代起，世界上不少礦井開采深度已超過700m，砂巖與瓦斯（或二氧化碳）突出頻繁發(fā)生，例如前蘇聯(lián)已發(fā)生砂巖和瓦斯突出3293次，最大一次突出砂巖2372t。我國吉林省營城煤礦五井，在距地表垂深439m處，于1975年6月13日在全巖掘進(jìn)的平巷工作面，突出砂巖1005t，CO211000m3o一、煤與瓦斯突出的分類（一）按突出現(xiàn)象的力學(xué)特征分類煤突然壓出并涌出大量瓦斯（簡稱壓出）。發(fā)動與實現(xiàn)煤壓出的主要因素是受采動影響所產(chǎn)生的地應(yīng)力，瓦斯壓力與煤的重力是次要的因素。壓出的基本能源是煤層所積蓄的彈性能。煤突然傾出并涌出大量瓦斯（簡稱傾出）。發(fā)動傾出的主要因素是地應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)松軟、飽含瓦斯、內(nèi)聚力小的煤，在較高的地應(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)突然傾出的主要動力是失穩(wěn)煤體的自身重力。3.煤與瓦斯突出（簡稱突出）。發(fā)動突出的主要因素是地應(yīng)力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通常以地應(yīng)力作用為主，瓦斯壓力作用為輔，重力不起決定作用，實現(xiàn)突出的基本能源是煤內(nèi)積儲的高壓瓦斯能。這三類動力現(xiàn)象的發(fā)動力都以地應(yīng)力為主，所以它們的預(yù)兆相似，對震動以及引起應(yīng)力集中的因素都非常敏感。在應(yīng)力集中地帶、地質(zhì)構(gòu)造帶、松軟煤帶等都易發(fā)生這三類動力現(xiàn)象。（二）按突出的強(qiáng)度進(jìn)行分類突出強(qiáng)度是指每次突出拋出的煤（巖）數(shù)量（以t為單位）和涌出的瓦斯量（以m3為單位）。由于瓦斯量的計量較難，暫以煤（巖）數(shù)量作為劃分強(qiáng)度的主要依據(jù)。據(jù)此，可分為：小型突出，強(qiáng)度小于100t；中型突出：強(qiáng)度100t（含100t）至500t；大型突出：強(qiáng)度300t（含500t）至1000t；特大型突出：強(qiáng)度等于或大于1000to二、瓦斯突出的分布特點(diǎn)從地理分布來看。我國突出分布的總規(guī)律是南方多、北方少，東部多、西部少。根據(jù)全國煤與瓦斯突出分布的不均衡性，可將我國分為6個煤與瓦斯突出區(qū)域：華南區(qū)、華北區(qū)、東北區(qū)、西北區(qū)、西藏區(qū)、臺灣區(qū)，其中以華南區(qū)突出最嚴(yán)重。根據(jù)突出次數(shù)和嚴(yán)重程度，大體依次為湖南、四川、貴州、江西、遼寧、黑龍江、河南、山西、吉林、廣東、廣西、江蘇、河北等省。從時代分布來看。由最老的早石炭世煤層（如湖南金竹山地區(qū)）到最新的第三紀(jì)煤層（如撫順）都有突出發(fā)生。但突出最嚴(yán)重的是華南晚二疊世龍?zhí)督M煤系，其次是晚侏羅世和早第三紀(jì)煤系，然后是石炭二疊紀(jì)的太原組。因為不同時代的煤層瓦斯生成和保存條件有很大的差別，因此煤層厚、圍巖完整致密、煤層變質(zhì)程度較高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層埋藏深的高瓦斯礦井一般是瓦斯突出礦井。三、煤與瓦斯突出的機(jī)理（一）煤與瓦斯突出的機(jī)理假說解釋突出原因和突出過程的理論稱為突出機(jī)理。突出是個很復(fù)雜的動力現(xiàn)象，至今已提出許多假說，其機(jī)理概括起來有三個方面：發(fā)動中心擴(kuò)展機(jī)理、流變機(jī)理、球殼失穩(wěn)破壞機(jī)理。目前，解釋突出現(xiàn)象的理論以中國礦業(yè)大學(xué)蔣承林和俞啟香教授提出的球殼失穩(wěn)破壞機(jī)理假說為主?，F(xiàn)分別簡述如下：突出發(fā)動中心擴(kuò)展機(jī)理假說煤與瓦斯突出是從離工作面某一距離處的發(fā)動中心開始，而后向周圍擴(kuò)展，并由發(fā)動中心周圍的煤?巖石?瓦斯體系提供能量并參與活動，突出的發(fā)動中心就處在應(yīng)力集中點(diǎn)，且由該點(diǎn)向各個方向的發(fā)展是不均勻的。煤與瓦斯突出的流變機(jī)理假說煤與瓦斯突出本質(zhì)上是屬于含瓦斯煤體的流變行為。實踐表明，一次大的突出往往是由幾次小的突出所組成的，在煤層中波及的范圍從幾米到幾十米，延續(xù)的時間從幾十秒到幾天。突出在某些情況下表現(xiàn)為整體位移，在另一些情況下又表現(xiàn)為猛烈突出。通過含瓦斯煤的流變行為，可以比較好地解釋這一過程。煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)破壞機(jī)理假說在煤與瓦斯突出過程中，地應(yīng)力首先破壞煤體，使煤體內(nèi)產(chǎn)生裂隙，然后煤體向裂隙內(nèi)釋放瓦斯，瓦斯使煤體裂隙擴(kuò)張并使形成的煤殼失穩(wěn)破壞并拋出巷道，迫使應(yīng)力峰值移向煤體內(nèi)部，繼續(xù)破壞后續(xù)的煤體，形成一個連續(xù)發(fā)展的突出過程。該機(jī)理說明，煤體在地應(yīng)力的作用下被破壞僅是突出發(fā)生的必要條件，裂隙能否在瓦斯壓力的作用下擴(kuò)展并且失穩(wěn)拋出是突出發(fā)生的充分條件。從整個突出過程來看，突出的發(fā)生與發(fā)展是以球蓋狀煤殼的形成、發(fā)展及失穩(wěn)拋出為其特點(diǎn)的，所以叫球殼失穩(wěn)破壞機(jī)理。（二）煤與瓦斯突出機(jī)理的理論要點(diǎn)綜合而言，由煤與瓦斯突出機(jī)理假說引發(fā)的理論要點(diǎn)是：（1）煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力與煤體結(jié)構(gòu)或力學(xué)性質(zhì)（即強(qiáng)度、硬度、脆性）三者綜合作用的結(jié)果。（2）地應(yīng)力破碎煤體是造成突出的首要原因；瓦斯壓力則起著拋出煤體和搬運(yùn)煤體的作用；煤體結(jié)構(gòu)或力學(xué)性質(zhì)決定了突出的難易程度。在突出過程中，地應(yīng)力、瓦斯壓力的發(fā)動與發(fā)展是突出發(fā)生的動力；而煤體結(jié)構(gòu)或力學(xué)性質(zhì)是突出發(fā)生的阻礙因素。我們把地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體結(jié)構(gòu)三個因素稱為突出發(fā)生的條件。它們存在于一個共同體中，有其內(nèi)在聯(lián)系，但不同因素對突出的作用不同，不同的突出起主要作用的因素也不一樣，如圖1-7-1所示。（三）煤與瓦斯突出的過程根據(jù)煤與瓦斯突出的機(jī)理，煤與瓦斯突出的過程，一般可劃分為四個階段，即準(zhǔn)備、發(fā)動、發(fā)展和停止階段。突出的發(fā)動和終止應(yīng)該只是突出過程中的兩個突變點(diǎn)，而突出的準(zhǔn)備和發(fā)展則是兩個持續(xù)的過程。第一，準(zhǔn)備階段。在此階段，突出煤體經(jīng)歷著能量積聚例如地應(yīng)力集中，孔隙壓縮等）或阻力降低過程（例如落煤工序使煤體由三向受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為兩向受力狀態(tài)等，并且顯現(xiàn)有聲的與無聲的各種突出預(yù)兆。第二，發(fā)動階段。在該階段，極限應(yīng)力狀態(tài)的部分煤體突然破碎卸壓，發(fā)出巨響和沖擊，使瓦斯作用在突然破裂煤體上的推力向巷道自由方向頓時增加幾倍至十幾倍，膨脹瓦斯流開始形成，大量吸附瓦斯進(jìn)入解吸過程，加強(qiáng)了流速。第三，發(fā)展階段。在這個階段中，破碎的煤在高速瓦斯流中呈懸浮狀態(tài)流動，這些煤在煤內(nèi)外瓦斯壓力差的作用下被破碎成更小粒度，撞擊與摩擦也加大了煤的粉化程度，煤的粉化又加速了吸附瓦斯的解吸作用，增強(qiáng)了瓦斯風(fēng)暴的搬運(yùn)力。與此同時，隨著破碎煤被拋出和瓦斯的快速噴出，突出孔壁內(nèi)的地應(yīng)力，與瓦斯壓力分布進(jìn)一步發(fā)生變化，煤體瓦斯排放，瓦斯壓力下降，致使地應(yīng)力增加。導(dǎo)致破碎區(qū)連續(xù)地向煤體深部擴(kuò)展，構(gòu)成后續(xù)的氣體和破碎煤組成的混合兩相流。第四，停止階段。當(dāng)突出孔發(fā)展列一定程度時，由于堆積的突出物的堵塞和地壓的分布滿足了成拱靜力平衡條件，導(dǎo)致突出停止。但這時，煤的突出雖然停止了，而從突出孔周圍卸壓區(qū)與突出煤炭中涌出瓦斯的過程并沒有完全停止，異常的瓦斯涌出還要持續(xù)相當(dāng)長的時間。這就造成了突出的瓦斯量大大超過煤的瓦斯含量的現(xiàn)象。有的突出實例可以觀察到上述突出過程幾次重復(fù)，形成突出煤巖輪迥性堆積的現(xiàn)象。煤與瓦斯突出發(fā)生的條件地應(yīng)力地應(yīng)力瓦斯壓力煤體結(jié)構(gòu)一」…111111111111111圍ULJ有變形破壞煤體透氣降低壓縮骨架降低強(qiáng)度拋出碎煤揉皺結(jié)構(gòu)地壓敏感軟煤破壞圖1-7-1煤與瓦斯突出綜合作用條件因素四、煤與瓦斯突出的基本規(guī)律根據(jù)迄今大量的突出資料統(tǒng)計分析表明，煤與瓦斯突出具有一些基本規(guī)律。掌握這些基本規(guī)律，對制定防治煤與瓦斯突出措施具有一定的參考價值。（一）礦井開采深度增加，突出危險性增加每一個礦井、煤層都有一個發(fā)生突出的最小深度（稱為始突深度）。不同地方的始突深度差異很大，多數(shù)突出礦井的始突深度大于100米。一般礦井發(fā)生突出的最淺深度約為瓦斯風(fēng)化帶深度的2倍。隨著深度的增加，突出的危險性增高，表現(xiàn)為突出次數(shù)增多、強(qiáng)度增大、突出煤層數(shù)增加、突出危險區(qū)域擴(kuò)大，如表1-7-1所示。表1-7-1突出強(qiáng)度與深度的變化開采深度/m焦作平頂山安陽開灤北票豐城重慶白沙英崗嶺六枝<10048.453.48.0100?20028.681.812.459.2105.053.9130.0200?300108.950.522.7115.2148.997.1115.0300?400102.253.3168.340.243.8418.029.7112.61700400?50035.018.028.660.540.0500?60031.419.054.51210600?70021.735.865.2700?800113.722.559.5800?90063.2N90017.0（二）突出危險性隨煤層厚度（尤其軟分層）增加而增大突出的次數(shù)和強(qiáng)度隨著煤層厚度特別是軟分層厚度的增加而增多。突出最嚴(yán)重的煤層一般是最厚的主采煤層。而且突出的危險性隨煤層傾角的增大而增加。煤層傾角增大，巖層及煤層自重應(yīng)力參與突出的作用就增大，從而使突出的危險性增加。表現(xiàn)為始突深度變淺、突

出次數(shù)增多和平均強(qiáng)度增大。（表1-7-2）。測定表明：突出危險煤層的瓦斯壓力臨界值為0.74MPa，煤層的瓦斯含量和開采時的相對瓦斯涌出量一般大于10m3/t,透氣性系數(shù)小于10m2/MPa2.d。表1-7-2平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出強(qiáng)度與煤層厚度關(guān)系煤層厚度/m五礦八礦十礦十二礦次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t<2712.92?31180198.53?411110107.9678.54?51101120.6826.91255?6411.5461.581260N6120268.5（三）突出大多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶與煤層變化區(qū)突出危險區(qū)集中在地質(zhì)構(gòu)造帶，呈帶狀分布。向斜軸部地區(qū)、背斜構(gòu)造中部隆起地區(qū)、地層扭轉(zhuǎn)、斷層和褶曲附近、火成巖侵入形成的變質(zhì)煤與非變質(zhì)煤的交界附近等地區(qū)都是突出點(diǎn)密集地區(qū)，也是大型甚至特大型突出發(fā)生的地區(qū)。一般突出危險帶的面積，小于突出煤層面積的10%。如表1-7-3所列為平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出強(qiáng)度與地質(zhì)構(gòu)造及煤層變化關(guān)系。表1-7-3平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出強(qiáng)度與與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系地質(zhì)構(gòu)造五礦八礦十礦十二礦次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t斷層213.58100.0726.01071.4褶曲412.514.6132255.5煤厚變化612.5597.73124.0軟分層變厚4122.8煤層傾角變化1138.0133.0無構(gòu)造828.02510.1634.2（四）突出多發(fā)生在采掘工作面的震動作業(yè)時和應(yīng)力集中區(qū)資料統(tǒng)計表明，突出次數(shù)和強(qiáng)度與采掘巷道類型及作業(yè)方式有關(guān)，產(chǎn)生強(qiáng)烈震動的采掘作業(yè)可能誘導(dǎo)突出，這種作業(yè)不僅可引起應(yīng)力狀態(tài)的改變，而且可使動載荷作用在新暴露的煤體上，造成煤體的突然破碎。另外，采掘工作形成的集中應(yīng)力區(qū)是突出點(diǎn)的密集區(qū)。如鄰近層煤柱上下、相向的采掘接近處、兩巷貫通之前的煤柱內(nèi)、采掘工作面附近的應(yīng)力集中區(qū)等。在這些地區(qū)不僅發(fā)生突出次數(shù)多，強(qiáng)度也較大。一般掘進(jìn)工作面突出次數(shù)多于采煤工作面（掘進(jìn)工作面突出占礦井總突出次數(shù)的70%以上），掘進(jìn)巷道突出強(qiáng)度大于采煤工作面突出強(qiáng)度。（表1-7-4、表1-7-5）。表1-7-4平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出強(qiáng)度與巷道類型的關(guān)系巷道五礦八礦十礦十二礦類型次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t

平巷612.814103.7731.91644.4上山110.0213.15132.0396.0下山525.51293.0石門153.0采煤工作面784.02510.1表1-7-4平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出強(qiáng)度與作業(yè)方式的關(guān)系作業(yè)方式五礦八礦十礦十二礦次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t次數(shù)/次強(qiáng)度/t爆破512.01985.3432.51353.65采煤機(jī)割煤687.672510