1、煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出防治技术防治技术一一 煤与瓦斯突出综合防治措施概述煤与瓦斯突出综合防治措施概述 煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象,是煤矿井下最严重的自然灾害之一。从防治突出措施的发展来看，可概括为三个阶段。第一个阶段为以安全防护措施为主的阶段，其主要措施是震动性放炮。在人员远离工作面的条件下，放震动炮诱导突出，以保证人生安全。第二阶段为普遍采用防止突出技术措施的阶段，即在石门揭开突出煤层，以及在突出煤层的采掘工作面，普遍采用防止突出措施，如开采保护层、超前钻孔、松动爆破等。第三阶段为综合措施阶段，其主要特点是在综合措施中加入了突出危险性预测和防突措施效果检验两个环节，使防突
2、工作更加有的放矢，措施防突效果进一步提高,有了量化的指标。二二 简要介绍简要介绍“四位一体四位一体”防突措施的主要作防突措施的主要作用用 按我国防治煤与瓦斯突出细则要求，在开采突出煤层时，必须采用综合措施，包括：（1）突出危险性预测；（2）防治突出措施；（3）防治突出措施的效果检验；（4）安全防护措施。上述“四位一体”综合措施，把煤矿防突技术明确地归结为四个方面，符合当前对突出的理论认识水平和防突技术发展的现状，对防突工作起到了指导作用。突出危险性预测是防突综合措施的第一个环节。预测的目的是确定突出危险的区域和地点，以便使防突措施的执行更加有的放矢。国内外多年来开采突出煤层的实践表明，突出呈区
3、域分布。在突出煤层开采过程中，只有很少的区域（大致占整个开采区域的10%30%）或区段才发生突出，因此，不论是否有突出危险，在突出煤层采掘过程中普遍采用防突措施，这在技术上是不合理的，在经济上是不合算的。这样执行的结果使防突工作带有一定的盲目性，且由于在原来无突出危险的区域和地点采用了防突措施，必将导致人力和财力的浪费，大大减缓了采掘进度。随着防突科学技术的发展，突出预测已逐渐从试验研究阶段进入实用阶段。我国1988年颁布了第一部防治煤与瓦斯突出细则后，普遍要求在各突出矿井开展突出预测工作。防治突出措施是防突综合措施的第二个环节。它是防止发生突出事故的第一阶段，即防止突出发生。防突措施的效果检
4、验是防突综合措施的第三个环节。目的是在措施的执行后检验预测指标是否降低到突出危险值以下，以保证防突措施的防突效果。实践表明，各种防突措施，特别是局部防突措施，尽管经科学试验证实防突措施是有效的，但在生产中推广应用后，都无例外地发生过多多少少的突出。即使在同一突出煤层，该措施在通常情况是有效的，但在有些区段则无效。措施失效的原因在于井下条件的复杂性，如煤层赋存条件变化，地质构造条件变化以及采掘工艺方式变化等。根据对南桐、松藻、天府、中梁山和北票五个局1996年发生突出事例分析表明，当年共发生突出388次，其中81次是在执行防突措施后发生的，占突出总次数的24.3%。前苏联在19811985年期间
5、，共计发生突出240次（放炮诱发的突出未计算在内）其中58次（占24%）是在采取措施情况下发生的，在这58次突出中，有21次是在措施执行过程中发生的，有24次是未完全按措施和措施效果检验方法执行而发生的，有13次是在措施执行后发生的。为了提高措施的防突可靠性，要求在防突措施执行后，对其防突效果进行立竿见影的检验。检验结果无效时，应采取附加防突措施。安全防护措施是综合防突措施的第四个环节，它是防止发生突出事故的第二道防线。安全防护措施的目的在于突出预测失误或防突措施失效发生突出时，避免人身伤亡事故。我国煤与瓦斯突出已发生1.4万余次，但突出造成的人身伤亡事故仅是极少数，主要时因为采取了安全防护措
6、施（震动性放炮和远距离放炮等）。三三 煤与瓦斯突出危险性预测煤与瓦斯突出危险性预测 1 煤与瓦斯突出危险性预测分类及突出危险性划分煤与瓦斯突出危险性预测分类及突出危险性划分 突出的预测预报方法，世界各国都是建立在瓦斯、地压及综合假说的基础上，利用煤层的强度、受力状态、含瓦斯情况以及它们在突出前所出现的异常变化，及时判断煤层的突出危险程度。目前我国根据煤层预测地点的范围大小，将煤层突出危险性预测分为区域性突出危险性预测和工作面突出危险性预测（日常预测），其中，工作面突出危险性预测包括石门揭煤工作面、竖、斜井揭煤工作面，煤巷掘进工作面及采煤工作面的突出危险性预测。区域预测应预测煤层和煤层区域的突出
7、危险性，并应在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进行。工作面预测是预测工作面附近煤体的突出危险性，应在工作面推进过程中进行。在地质勘探、新井建设、矿井生产时期应进行区域预测，把煤层划分为突出煤层和非突出煤层。突出煤层经区域预测后可划分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。在突出危险区域内，工作面进行采掘前，应进行工作面预测。采掘工作面经预测后，可划分为突出危险工作面和无突出危险工作面。2 突出预测预报的理论基础突出预测预报的理论基础 众所周知，突出发生的三大要素是地压（包括采掘工作所造成的附加压力）、瓦斯含量、煤的物理力学性质，它们以谁为主，这要看当时的具体条件，当地压大、瓦斯含
8、量较小时、压出、倾出的可能性较大；当瓦斯含量大、地压不显著时，小型突出居多；只有当地压与瓦斯含量都大时，才会产生较大的突出。煤的物理力学性质则是上述三种情况必不可少的条件。突出多发生在地质构造带附近，通常都为压扭性构造。由于压扭性构造封闭条件较好，瓦斯不易散失，则发生突出的三大要素也较其它地区具备得更充分，当掘进工作面进入此地段时，突出的几率也随之而增加。如果在此地段测定煤层中的地压、瓦斯及煤的物理力学性质，都较正常区有显著的变化。测定煤层地压大小是一件既复杂而又困难的工作，因此在点预测预报工作中多采用间接的办法，即利用钻孔排粉量来间接地判断地压与煤的力学性质状况。测定煤层中瓦斯含量也是一项较
9、困难的工作，因此在日常预测预报中，也采用了钻孔瓦斯涌出初速度或钻孔排出煤粉的瓦斯解析量或其解析特征，来间接地判断煤层中瓦斯含量的大小。用上述两种指标的大小综合判断煤层的突出危险性，做出日常预测预报结论。这些指标不在于其值的大小，而能否作出及时、正确的判断取决于其变化的幅度，变化幅度越大，则突出危险性越高。这一条是突出预测预报能否取得成功的关键。3 区域突出危险性预测区域突出危险性预测 区域突出危险性预测，是经区域突出危险性预测，把煤层划分为突出危险和非突出危险煤层，再通过区域预测把突出危险煤层划分为突出危险区、威胁区、和无突出危险区，最后通过工作面突出危险性预测把工作面划分为突出危险和无突出危
10、险工作面。仅在预测为突出危险的工作面采取防治突出措施，且在措施执行后进行防突效果检验。在突出煤层的突出威胁区，只需采取安全防护措施，但应根据煤层的突出危险程度，采掘工作面每推进30100m，应用工作面突出危险性预测方法连续进行不少于两次的验证性预测，当其中任何一次验证为有突出危险时，该区域即改划为突出危险区。煤层突出危险性区域性预测应在矿区地质勘探、新矿井建设和新水平开拓时进行。我国目前采用的区域性预测方法如下。1)利用单项指标法进行煤层突出危险性预测利用单项指标法进行煤层突出危险性预测 设计新矿井前必须确定新建矿井煤层突出危险性，编制设计任务书的单位应根据地质勘探部门提供的矿井突出危险性的基
11、础资料，并参照邻近矿井突出情况和预测煤层突出危险性指标，与部授权的煤炭科研单位共同确定矿井突出危险性，方可将矿井突出危险性列入设计任务书中，报上级批准后，作为新矿井的设计依据。新矿井预测煤层突出危险性的指标可用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度(P)、煤的坚固性系数(f)和煤层瓦斯压力(p)，其判断煤层突出危险性的临界值，应根据矿井的实测资料确定，如无实测资料时，可参考表1所列数据划分，只有全部指标达到或超过其临界值时方可划为突出煤层。预测煤层突出危险性单项临界指标值如表1所示。表1预测煤层突出危险性单项临界指标值煤的破坏类型瓦斯放散初速度p煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力P(Mpa)煤层突出危险性判别
12、、100.50.74有突出危险、100.50.74无突出危险2)利用瓦斯地质统计法进行突出煤层中的区域预测利用瓦斯地质统计法进行突出煤层中的区域预测 根据大量统计资料和突出事例表明，突出与地质构造存在明显的关系。八十年代初，焦作矿业学院与湖南煤炭研究所进行了这方面的研究，并取得了一定的成果。用瓦斯地质统计法进行区域预测时，应根据已开采区域确切掌握的煤层赋存和地质构造条件与突出分布的规律，划分出突出危险区域与突出威胁区域。划分突出危险区一般应符合下列要求：（1）在上水平发生过突出的区域，下水平的垂直对应区域应预测为突出危险区；（2）根据上水平突出点分布与地质构造的关系，确定突出点距构造线两侧的最
13、远距离线，并结合地质部门提供的下水平或下部采区的地质构造分布，按照下水平构造线两侧的最远距离线向下推测下水平或下部采区的突出危险区域（图1）；（3）末划定的其他区域为突出威胁区。图1 用瓦斯地质统计法向下推测下水平或下部采区的突出危险区域示意图 1断层；2突出点；3上水平或上部采区突出点在断层两侧的最远距离线；4推测的下水平或下部采区在断层两则的最远距离线；5推测的下水平或下部采区的突出危险区域3)利用综合指标法进行突出煤层中的区域预测利用综合指标法进行突出煤层中的区域预测 采用综合指标法对煤层进行区域预测时应符合下列要求：（1）在岩石工作面向突出煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层瓦斯压力。（2
14、）在打测压孔的过程中，每米煤孔采取一个煤样，测定煤的坚固性系数（f）；（3）将两个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平均坚固性系数；（4）将坚固件系数最小的两个煤样混合后，测定煤的瓦斯放散初速度指标（P）。煤层区域突出危险性，可按下列两个综合指标判断：D=（0.0075H/f3）(P0.74)（1）K=P/f （2）式中 D煤的突出危险性综合指标之一。它综合反映了煤质、瓦斯压力和地应力的作用程度；K煤的突出危险性综合指标之二。它集中反映煤的破坏程度和放散瓦斯的能力；H开采深度，m；P煤层瓦斯压力，MPa；p软分层煤的瓦斯放散初速度；f软分层的平均坚固性系数。综合指标D、K的突
15、出临界指标值应根据本矿区实测数据确定，如无实测资料，可参照表2所列的临界值，确定区域突出危险性。表2 用综合指标D 和K 预测煤层区域突出危险性的临界值 注：（1）如果D=（0.0075H/f3）(P0.74)式中两个括号内的计算值都为负时，则不论D值大小，都为突出威胁区域；（2）地质勘探和新井建设时期进行煤层突出危险倾阶性预测时，突出威胁视为无突出危险煤层。（3）当D0.25时无突出危险；当D0.25，K15时，有突出威胁；而当D0.25，K15时，有突出危险。煤层突出危险性综合指标D煤的突出危险性综合指标K无烟煤其它煤种0.2520154)工作面突出危险性预测方法工作面突出危险性预测方法
16、工作面突出危险性预测预报是预报工作中难度较大的一种，因其能在施工前及时预报，故又称日常预测。下面分别阐述常用的日常预测方法。预测方法种类虽多，但归根结底都是以钻粉量考察煤体受力状态，以钻孔瓦斯涌出初速度或钻粉瓦斯解析量、解析特征等来判断煤中瓦斯含量及其结构等原理来进行突出危险性预测。下面分别阐述常用的日常预测方法。(1)钻孔瓦斯涌出初速度法 钻孔瓦斯涌出初速度法可应用于石门、煤巷和回采工作面突出危险性预测，下面以掘进工作面为例，说明采用钻孔瓦斯涌出初速度法进行突出危险性预测的步骤。在掘进工作面的软分层中，靠近巷道两帮，各打一个平行于巷道掘进方向，直径42mm、深为610m的钻孔（图2）；用专门
17、的封孔器封孔，封孔后测量室长度为0.5m；钻孔瓦斯涌出初速度的测定必须在打完钻后2min内完成。用钻孔瓦斯涌出初速度法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，如预测为无突出危险工作面，每预测循环应留有2m 预测超前距。表3 钻孔瓦斯涌出初速度指标临界值qm煤的挥发份Vdaf（%）5151520203030qm（L/min）5.04.54.04.5图2 钻孔瓦斯涌出初速度法钻孔布置图1煤层巷道；2钻孔；3封孔器；4瓦斯排出管；5测量室 判断突出危险性的钻孔瓦斯涌出初速度的临界值qm应根据实测资料分析确定；如无实测资料时，可参照表3中的临界值qm。当实测的q值等于或大于临界值qm时，煤巷掘进工作面应预测为
18、突出危险工作面；实测q值小于临界值qm时，该工作面应预测为无突出危险工作面。(2)R值指标法值指标法 R值指标法可应用于石门、煤巷和回采工作面突出危险性预测，采用R值指标法时，应按下列步骤进行：在煤巷掘进工作面打2 个（倾斜或急倾斜煤层）或3 个（缓倾斜煤层）直径为42mm、深为610m的钻孔。钻孔应布置在较分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔的终孔点应位于巷道轮廓线外24m（图3）。钻孔每打1m，测定一次钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度。测定钻孔瓦斯涌出初速度时，测量室的长度为1m，根据每个钻孔的最大钻屑量和最大瓦斯涌出初速度按下式确定各孔的R值：R=（Smax1.8）(
19、qmax4)（3）式中R综合指标；Smax钻孔最大钻屑量，L/m；qmax钻孔最大瓦斯涌出初速度，L/mmin。判断煤巷掘进工作面突出危险性的临界指标Rm应根据实测资料确定；如无实测资料时，取Rm=6。当任何一个钻孔中的RRm时，该工作面预测为突出危险工作面；当RRm时，该工作面预测为无突出危险工作面。R为负值时，应用单项（取公式中的正值项）指标预测。采用R指标法时，当预测无突出危险时，每预测循环应留有2m 的预测超前距。图3 R值指标法钻孔布置图(3)钻屑指标法钻屑指标法 在采用钻孔瓦斯涌出初速度法预测突出时，遇到最大的困难是钻孔垮孔，由于垮孔，特制的封孔器往往封不住孔或被煤卡死，使测量钻孔
20、瓦斯涌出初速度无法进行。重庆煤科分院在总结国内外经验的基础上，试验了以钻屑瓦斯解析特征代替钻孔瓦斯涌出初速度预测突出的钻屑指标法，并获得圆满结果。钻屑指标法可应用于石门、煤巷和回采工作面突出危险性预测，采用钻屑指标法时，应按下列步骤进行：根据煤层的赋存情况，在预测工作面打2个（倾斜和急倾斜煤层）或3 个（缓倾斜煤层）直径42mm、孔深812m的钻孔，也可以使用超前排放钻孔或深孔松动爆破孔作为探孔，使一孔多用，以减少施工工程量。其布孔原则是，孔的位置应布置在工作面煤层的软分层内或尽可能多穿过软分层，终孔位置应位于巷道周边24m处，目的是要探明工作面前方煤层的瓦斯及其赋存情况，其中尤其是特别注意到
21、巷道上隅角的煤层及瓦斯赋存情况。钻孔布置与前述R值指标法规定相同；打钻可用手持电钻，轻型防突钻机或岩石电钻，钻进速度应保持匀速，约每分钟1m左右；钻孔每打1m 测定钻屑量一次，每隔2m 测定一次钻屑解吸指标。现场测定时须详细记录取样的钻孔编号、孔深位置及取样时间，采用重庆煤科分院生产的WTC突出预测仪进行测定，根据每个钻孔沿孔长每米的最大钻屑量Smax和钻屑解吸指标K1预测工作面突出危险性；采用钻屑指标法预测工作面突出危险性时，各项指标的突出危险临界值，应根据现场测定资料确定。如无实测资料时，可参照表4 的数据确定工作面的突出危险性；采用钻屑指标法预测突出危险性，当预测为无突出危险时，每预测循
22、环应留有2m 的预测超前距。表4 钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的临界 最大钻屑量K1突出危险性Kg/mL/mmL/（g.min1/2）65.40.5突出危险工作面65.40.5无突出危险工作面四四 区域性防治突出措施区域性防治突出措施 防治突出措施一般分为两类：区域性防突措施和局部防突措施。根据局部防突措施的应用巷道类别，可将局部措施分为石门揭煤措施、煤巷措施和采煤工作面措施等。区域防突措施的目的是消除煤层某一较大区域（如一个采区）的突出危险性。属于该类措施的有开采保护层、大面积预抽煤层瓦斯和煤层注水等措施。区域防突措施的优点是在突出煤层开采前，预先采取防突措施，措施施工与突出危险区
23、的采掘作业互不干扰，且其防突效果一般优于局部防突措施，故在采用防突措施时，应先选用区域防突措施。局部防突措施的作用在于使工作面前方小范围媒体丧失突出危险性。局部防突措施仅在预测有突出危险的采掘工作面应用。属于该类措施的 有超前钻孔、松动爆破、水力冲孔、金属骨架等。国内外主要应用的防突措施见图3。在该系统图中，高压注水（包括湿润、压出和疏松等），除在鸡西、阳泉矿务局一些矿井的采煤工作面作为防突措施应用外，在其他矿区仅进行过为数不多的科研考察试验。而这种措施在原苏联各突出矿区是主要的普遍应用的局部防突措施。卸压槽（缝）在俄罗斯少数矿井应用，我国仅在焦作局进行过工业试验，初步证明了其防突效果。局部防
24、突措施的缺点是：措施施工与采掘工艺互相干扰，且防突效果受地质开采条件变化影响较大，因此，防突细则规定在局部措施执行后，要对其防突效果进行检验。图3 国内外主要应用的防突措施 五五 防突措施发展过程防突措施发展过程 在我的工作应象中，从1983年开始使用煤电站打超前孔，3个810m卸压孔，自然排放；198486年多排卸压孔，掘进工作面强抽；91年有了防突细则、突出临界指标，突出危险性预测预报，有重庆煤科院生产的ATY预测预报仪；然后出现了WTC预测预报仪，测定卸压半径、干（湿）煤层突出临界值（k1、Smax）等。六六 防突技术的应用防突技术的应用 由多次突出事故总结得出的教训，矿井发生突出事故时
25、，为了保证撤人救灾安全常常需要调控风流方向，避免灾变生成的有毒有害气体入侵人员撤退和救灾的线路减小灾害影响范围和减少损失。因此，总结得出如下几条主要的应用措施：1 采区要有合理的通风系统和系统畅通：要有三条上山，其中要有一条独立的回风上山；采掘工作面不准有串联通风。2 要有可靠的安全防护设施：符合防突细则要求的防突风门、放炮峒室及安全设施（隔离式自救器、压风自救系统、电话、灭火器、防逆流设施、阻燃风筒、瓦斯监测探头等）。3 合理选择局扇安装位置和放炮峒室（都必须有矿总工程师审批的设计图）。4 水胶炸药，工作面必须全断面一次爆破。5 瓦斯抽放是治本措施。因此，必须做到掘进面采用先抽后掘、边抽边掘
26、技术；采面先抽后采。6 要有矿井瓦斯地质图（根据突出地点、区域瓦斯参数、煤层地质构造、采掘过程中实测的预测预报数值等参数绘制矿井瓦斯地质图）。7 预先做好采掘地点的瓦斯地质预想剖面图，做好预测工作，以便提前采取对策措施。8 强制性开采保护层，做到可保尽保，并抽采瓦斯，降低瓦斯压力。七七 掌握突出预兆掌握突出预兆 1)无声预兆。采掘工作面煤层结构变化，如层理紊乱，煤层变软，变暗、干燥，易粉碎或煤层倾角变大、煤层变厚变薄、煤层出现分岔、工作面压力增大、掉渣，片帮、煤壁外鼓、瓦斯涌出增大或瓦斯忽大忽小，煤温降低，打钻时夹钎、顶钻，喷钻等。2)有声预兆。煤层中有煤炮声响。响煤炮的大小与间隔时间随条件而异，出现由远而近的雷鸣声、机枪声、鞭炮声。深部岩层或煤层出现破裂声、有时引起煤壁震动、支架发出劈裂声等。八八 突出事故案例突出事故案例 坪湖煤矿94年5月1日，综采工作面投产验收，顺槽补水仓突出，死亡41人；建新煤矿7210掘进工作面突出，死亡12人，突出空洞处理不彻底，造成自然发火而封闭，影响采掘接替；2001年建新煤矿掘进工作面突出，通风系统不畅通，风流逆转，瓦斯窒息21人等多次突出事故；2003年12月1日，采面工作面顺槽突出空洞处理不严，煤炭自燃后引起瓦斯爆炸，死亡51人，教训深刻。等等。
