矿井瓦斯煤尘灾害救灾技术ppt课件.pptx
1,第2节 煤与瓦斯突出类型及机理,2,内容提要,一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与突出过程五、瓦斯突出的一般规律,3,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,煤矿地下采掘过程中，在很短时间（数分钟）内，从煤(岩)壁内部向采掘工作空间突然喷出煤(岩)和瓦斯的现象，称为煤(岩)与瓦斯突出，简称瓦斯突出或突出。,4,煤与瓦斯突出的危害:危及人员安全破坏井下设备和建筑物，如摧毁支架、推倒矿车、破坏通风设施诱发其它灾害事故，如瓦斯爆炸、瓦斯燃烧破坏矿井正常的生产秩序影响经济效益,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,5,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,世界上一次有记载的突出：1834年3月22日，法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井平巷掘进工作面世界上第一次猛烈的突出：1879年4月17日，比利时阿拉波二号井发生突出，煤量420t，瓦斯50万m3，瓦斯逆流至地面，井口绞车房火炉引燃瓦斯，井口烧成一片废墟。世界上最大一次突出：1969年7月13日，前苏联顿巴斯加加林矿井石门揭煤发生突出，煤量14000t，瓦斯25万m3。我国第一次有记载的突出：1950年，吉林省辽源矿务局富国西二坑垂深280m煤巷掘进工作面我国最大一次突出：1975年8月8日，天府矿务局三汇坝一矿主平硐(+280 m)，震动性放炮揭煤，突出煤岩12780t、瓦斯140万m3,6,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,煤与瓦斯突出煤和CO2突出岩石和瓦斯突出岩石和CO2突出盐和CO2突出,7,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,我国是世界上瓦斯突出灾害最严重的国家，每年发生突出事故近200起。截至2012年底，累计发生突出 19800多次，占世界总突出次数的40以上。,8,一、煤（岩）与瓦斯突出概况,严重突出矿区北票、六枝、南桐、天府、芙蓉、松藻、英岗岭、涟邵、白沙、焦作、鸡西、阜新、沈阳,9,内容提要,一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律,10,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,矿井中发生的有瓦斯参与抛出煤岩的现象称之为矿井瓦斯动力现象。,煤与瓦斯突出,煤与瓦斯压出,煤与瓦斯倾出,岩石与瓦斯突出,煤与瓦斯突出,突出,压出,倾出,瓦斯动力现象,不准确，混淆了现象的力学本质,11,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,1.按照按动力现象的力学（能源）特征分类,突出,压出,倾出,煤与瓦斯突出,地应力和瓦斯压力共同作用，地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用,地应力为主，瓦斯压力与煤自重为辅,发动靠地应力，实现倾出的主要力是失稳煤的重力。,12,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,突出的基本特征：突出的煤向外抛出的距离较远，具有分选现象；抛出的煤堆积角小于自然安息角；抛出的煤破碎程度较高，含有大量碎煤和一定数量手捻无粒感的煤粉；有明显的动力效应，如破坏支架，推倒矿车，损坏或移动安装在巷道内的设施等；有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转；突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形、分岔形以及其它形状。,13,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,14,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,压出的基本特征：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都较小；压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中常留有细煤粉，整体位移的煤体上有大量的裂隙；压出的煤呈块状，无分选现象；巷道瓦斯涌出量增大；压出可能无孔洞或呈口大腔小的楔形、半圆形孔洞。,15,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,16,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,倾出的基本特征：倾出的煤就地按自然安息角堆积、无分选现象；倾出的孔洞多为口大腔小，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅锤（厚煤层）方向发展；无明显动力效应；倾出常发生在煤质松软的急倾斜煤层中；巷道瓦斯涌出量明显增加。,17,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,18,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,2.按照动力现象强度分类,小型突出,煤与瓦斯突出,强度50t，突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常,中型突出,强度50-99t，突出后，经过一个作业班瓦斯浓度可恢复正常,次大型突出,强度100-499t，突出后，经过一天瓦斯浓度可恢复正常,大型突出,强度500-999t，突出后，经过几天瓦斯浓度可恢复常,特大型突出,强度1000t，突出后，经过长时间瓦斯浓度才可恢复常,19,二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分,3.突出危险程度划分,突出煤层,突出危险程度,发生过突出的煤层或者鉴定为有突出危险的煤层,突出矿井,在矿井的开拓、生产范围有突出煤层的矿井,突出危险区,瓦斯压力0.74MPa或者瓦斯含量8m3/t,无突出危险区,瓦斯压力0.74MPa或者瓦斯含量8m3/t,突出危险工作面,预测指标超标或者预测过程有动力现象,无突出危险工作面,预测指标不超标而且预测过程没有发生动力现象,20,内容提要,一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律,21,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,22,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,23,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,1.石门突出,实例:揭煤时的突出 南桐鱼田堡矿+150m水平主运输石门，自顶板方向揭穿4号煤层。垂深325m，煤层倾角30，煤厚2.4m，煤层松软，底板有小错动。揭煤前施工测压孔时突出煤粉1t多，瓦斯压力0.62MPa(表压力)，压力测值偏低，同水平相邻区瓦斯压力2.26MPa(表压)。石门工作面距煤层2m时，曾响煤炮十多次，第一次放震动炮揭煤时发生了突出，抛出煤岩56t，瓦斯4500m3。,24,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例:过煤门时的突出 第一次突出瓦斯浓度恢复正常后，煤门向前掘进，在第二次突出前一个班，发现煤亮度变暗，层理紊乱，煤壁往巷道空间鼓动，有煤流出，工作面发冷，当放底炮崩4号煤底板时，发生了第二次突出，突出煤粉1473t，岩石80t，瓦斯逆流冲出进风竖并井口到地面。,25,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：石门对掘揭煤突出 1970年3月10日，天府磨心坡煤矿+110 m水平北段6石门对掘揭9号煤层发生突出，突出煤5270t，抛出280m，瓦斯逆流2200 m。推测瓦斯压力4.4MPa，相向对掘头距离20m，打排放钻孔11个，有2个钻孔喷出煤粉2t，因此，在4个排放孔内装27kg炸药松动爆破。当两工作面距煤层各为2m时，布置震动炮眼99个，炸药231kg，瞬发雷管153个，放炮地点距突出点1200 m，同时起爆，炮响后发生突出。,26,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：自行冲破岩柱的突出 1988年10月16日，南桐鱼田堡矿二水平东翼三采区+20m石门，打震动炮眼时发生自行冲破岩柱的突出，煤8765t，岩石61m3，瓦斯201万m3，煤粉堵塞巷道1388m，瓦斯逆流1846m。突出煤层为4号层，厚约3.0 m，倾角30-35，石门附近地质构造复杂，距鸦雀嘴向斜轴312m，距煤层扭转轴150m。,27,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：延期突出1973年6月29日，北票三宝矿一井西一采区-226m水平2号岩石反眼揭开9b煤层时发生延期突出。煤1500t，瓦斯5.44万m3。突出前一天反眼工作面迎头为黑色石英斑岩，掏槽炮后工作面中间揭开煤层，面积0.6m2，尚剩7个刷帮眼未放炮，发现有掉渣、工作面压力大等预兆，人员撤出停掘；突出前放刷帮炮，共7个炮眼，炮响后经过大约18-20min听到两声巨响发生突出。,28,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：1967年3月14日，北票三宝一井-175m水平2石门西9B煤层平巷掘进接近煤门时发生突出。该区小断层、小褶曲发育，大面积火成岩侵入，9B煤层顶板为厚达12m火成岩，底板为火成岩和砂页岩，顶煤变质煤，底部为正常煤（4-5m），倾角25。为预防突出，打排放瓦斯钻孔8个，排放17天后向前掘进3.8m，距石门12m，煤炮声连续不断，在10min内可以听到82响。,2.平巷（煤层平巷）突出,29,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：1973年5月2日，六枝矿务局六枝矿五采区中巷上山倾出。上山沿7号煤层掘进，煤层倾角55，煤厚4m，其上邻近层1号、3号煤层已采但留有煤住。倾出点正位于这两层留的煤柱的下方，附近有一压扭性断层，煤质松钦，岩石破碎，倾出前发现煤壁掉渣，决定加强支护；支架时煤层来压，随即倾出。,3.上山突出,30,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,实例：天府矿务局磨心坡矿峰区沿9号煤层掘进临时斜井，向下掘至距地表374m时发生突出。突出4天前发现煤变软、层理紊乱，底板柱窝有水浸出，顶板裂缝有限哩声并有“冷气”喷出，突出前听到类似跑车的“轰轰”声，紧跟着一声巨响而突出。煤抛出17.5m远，最上面5m为煤粉，再下4m为小于25mm碎煤；往下3.5m为50mm小块煤，最后2m为70-100 mm大块煤。,4.下山突出,31,三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例,5.采煤工作面突出,实例：南桐煤矿一井0504采区一长度33m的区段，小断层发育、底板阶梯状凸起、煤厚变化剧烈，回采时压出7次，总压出煤量2127t，占该区段煤储量的50%。第次压出发生在震动放炮后5min，压出煤量774t。注意：尽管回采工作面压出平均强度不大，但是由于采煤工作面人员较多，对人身安全及生产的影响是很大的。,32,内容提要,一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律,33,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,1.瓦斯突出机理假说,瓦斯作用假说地应力作用假说综合作用假说流变假说 球壳失稳假说,34,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（1）瓦斯作用假说,认为：煤层中存贮的高压瓦斯是突出的主要作用因素。有两个分支：瓦斯包假说 认为煤层中存在着瓦斯压力与瓦斯含量比邻近区域高得多的煤窝，叫瓦斯包，包内煤松软、孔隙与裂隙发育，具有较大的存贮瓦斯能力，它被透气性差的煤（岩）所包团，储存着高压瓦斯。当巷道揭穿“瓦斯包”时，在瓦斯压力作用下将松炊的煤窝破碎并抛出形成突出。,35,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（1）瓦斯作用假说,瓦斯水化物假说 认为甲烷在煤中以不稳定的化合物形式存在，例如：瓦斯水化物CH4H2O或者多聚甲烷（CH4)n存在。当巷道揭开饱含不稳定化合物煤区时，因温度上升或瓦斯压力下降，促使它们急剧地分解，放出大量的瓦斯并夹带着煤而喷出。,瓦斯水化物（可燃冰）密度很大，有些呈固态，一立方公尺就可产生164立方公尺的瓦斯。,36,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（2）地应力作用假说,认为：突出主要是高地应力作用的结果。一种认为除自重应力外还存在着地质构造应力，当巷道接近储存构造应变能高的硬而厚的岩层时，后者将像弹簧一样地伸张，将煤破坏和粉碎，引起瓦斯剧烈涌出而形成突出。另一种认为采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长或者突然冒落时，可能产生附加的应力；在集中应力作用下，煤发生破坏和破碎时，会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。,37,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（3）综合作用假说,认为：突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用的结果。这一假说较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面的主要因素，得到了国内外学者的普遍承认。综合假说中还有多种学说，能量说、地应力分布不均匀说，,38,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,能量说：前苏联学着B.B.霍多特提出，他认为突出是煤的变形潜能和瓦斯内能突然释放所引起的近工作面煤体的高速破碎，发生突出要满足如下三个条件：激发突出的第一条件：对于回采 W+F+U 对于掘进 WF+U 对于石门揭煤 W+QF+U,W-煤的变形潜能；-顶板岩石的动能，Q-煤内游离瓦斯所台的内能；F-煤向巷道的移动功；U-煤的破碎功。,39,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,激发突出的第二条件：VpVx,Vp-煤的破碎速度；Vx-煤裂隙中瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。,40,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,激发突出的第三条件：它要求在煤破碎完成之前，瓦斯压力应必须大于抛出破碎煤的阻力，即：,P-瓦斯压力；S-煤破碎区段的横断面积；f-煤沿某一表面移动时的摩擦系数；-煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成的倾角；g-重力加速度；m-煤的质量；a-为了把煤抛出必须给煤的加速度,41,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,霍多特认为：只有当煤中应力状态突然改变时，煤层才可能产生高速破碎，下述原因可以引起煤中应力状态的突然改变：煤层中坚硬区段或坚硬包裹体的承载能力以脆性破碎形式消失；围岩作用于煤层的动载荷；放炮（含震动放炮）落煤时，巷道迅速进入煤层；放炮揭开煤层。霍多特认为：地应力与瓦斯压力在突出过程起本质作用，煤和围岩构造的非均质性是突出的最普遍原因。,42,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,1979年霍多特对上述假说又作了补充：煤体的破坏分为两类，第一类破坏是转变为临界状态的破坏，第二类破坏是煤体破碎成煤块和煤粉。第二类破坏的发展速度和破碎程度，足以不断形成瓦斯放散表面和能使煤悬浮的瓦斯流。无论是游离瓦斯还是吸附瓦斯都参与突出的发展。,43,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（4）流变假说,中国矿业大学何学秋教授认为：煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后地应力与孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。在突出准备阶段中，含瓦斯煤体在采动影响区域内就开始了蠕变破坏，使煤体进一步被切割，形成发育的裂隙网。在某区域加速破坏发生时，如果该区域瓦斯能量足够冲垮已遭破坏的煤体，则突出发生、发展，突出过程中的瓦斯气体部分由前一蠕变区域通过发育的裂隙网补给。,44,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,（5）球壳失稳假说,中国矿业大学蒋承林教授认为：煤和瓦斯突出是地应力破坏煤体、煤体释放瓦斯、瓦斯使煤体裂隙扩张并形成的煤壳失稳破坏过程煤体的破坏以球盖状煤壳的形成、扩展及失稳为主要特点，破坏的煤体抛向巷道后，煤体内部继续破坏后续的煤体。,45,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,2.瓦斯突出过程,准备过程,激发过程,发展过程,煤与瓦斯突出,能量积聚过程，有突出预兆；过程时间变化范围很大，有时几秒钟即可完成。,应力状态突然改变，煤体破坏形成大量的裂隙，吸附瓦斯大量解吸参与突出。落煤、打眼、刨柱窝等都可以激发突出,在地应力与瓦斯压力作用下，连续剥离并破碎煤煤体；破碎的煤在瓦斯内能作功下，运送边粉碎。,终止过程,遇到较硬的煤体，地应力与瓦斯压力降低不足以破坏煤体，突出孔道被堵塞。,46,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,47,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,中梁山煤矿于1977年11月4日在南井+290m水平南西二半抬高石门揭穿背斜西翼K10煤层处，现场记录到一次突出，此次石门揭煤突出强度为817t煤（矸），瓦斯38540m3，瓦斯涌出量最大时1200m3/min，全过程仅仅延续39s。,3.瓦斯突出过程现场记录,48,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,49,四、瓦斯突出机理假说与瓦斯突出过程,在地面遥控放震动炮揭开煤层，随即发生突出。震动放炮诱导突出有一个短哲的准备期；瓦斯潜能的释放是浅部向深部扩展，煤体破坏先于瓦斯压力下降，可以形成瓦斯-粉煤流，静压头达0.3-0.6MPa；参与突出的瓦斯来自突出煤以及突出孔周围卸压的高压瓦斯，会形成瓦斯风暴；突出过程为39s。,50,内容提要,一、煤（岩）与瓦斯突出概况二、矿井瓦斯动力现象分类及危险程度划分三、各类采掘面瓦斯动力现象的特点及实例四、瓦斯突出的机理假说与瓦斯突出过程五、瓦斯突出的一般规律,51,五、瓦斯突出的一般规律,1.瓦斯突出发生在一定深度上，突出危险性随采深增加而增大 矿井或煤层一般有一个始突深度，当大于该深度时，就有发生突出的危险。矿井开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，可能转变为突出矿井；一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井，开采到深部后，可能转变为严重突出矿井。,52,53,五、瓦斯突出的一般规律,54,五、瓦斯突出的一般规律,同一煤层，其瓦斯压力越高，突出危险性越大。发生突出的瓦斯压力最小值可用以下统计公式估算：,Pmin-煤层发生突出瓦斯压力最小值，MPa；f-软煤分层的坚固性系数；V-软煤分层的挥发分含量，；A、B-统计常数，据我国26个矿井始突深度统计分析，A5，B0.017。,55,五、瓦斯突出的一般规律,2.绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面 在统计的9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占76%，石门揭煤工作面突出567次，占5.76%，回采工作面突出1556次，占15.8%。,56,五、瓦斯突出的一般规律,3.煤层突出危险性随煤厚增加而加大 以南桐矿务局三号井为例：5号煤厚0.70.8m，平均突出强度38吨/次，最大突出强度138吨/次；6号煤厚11.5m，平均突出强度43吨/次，最大突出强度450吨/次；4号层，煤厚2.53.2m，平均突出强度88吨/次，最大突出强度5000吨/次，该局所有特大型突出都发生在该煤层。,57,五、瓦斯突出的一般规律,4.突出大多数发生在地质构造带 在3082次有地质构造情况详细记录的突出中，2525次突出地点有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，占81.9%；557次突出无地质构造，仅占18.1%。,58,五、瓦斯突出的一般规律,5.大多数突出前有作业方式诱导 8480次突出事例统计表明，有8253次有放炮、支护、落煤、带钻等作业方式诱导了突出，占97.3%，其中放炮作业突出5481次，占64.6%，风镐落煤突出676次，占8%，手镐落煤突出1102次，占13%。,59,五、瓦斯突出的一般规律,6.突出前大多有预兆 在我国统计的5029次有明确突出预兆记载的突出事例中，有4493次突出发生前有突出预兆，占89.3%，无突出预兆仅有536次，占10.7%。,60,瓦斯突出的常见预兆 声响预兆-响煤炮 瓦斯预兆-瓦斯异常、喷孔 煤结构预兆-煤结构紊乱、煤体发暗、煤厚急剧变化 矿压显现预兆-片帮、煤墙外臌、底臌、顶（夹）钻 温度预兆-温度降低、煤墙发凉,五、瓦斯突出的一般规律,61,五、瓦斯突出的一般规律,7.煤体破坏程度越高，突出危险性越大 突出煤层多发生在为、类煤中，此类煤的共同特点是坚固性系数f值小、煤层瓦斯放散初速度P大、煤层透气性系数小、层理紊乱、多为遭受到地质构造揉皱的构造煤。,62,五、瓦斯突出的一般规律,8.石门突出危险性最大 在统计的9845次突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5吨/次，是平巷平均突出强度（50吨/次）的6倍以上。,63,五、瓦斯突出的一般规律,9.煤层突出危险区常呈条带状分布 向斜轴部地区、向斜构造中局部隆起地区、向斜轴部与断层或褶曲交汇地区、火成岩侵入形成变质煤与非变质煤交混或邻近地区、煤层扭转地区、煤层倾免骤变、走向拐弯、变厚特别是软分层变厚地区、压性、压扭性断层地带、煤层构造分岔、顶（底）板阶梯状凸起地区等都是突出点密集地区、也是大型甚至特大型突出地区。前苏联统计资料表明，在突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10%。我国统计资料表明，突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的 1015%。,64,Thank You!,
