煤与瓦斯突出防治技术(1-3).ppt

煤与瓦斯突出防治技术,姚 建 手 机：Email：,主 要 内 容,煤与瓦斯突出概况概述国内外概况分类强度划分一般规律我国煤与瓦斯突出特点突出危险程度划分采掘工作面瓦斯动力现象的特点煤与瓦斯突出机理,主 要 内 容,突出危险性预测区域预测物探法工作面预测AE(声发射)法瓦斯涌出动态法,煤与瓦斯突出危险性预测技术,矿井瓦斯抽采技术,1 煤与瓦斯突出概况,概述煤与瓦斯突出的分类突出强度划分一般规律我国煤与瓦斯突出特点突出危险程度划分采掘工作面瓦斯动力现象的特点,1.1 概述,一、概况1、瓦斯突出危害摧毁井巷设施（支架、矿车）煤流埋人破坏通风系统瓦斯逆流，人员窒息整个矿井正常生产系统瘫痪火灾及爆炸,1879年4月17日，比利时阿拉波二号井发生一次强度420t、瓦斯50万m3的突出：瓦斯逆流从提升井冲至地面，距井口23m的绞车房附近的火炉引燃了瓦斯，火焰高达50m，井口建筑烧成一片废墟；2h后，火焰快要熄灭时，井下又连续发生7次瓦斯爆炸；井下209人，死亡121人，地面3人烧死，11人烧伤。,2004年10月20日22时09分，郑煤集团大平煤矿21轨道下山岩石掘进工作面（距地表垂深612m）发生特大型延期性煤与瓦斯突出，瓦斯逆流数千米，导致瓦斯爆炸事故，死亡148人，32人受伤，其中重伤5人，直接经济损失3935.7万元。,2、国外情况1834年3月22日，法国鲁阿雷煤田伊萨克矿平巷掘进时发生世界上第一次煤与瓦斯突出。世界第一大突出1969年7月13日前苏联顿巴斯加加林矿石门揭煤(1.03m)突出煤(岩)14000t，瓦斯25万m3。,60年代末70年代初，法国、比利时已停止开采突出煤层。日本、美国、英国等，也先后停止或关闭了突出矿井。到目前为止，世界20多个主要产煤国家发生突出次数在4万余次。,3、国内情况第一次煤与瓦斯突出1950年11月20日，辽源矿务局富国西二矿，在垂深280米煤巷掘进时发生的。截止到2000年底，我国已累计发生突出18000余次，占世界各国总突出次数的40%以上，已成为世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家。,我国最大的一次突出(世界第二)1975年8月8日，天府矿务局三汇一矿+280m水平，平峒揭开K1煤层时，突出煤岩12780t，瓦斯140万m3。炮响34s后发生突出，峒口一阵狂风，将小碎石卷起，吹到50m以外。大量瓦斯携带煤粉涌出，呈黑浓烟状，持续40min才逐渐下降。距突出点700多m远的三道风门被毁。风门外装有钎子和矸石的矿车冲出30多m远。1t多重的一块巨石被冲走120多m。另一块重达3t的巨石冲出60余m，拐两个90的急弯进入变电所。,1999年12月26日，沈阳矿务局红菱矿石门揭煤时发生特大型煤与瓦斯突出，突出煤量2000吨，瓦斯逆流2000多米，死亡28人。,二、煤与瓦斯突出的分类按成因和力学特征，将煤与瓦斯突出分为三类：煤（岩）与瓦斯突出（简称为突出）煤（岩）与瓦斯压出（简称为压出）煤（岩）与瓦斯倾出（简称为倾出）,分类的基本原则,1）动力现象造成的空洞位置及形状;2）喷出煤（或岩石）的粒度及其分选情况;3）煤（或岩石）的抛出距离及堆积坡度;4）强度（喷出的煤量及岩石量）；5）喷出的瓦斯量及瓦斯流运行方向；6）动力效应；7）现象发生前的预兆。,1、突出的基本特征突出的煤抛出距离较远，具有明显的分选性；抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉；有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车、损坏安装在巷道内的设施；瓦斯涌出量远远大于突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转；突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其它分岔形等。,2、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，无分选显现；巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量增大；压出可能无孔洞或呈口大小腔小的楔形孔洞；压出时常伴随巷道底鼓。,3、倾出的基本特征倾出的煤就地按自然安息角堆积，并无分选现象；倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线压风自沿煤层倾斜或铅垂方向（厚煤层）发展；无明显动力效应；倾出常发生在煤质松软的急倾斜厚煤层中；巷道瓦斯涌出量明显增大。,三、突出强度划分突出强度每次突出中抛出的煤（岩）量和涌出的瓦斯量。由于瓦斯量计量困难，所以通常以煤（岩）量作为划分依据。小型突出：100t中型突出：100t 500t大型突出：500t1000t特大型突出：1000t,小型突出：50t（突出后，几十min，瓦斯浓度恢复正常）中型突出：5099t（突出后，几小时，瓦斯浓度恢复正常）次大型突出：100499t（突出后，一天，瓦斯浓度恢复正常）大型突出：500999t（突出后，几天，瓦斯浓度恢复正常）特大型突出：1000t（突出后，很长时间，瓦斯浓度恢复正常）,四、煤与瓦斯突出的一般规律1、煤层突出危险性随采深增加而增大在浅部开采为高瓦斯甚至为低瓦斯的矿井，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；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。,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%。,3、突出危险性随煤厚（软分层厚度）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38t/次，最大突出强度138t/次；6号煤厚11.5m，平均突出强度43t/次，最大突出强度450t/次；4号层，煤厚2.53.2m，平均突出强度88t/次，最大突出强度5000t/次，该局所有特大型突出都发生在该煤层。,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%。,1）封闭向斜轴附近轴部地带：上部压应力，下部张应力，受深部地层的阻力，岩层进一步挤压，小型层面滑动并出现压性逆断层南桐矿区80%的突出发生在八面山向斜、王家坝向斜、鸦雀岩向斜、甘家坪向斜,2）帚状构造收敛端收敛端常常是地应力集中的地点天府三汇一矿处在华蓥山帚状构造的收敛端，突出频繁发生,3）煤层扭转区南桐矿务局原东林矿的79次突出中，有93%集中在南翼黑漆岩扭转带，在突出事例中可清楚看到构造应力的水平挤压作用鱼田堡煤矿东翼的9次突出均分布在压扭性的扭转轴轴部附近,4）煤层产状变化区煤层走向、倾斜发生变化南桐一井5号煤层80%的突出(73次)发生在该区域洪山殿蛇形山井4采区，煤层走向倾角变化，是严重突出区，该区突出70次(占总数44%)，该区1442机巷平均1次/11米。,5）煤包及煤厚变化带煤层厚度急剧变化带是构造应力集中的地带红卫煤矿的190次突出(占总数85%)发生在煤包地带，全部特大型突出集中在煤包最厚区段红卫煤矿的126采区在走向不到70m的薄煤带掘进时，发生7次突出,6）分岔煤处红卫煤矿揭开分岔煤时经常发生突出(最大2000t),7）压性、压扭性小断层带受水平方向强烈挤压而形成，保持了高的应力集中，同时对瓦斯存储也有利六枝煤矿东二采区，14次突出(占7号层总数的61%)均与压性、压扭性小断层有关,8）岩浆岩浸入带岩浆岩浸入煤层局部变质力学性质变化应力分布不均白票矿区，25%以上的突出(265次)发生在岩浆岩浸入带,5、大多数突出前有作业方式诱导8480次突出事故统计表明，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%。,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故中，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%。,有声预兆煤炮声、闷雷声、劈裂声、支柱折断声及喷孔等无声预兆煤层结构变化，层理紊乱，煤变软、光泽变暗，煤层由薄变厚，倾角由小变大工作面煤体和支架压力增大，煤壁外鼓、掉渣等夹钻、顶钻 瓦斯增大或忽大忽小煤壁温度降低,7、煤体破坏程度越高，突出危险性越大突出煤层多发生在、类煤中，其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。,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316.5t/次，是平巷平均突出强度（50t/次）的6倍以上。,9、煤层突出危险区常呈条带状分布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%。地质构造呈带状采动形成集中应力带,五、我国煤与瓦斯突出特点 1、突出矿井分布广，部分地区较严重20多个省(区)的一些矿井南方多、北方少，东部多、西部少 重庆、四川、贵州、湖南、江西、辽宁、河南等省较严重湖南的突出矿井数和突出总次数，均占全国总数的1/3以上，特大型突出次数占一半以上,2、突出分布在不同类型的煤层单一突出煤层的矿井占突出矿井总数的1/3相当一部分矿井的所有可采煤层均属突出煤层，无保护煤层可采全国有近一半的突出矿井，需采用本煤层防突措施,3、始突深度不一5060m500640m最小，50m，（郴州罗卜安矿）最大，640m，（抚顺老虎台矿）始突深度浅，特大型突出的深度浅，在南方煤田中是一明显特点,煤层瓦斯赋存的垂直分带性（带状分布）煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。,CO2-N2,N2,N2-CH4,CH4,四带：CO2-N2带 N2带 N2CH4带 CH4带 现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。,表5-5煤层垂向各带气体组分表,瓦斯风化带确定指标,目前，确定瓦斯风化带下部界限的指标有：1）瓦斯中的甲烷及重烃成分之和大于80%(体积)；2）煤层瓦斯压力为11.5kg/cm2（0.10.15MPa）；3）相对瓦斯涌出量大于23m3/t；4）煤层的瓦斯含量11.5 m3/t(长焰煤)1.52 m3/t(气煤)22.5 m3/t(肥煤和焦煤)2.53 m3/t(瘦煤)34 m3/t(贫煤)57 m3/t(无烟煤),4、中小型突出占绝大多数，大强度突出次数也不少50t以下的小型突出占73.77%50100t的中型突出占13.45%100500t的次大型突出占11.15%5001000t的大型突出占0.91%1000t的特大型突出占0.7%大型和特大型突出比例虽小，但次数仍有100多次，多数发生在石门揭煤时,5、有少数矿井发生过岩石与二氧化碳突出及岩石与甲烷突出,前苏联、波兰、捷克、原民主德国和日本等国都曾发生过岩石与CO2突出。如波兰从1974年起发生砂岩与CO2突出，最大强度突出砂岩4300t，CO230.25万m3。1975年5月13日，在吉林省营城煤矿五井发生了我国第一次砂岩与CO2突出，距地表垂深430m，突出砂岩1005t，涌出CO211000m3。此后，甘肃窑街三矿发生了煤（岩）与CO2突出，延边和龙煤矿松下坪井发生了砂岩与CO2突出。我国共发生岩石与CO2突出30余次。,1）突出CO2的来源都是无机源有机源CO2中富集C12而贫C13；无机源CO2中富集C13贫C12。2）突出危险区呈带状分布营城煤田CO2突出区沿F3和F2断层延展呈条带形；窑街三矿的突出区也是沿F19和F605展布的。这些断层既是无机源CO2的侵入通道，也是形成高应力区与岩体破坏的构造，从而具备了突出发生的必要条件。,我国岩石与CO2突出的规律性,3）突出危险岩石具有较大的贮存瓦斯能力与较小的力学强度营城煤田突出危险砂岩的孔隙率达15.123.2%，坚固性系数小于1（正常条件下为34），有时手可握碎。4）突出砂岩内的瓦斯压力较高营城煤矿砂岩中CO2压力为1.452.15MPa，CO2含量为57m3/t。,5）突出前有多种预兆（1）CO2浓度增加（突出一周前即开始）。放炮前CO2浓度在1%以下时，炮后可增至58.5%，同时可见底板上有雾状物随风流往外涌。（2）积水处有气泡上升。（3）突出前数天可听到岩炮声响（距突出点10m以内）。,（4）岩石变软，炮眼数与装药量减少1/22/3时，爆破后的出矸量比平常多而且块度比平常小。（5）可能出现底鼓、片帮、冒顶。（6）可能会出现“饼干”片状脱落现象，每片厚度约510mm，甚至会出现松散的砂子。但如果在透气性差的火成岩中掘进，很难发现预兆，这种情况下的突出强度一般都很大。,6）有突出危险砂岩的岩芯呈圆片状（一面为凹形另一面为凸形），每米长岩芯凹凸圆饼数越多，表明地应力越高，突出危险性越大。营城煤田突出危险砂岩岩芯凹凸岩饼数高达138片/m。7）我国砂岩与CO2突出几乎都是由放炮引起的，还没发生过延期突出现象。,六、突出危险程度划分1、突出矿井和突出煤层矿井在采掘过程中，只要发生过1次煤（岩）与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井，发生突出的煤层即为突出煤层。2、突出危险区和突出威胁区突出煤层经区域预测可划分为突出危险区和突出威胁区。3、突出危险工作面和突出威胁工作面突出危险区经工作面预测后，可分为突出危险工作面和突出威胁工作面。,突出危险煤层的基本特征,突出煤层和非突出煤层在煤质、结构、赋存条件及特征等方面存在着明显的差异，这些差异是煤层突出危险性评价的依据。一般来说，突出危险煤层具有以下特征：1）具有较高的变质程度2）具有较高的瓦斯压力和瓦斯含量（0.74MPa，10m3/t）3）透气性较低，顶底板一般为封闭型,成煤过程甲烷生成量(m3/t),4）结构破坏类型较高、强度低（III、IV、V类，f0.5）5）瓦斯放散初速度较大（P10）6）比表面积较大7）突出危险煤层具有明显区别于非突出煤层的孔隙结构特征,两种状态的瓦斯在一定温度和压力条件下处于一种动平衡状态。条件变化，平衡随之变化。其中吸附瓦斯占煤层瓦斯总量的 8090。不同变质程度的煤，吸附瓦斯量和游离瓦斯含量不同。,在突出煤层中有下列情况之一的，视为突出危险工作面：1）在突出煤层的构造破坏带（断层、褶曲、火成岩侵入等）；2）煤层赋存条件急剧变化的区域；3）采掘应力叠加的区域；4）在工作面预测过程中出现喷孔、顶钻等动力现象；5）工作面出现明显的突出预兆。,七、煤与瓦斯突出矿井鉴定规范,八、防突措施的规定,在突出危险区工作前，应采取防突措施，采取措施之后应进行检验，有效后方可进行作业；在突出威胁区，每推进一个工作面预测循环，都必须进行工作面预测，根据预测结果采取措施。（四位一体）,1.2 采掘工作面瓦斯动力现象的特点,2 煤与瓦斯突出机理,区域预测工作面预测石门揭煤工作面煤巷掘进工作面回采工作面预测新技术,3 突出危险性预测,煤层突出危险性预测分类,区域预测：预测煤层和煤层区域的突出危险性，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：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。包括石门和竖、斜井揭煤工作面，煤巷掘进工作面和采煤工作面的突出危险性预测。,煤层突出危险性划分,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。,煤层突出危险性划分,在突出危险区域内，工作面进行采掘前，应进行工作面顶测。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。在突出威胁区内，根据煤层突出危险程度，采掘工作面每推进30100m，应用工作面预测方法连续进行不少于两次区域预测验证，其中任何一次验证为有突出危险时，该区域应改划为突出危险区。只有连续两次验证都为无突出危险时，该区域仍定为突出威胁区域。,煤层突出危险性划分,在突出危险工作面进行采掘作业前，必须采取防突措施。采取防突措施之后，还要进行措施效果检验，经检验证实措施有效后，方可采取安全防护措施进行采掘作业。每执行一次防治突出措施作业循环(包括措施、措施效果检验、采掘作业)后，须再进行工作面预测，如预测为无突出危险时，还必须再执行防治突出的措施，只有连续2次预测为无突出危险时，该工作面方可视为无突出危险工作面。在无突出危险工作面进行采掘作业时，可不采取防治突出措施，但必须采取安全防护措施。,煤层突出危险性划分,突出煤层在开采过程中，如果已确切掌握煤层突出危险区域的分布规律，并且有可靠的预测资料，由矿总工程师确定煤层在不同区域的突出危险程度，经局总工程师批准后，在确认的无突出危险区内，可不采取防治突出措施。,3.1 区域突出危险性预测,一、传统方法1、单项指标法,2、综合指标法,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侧的最远距离线；5-推测的下水平或下部采区的突出危险区域,3、瓦斯地质统计法,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）在上水平发生过一次突出的区域，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，按照上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）未划定的其他区域为突出威胁区。,4、其他预测方法,煤的变质程度挥发分Vdaf和电阻率对数lgVdaf40 烟煤 lg3.5 无烟煤 地质指标煤层围岩指标R5(5m含砂岩率)地质构造指标Kf煤质指标Kd(Kd=0.09P1.62f2),4、其他预测方法,多因素综合预测法X1单元中煤厚值，m；X2软分层厚度，m；X3煤厚变异系数；X4瓦斯放散初速度p；X5煤的坚固性系数f；X6综合指标K值；X7砂岩厚度，m；X8含砂率，；X9瓦斯含量，m3t。,二、物探法1、设备 WKTE型无线电波坑道透视系统 发射机 接收机 资料处理机 CT CAD软件,2、原理无线电波透视,3、主要电性参数电阻率与以下因素有关：煤的破环类型地质构造原生煤层=15005000m断层破环带=100500m 瓦斯 地应力,4、效果平煤十矿综采面 20150 20100突出危险区面积比 37%48%工作面日推进度 1.912.77m 1.914.49m预测不突出准确率100%,5、钻孔透视(新采区、新水平)示意图装备：WKT-Z型钻孔透视仪,3.2 工作面突出危险性预测,1、传统预测法钻孔瓦斯涌出初速度法 q钻屑指标法S、K1、h2R值指标法,钻屑瓦斯解吸指标临界值,钻屑瓦斯解吸指标临界值,不同破坏类型煤样h2值随时间的变化曲线（煤样粒度13 mm，充瓦斯压力0.2 MPa）1、2、3、4、5分别为、类煤样,煤巷钻屑指标法临界值,在工作面打2个(倾斜和急倾斜煤层)或3个(缓倾斜煤层)直径42mm、长610 m的钻孔。钻孔每打1 m测定钻屑量一次，每打2 m测一次钻屑解吸指标。,Smax每个钻孔沿孔深最大钻屑量，L/m；imax每个钻孔沿孔深最大瓦斯涌出初速度，L/(minm)临界值：6。,煤巷钻孔瓦斯涌出初速度临界值,2、非接触式连续预测法1）AE(声发射)法原理 煤岩在地应力、瓦斯压力作用下产生裂纹破坏以弹性能释放所表现出的一种形式国外情况原苏联已有40多年的研究应用历史系统：传感器放大器地面监测站应用：已纳入规程和防突细则 8590年间 顿巴斯矿区70个突出矿井 每年600个工作面(含回采)采用AE法效果：预测巷道长度553km，危险段长度34km(6%)防突措施工程量减少93.8%。,非接触式连续预测法AE(声发射)法,国内情况硬件设备系统,非接触式连续预测法AE(声发射)法,国内情况硬件设备AE传感器,非接触式连续预测法AE(声发射)法,国内情况软件功能滤噪AE声响各种作业声响按波形特征：振幅、频率、持续时间进行区分,交混,非接触式连续预测法AE(声发射)法,软件功能指标临界值事件数能量判断方法：临界超标法、变化幅度法声源定位掘进工作面：困难回采工作面：平面定位,非接触式连续预测法AE(声发射)法,效果南桐煤矿：突出60多t平煤12矿：掘进面二次，回采面一次，S超标，AE也超标，措施后都下降重庆轻轨地铁车站施工,非接触式连续预测法AE(声发射)法,AE声发射技术的应用石化重要管线、钢楠危险品储存罐飞机桥梁边防,工作面突出危险性预测,非接触式连续预测法2）瓦斯涌出动态法原理工作面瓦斯涌出变化、增大或忽大忽小国外研究德国 V3060%可解吸瓦斯含量前苏联 Kv0.7,非接触式连续预测法瓦斯涌出动态法,国内研究 重庆、抚顺、南桐、涟邵等，研究结果基本一致 V309m3/t Kv0.7,非接触式连续预测法瓦斯涌出动态法,实例芙蓉白皎矿,非接触式连续预测法瓦斯涌出动态法,推广应用前景利用环境监测系统将AE法、动态法构成突出连续预测预报子系统,工作面前方突出构造探测物探法,3）FTL防爆探地雷达设备防爆工控机发射机接收机天线信号采集处理软件,工作面前方突出构造探测物探法,3）FTL防爆探地雷达原理 根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构和形态大小,工作面前方突出构造探测物探法,3）FTL防爆探地雷达特点和功能可超前探测2030米范围内的断层、陷落柱、含水带、火成岩侵入等地质构造工作方法多样灵活，可全方位探测仪器轻巧操作方便，实时显示测量剖面资料处理软件操作简单，测量结果直观，易于解释,工作面前方突出构造探测物探法,3）FTL防爆探地雷达应用实例,