瓦斯突出典型案例.ppt

煤矿瓦斯事故典型案例分析-四位一体综合防突技术,张志良 高级工程师2010.9,2007年世界能源消耗情况,2007年全球范围的能源消耗量167.3亿吨标准煤，增长2.5%。煤炭的消耗量为48.49亿吨标准煤，天然气为39.43亿吨标准煤,矿物油为59.23亿吨标准煤，核能为9.6亿吨标准煤，水能为10.55亿吨标准煤。世界能源署（IEA）的专家预测，今后全球能源的消耗量每年1.8%的速度递增。2007年世界硬煤产量为56.00亿吨，其中电煤48.5亿吨，焦煤7.5亿吨。太平洋地区产煤国的煤炭产量增幅较大。2007年中国的产煤量达到25.23亿吨，比2006年（23.26亿吨）增加了1.97亿吨。自2000年至2007年，中国的煤炭产量增加了约13亿吨。据估计，到2010/2011年，中国的煤炭产量将提高到30亿吨。印度也是世界上产煤大国之一，该国有一个雄心勃勃的煤矿开采计划，正在建立新煤矿，以满足本国电力工业对煤炭的需求量。2008年中国的产煤量27.16亿吨,同比增加1.93亿吨,同比增长7.65%。,一、矿井动力现象分类,顶板大面积来压岩爆（冲击地压）煤与瓦斯突出：在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体内或岩体内突出向采掘空间抛出的异常的动力现象。2007年止鉴定的突出矿井全国647对，突出近30000次。全世界20多个国家发生过突出，最严重的是中国、前苏联、日本。突出煤炭最多的是前苏联煤矿；瓦斯量最多的是南桐一矿350万m3。我国突出煤炭最多的是三汇一井。,中国煤与瓦斯突出矿井分布,煤与瓦斯突出灾害分布,突出矿井总数量647对,中国高瓦斯矿井分布,煤与瓦斯突出灾害分布,高瓦斯矿井总数量2859对,中国高瓦斯、突出矿井分布,煤与瓦斯突出灾害分布,高瓦斯、突出矿井总数量3506对,中国大陆地质构造复杂，是小板块组成,二、煤与瓦斯突出危害与假说,1、煤与瓦斯突出分类：按动力现象的成因和牲分类：典型突出、倾出、压出。分类目的是采取有针对性的防治措施。按参与突出物种类：煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、煤与二氧化碳突出，岩石与二氧化碳突出。盐与二氧化碳突出（东德）。煤、岩、瓦斯、二氧化碳突出（窑街三矿）。按突出煤量分类：特大型（煤量1000吨）、大型（煤量500吨1000吨）、次大型（煤量100吨499吨）、中型（煤量50吨99吨）、小型（煤量50吨）。分类目的是采取有针对性的安全防护措施。按突出发生的地点：石门揭煤、平巷突出、上下山突出、采面突出。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,2、煤与瓦斯突出的危害：（1）动力摧毁作用；（2）缺氧窒息作用；17%，工作时会出现喘气或呼吸困难；15%时，会失去劳动能力；12%（瓦斯为43%，空气为57%）时会丧失理智，78分钟会有窒息死亡危险；9%（瓦斯为57%，空气为43%）时丧失理智，23分钟会有窒息死亡。6%（瓦斯为71%，空气为29%）时会丧失理智，立即窒息死亡。国际劳动局（Internationl Labour office）制定的煤矿安全与健康实用规程（1985年5月，日内瓦）规定：“任何地点空气中的氧气成分低于19%，都不适合人员作业和通过”。我国规定“当作业场所空气中氧气浓度低于18%时，必须佩戴空气呼吸器、氧气呼吸器或长管面具”。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,2、煤与瓦斯突出的危害：（3）发生瓦斯爆炸。其危害以可分为三个方面：A、火焰锋面：传播速度从每秒几十厘米100 m/s，最大可达音速；温度21502650。B、冲击波：传播速度大于音速，可达1000 m/s。正向传播的峰值压力一般为0.50.8MPa，最高可达2MPa。人体抵抗能力为2.0KPa。C、巷道中大气成份的变化：生成大量的CO、CO2、水蒸气。CO浓度一般在0.4%以上。CO浓度0.4%，人维持810分钟；CO浓度1.0%，人维持12分钟；,二、煤与瓦斯突出危害与假说,2、煤与瓦斯突出的危害：（4）突出煤自燃、进而引发瓦斯爆。江西省丰城矿务局建新煤矿2004年“11.14”特别重大瓦斯爆炸事故 直接原因新建煤矿是丰城矿务局4对生产矿井之一。瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井。新建煤矿井下1010工作面进风（运输）顺槽在掘进过程中，曾于2003年6月14日和7月27日发生煤与瓦斯突出，形成了1号和2号突出孔洞。在对1010工作面运输顺槽2号突出孔洞进行密闭前，没有清理完突出浮煤，密闭墙没有按设计要求施工，密闭不严，没有采取有效的防止自然发火的措施，导致密闭内突出浮煤氧化自燃，煤炭自燃引燃孔洞内积聚的瓦斯，造成瓦斯爆炸，51人死亡，5人轻伤。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,二、煤与瓦斯突出危害与假说,二、煤与瓦斯突出危害与假说,2、煤与瓦斯突出的危害：突出,二、煤与瓦斯突出危害与假说,3、发生煤与瓦斯突出的因素：（1）瓦斯：无色，无味，比空气轻（容重为空气的0.554倍），微溶于水（35L/m3）,燃烧时火焰呈现兰色。对突出起作用的瓦斯压力和吨煤瓦斯含量。（2）地应力：自重应力、构造残余应力，采掘支承压力。（3）构造煤及其分布规律。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,煤与瓦斯突出的机理：球壳失稳机理,认为在突出过程中，地应力首先破坏煤体，使煤体产生裂纹，形成球盖状煤壳。然后煤体向裂隙内释放并积聚高压瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩张并使形成的煤壳失稳破坏并抛向巷道空间，使应力峰值移向煤体内部，继续破坏后续的煤体，形成一个连续发展的突出过程。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,煤与瓦斯突出的机理力学作用机理,1、突出的过程经历如图所示的准备、发动、发展和终止四个阶段。突出发动的标志是采掘空间周围一定厚度的煤岩体发生突变失稳而失去承载能力、并被迅速抛出或挤出；突出终止的标志是突出过程的煤岩宏观运动持续停止；突出的发展是在突出发动后孔洞周围煤岩体由浅入深逐渐发生破坏的过程；突出的准备是突出发动前有利于发动突出的力学条件变化过程。,突出阶段划分示意图,二、煤与瓦斯突出危害与假说,煤与瓦斯突出的机理力学作用机理2、初始失稳条件和能量条件构成突出发动的条件破坏的连续进行条件和能量条件构成突出发展的条件。,煤与瓦斯突出条件,二、煤与瓦斯突出危害与假说,煤与瓦斯突出的机理能量条件能量条件的概念表述的是必须要有足够的能量，使煤岩体发生破碎并被抛出。对于某一范围内的煤岩体，能量条件可以表示如下W1+W2+W3=A1+A2+A3式中W1 煤岩体的弹性势能；W2煤岩体的瓦斯内能；W3周围煤岩体对此范围内煤岩所做的功；A1煤岩体的破碎功；A2煤岩体的抛出功；A3其它能量耗散，如煤体发热、声发射等。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,突出主要发生在支承压力极限平衡区。极限平衡区煤岩体已经遭受了强度破坏，进入到应 力应变曲线的峰后受力状态，由于煤岩的流变进入加速阶段，或者由于外载的扰动等使煤岩加速变形，使得煤岩体迅速转入残余强度急剧衰减状态，导致煤岩体失去承载能力，进入失稳状态。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,突出的发动是从煤壁的失稳开始的。如果失稳煤体仅为煤壁表面的小范围，此处几乎不存在瓦斯的作用，失稳煤体在重力势能和不大的弹性势能作用下抛出，产生片帮一类的动力现象。这种动力现象的发动通常难以引发动力现象的发展。如果失稳煤体是沿某一高角度结构弱面形成，失稳煤体在重力势能和较小的弹性势能、瓦斯内能作用下抛出，形成倾出类动力现象。这类动力现象由于深入煤体较深，但瓦斯压力不高，仅会引起较小范围深部煤体的动力现象的发展，这种发展仅限于小范围深部煤体的失稳和位移以及深部煤体瓦斯的缓慢解吸与释放。,二、煤与瓦斯突出危害与假说,如果失稳煤体不是沿高角度结构弱面形成，而是深入煤体一定深度，煤体主要在弹性势能和不高的瓦斯内能作用下抛出或挤出，形成压出类动力现象。这类动力现象同样由于深入煤体较深部，但瓦斯压力不高，仅会引起较小范围深部煤体的动力现象的发展，同样只表现在小范围深部煤体的失稳和位移以及深部煤体瓦斯的缓慢解吸与释放。如果失稳煤体和压出类动力现象相似，但失稳煤体主要是在瓦斯内能和相对较小的弹性势能作用下抛出，于是形成突出类动力现象。这类动力现象深入煤体较深部，瓦斯压力高，会引起大范围深部煤体动力现象的发展。如果压出类动力现象的煤体失稳是发生于较坚硬的煤层中，则煤体可能呈现脆性失稳，引发煤体失稳和抛出所需的力和弹性势能更大，这时的动力现象就转化为冲击地压。,三、四位一体综合防突措施,1、设计：(第一百零四条)突出危险区煤巷掘进和采煤工作面的专门防突设计应至少包括以下方面：（一）煤层、瓦斯、地质构造及邻近区域巷道布置的基本情况；（二）建立安全可靠的独立通风系统及加强控制通风风流设施的措施；（三）工作面突出危险性预测及防突措施效果检验的方法、指标、预测及效果检验钻孔布置等；（四）防突措施的选取及施工设计；（五）安全防护措施；（六）组织管理措施。矿井各煤层采用的各种措施的效果和参数等都要进行实际考察确定。,三、四位一体综合防突措施,1、设计：（1）采区专用回内巷；（2）石门揭煤设计；避开构造带，设计消突措施；郑州大平煤矿“11*20”突出事故，是在掘进21采区时因施工误揭煤，没有设计石门揭煤，更没有采取防突措施造成的。从现场揭露的实际情况分析，揭煤地点是一个极复杂的地质构造带。一方面处于向斜轴部，另一方面处于一逆断层的下降盘，即造成了应力集中，岩石破碎，双造成岩柱小，误揭煤（突出煤量1894吨，瓦斯250000m3）。,三、四位一体综合防突措施,“10.19”突出 1113工作面埋深725m。根据矿井突出危险性区域划分。在工作面中部发育斜交正断层F1113-2，落差6 m，在工作面终采线落差约4.5 m。推进130 m后受断层影响，回采困难，利用沿空留上风巷的方法采完了断层下降盘（采面下部），走长向约100 m的长条面。沿断层补掘下顺槽。在下降盘内开口，沿煤层顶板，过断层后进入煤层底板，转向掘进改造下顺槽。巷道坡度约28。防突措施采用超前排放钻孔，防突措施效果检验采用q及h2。10月19日晚4点班，巷道已掘进29m，进入断层上升盘，沿煤层底板，准备转向掘进改造下顺槽。测定效果检验参数q及H2均不超标，开始架棚。在架棚过程中出现煤炮频繁，瓦斯忽在忽小的突出预兆。,三、四位一体综合防突措施,三、四位一体综合防突措施,1、设计：（3）避开孤岛煤柱或应力集中带（设计人员与安全高管人员注意）；六矿01*9*21，02*12*25；八矿03*11*23（2405三川因地质构造误揭煤，打锚杆时诱导突出，煤80吨，瓦斯13000m3。埋深600 m。），3002上顺槽（埋深590 m。一次装药两次起爆，违反细则规定。突出煤90吨，瓦斯8260m3。）,三、四位一体综合防突措施,1、设计：（3）避开孤岛煤柱或应力集中带；焦作九里山矿15051区段煤巷特大型突出，即没有避开构造带，又没有避开应力集中带。05年3月26日开始施工，自开始掘进到通尺59.6m。30米处遇断层，2.5米；37米处过完；46.3米停掘，41米开口向上掘15051疏水横贯，6.9米超标严重停掘。恢复原巷道掘进，56.4米处压出。预抽强化措施，q值不超标，掘进突出。,焦煤九里山矿“823”特大型煤与瓦斯突出平面图,三、四位一体综合防突措施,1、设计：（3）避开孤岛煤柱或应力集中带；郑州局马岭山煤炭公司2*10突出。突出地点为11041掘进工作台面（二1煤）。原因一方面是下部的一7煤层为条带开采，形成集中应力叠加区，另一方面是沿煤层底板，托顶煤掘进，长距离空顶，容易诱导突出。和十矿1113辅助下顺槽一样，虽然诱导都是打钻，但根本原因还在于应力集中。,三、四位一体综合防突措施,1、设计：（3）避开孤岛煤柱或应力集中带；郑州矿务局裴沟矿原为高瓦斯矿井，2006年在跳采布置中间面，掘进上顺槽时为躲闭上个区段采空区积水，留15米煤柱，没有避开应力集中带导致突出，煤量400吨，瓦斯量26000m3。矿井鉴定为突出矿井。,五、四位一体综合防突措施,1、设计：（4）设计预抽瓦斯的底板岩石抽放巷，作为单一煤层的区域防突措施。（5）设计采煤方法，包括：落煤工艺、巷道布置。（6）煤层群开采保护层、保护范围设计。,三、四位一体综合防突措施,2、抽放瓦斯（1）石门揭煤抽放瓦斯设计（2）单一煤层底抽巷预抽瓦斯设计，煤巷的顺层抽放设计；煤层群开采被保护层预抽瓦斯设计。（3）煤巷掘进临时抽放设计。,煤与瓦斯突出危险性区域预测框架图,煤与瓦斯突出危险性预测框架图,三、四位一体综合防突措施,“四位一体”综合防突体系,三、四位一体综合防突措施,3、预测预报区域预报：（1）四类指标：煤的破坏类型、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、煤层瓦斯压力，只有全部指标达到或超过临界值方可划分为突出煤层。（2）瓦斯地质统计法；（3）综合指标法：D=（0.0075H/f-3）(p-0.74)K=p/f此方法忽略了地应力或水平应力。,三、四位一体综合防突措施,3、预测预报局部预报：参数测定，突出预兆（瓦斯、煤质、地压）局部突出危险工作面必须采取防突措施：（1）断层构造破坏带（断层、褶曲、火成岩侵入）；（2）赋存条件急剧变化带；（3）采掘应力叠加的区域；（4）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；（6）气体膨胀吸热，钻杆、空气变冷。,三、四位一体综合防突措施,4、防突措施区域防突措施：开采解放层；本煤层抽放。局部防突措施：统分为增强、卸压；深孔松动爆破属卸压措施，有诱导突出作用，存在措施空白带。卸压排放孔；高压注水与巷邦抽放联合；先抽后掘。震动放炮属安全防护措施。金属骨架（岩巷揭煤）、超前支架（煤巷）属增强措施。所有措施控制：巷道两邦轮廓线外8米，正前10米以上。巷道开口10米内注意消除空白带。,三、四位一体综合防突措施,发生突出的一般规律：（1）始突深度；（2）突出强度随软分层厚度的增加而增加。吨煤突出瓦斯量随煤层厚度的增加而增加。（3）突出危险区呈带状布。（4）受煤体自重影响，巷道上、前方突出占大多数。八矿3002面上顺槽例外。（5）采掘作业突出占大多数。（6）绝大多数突出有预兆。（7）突出危险性随硬而厚的围岩存在而增高。（8）石门揭煤最危险。,三、四位一体综合防突措施,5、防突措施的效果检验效检孔布置在措施孔中间，措施孔合理。在应力集中带、空顶空帮时效检结果不能反应突出危险性，发生低指标突出。区域防突措施的效果检验。局部防突措施的效果检验。,三、四位一体综合防突措施,6、安全防护措施震动放炮、远距离放炮、避难所（硐室）；压风自救系统、隔离式自救器（必须随身）；回风流停电撤人、反向风门、防爆电器；突出煤及时清理、突出孔洞应充填或支护。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治1970年六矿第一次煤与瓦斯突出共发生包括突出、压出、倾出在内的突出事故65起。炮后突出46起，占71%；非放炮作业突出19起，占29%。非放炮突出具有突发性，集中在掘进头的人员撤退时间短，极易给职工生命安全造成严重威胁。19次非放炮作业突出，其诱导因素可分为顶煤冒落、手镐落煤、架棚、打穿枇、回柱、打钻等方式。六次非放炮突出事故的基本情况。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（1）孤岛煤柱形成支承压力叠加，激发突出。相邻两个采空区形成的支承压力峰值比原岩应力增高46倍。六矿921煤与瓦斯突出即为此类型。六矿28102开采顶分层工作面时为处理小断层留下20m30m孤岛。下分层掘进时在不采取任何防突措施下掘进。掘到孤岛煤柱内15m后到达到应力最集中部位，打穿枇诱导发生了突出事故。此次突出的吨煤瓦斯量约29m3/t，说明突出动力主要是叠合支承压力。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（2）突出危险区防突措施不到位造成煤与瓦斯突出。六矿2814下顺槽为底板煤巷，采用超前排放孔防治突出。因排放孔数量不够，外斜角度不够，2月19日八点班效检时q指标达到7.3L/min。掌子面正处于向斜轴部，煤层较软。为防止顶煤冒落，施工人员决定先打前探穿枇。采用不平直的穿枇硬性打入处于极限平衡煤体时，连续撞击力破坏极限平衡，诱导219煤与瓦斯突出。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（3）底板煤巷空顶掘进，棚梁上部煤体处于高度失稳状态，打钻连续震动诱发突出。十矿1113中顺槽为近水平底板煤巷，掘进11m后因长距离空顶，加上断层附近，煤体破碎，虽已施工了30个89mm、长10m超前排放孔，但煤炮声频繁。为防治突出，决定采用先抽后掘措施，共设计12个75mm抽放孔。在第九个钻孔打进12m时发生突出。其原因在于：完成30个超前排放孔、8个抽放孔后，棚梁以下煤体已充分卸压，煤体结构已被破坏，但棚梁上部煤体因空顶造成应力集中，缺少排放卸压钻孔，使本已破碎的构造煤不能抵抗突出动力，在打抽放钻孔连续震动诱导下发生突出。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（4）大倾角煤层在地下水的挤压协作下激发突出。十矿1113底板切眼由底找顶。掘进8.4m后顶煤余2m，qmax=3.1L/min，H2max=240Pa。3月10日四点班进班超前距剩余5.3m，开始施工排放孔。左下部第一个排放孔打到5m时、煤墙内响煤炮，回风流瓦斯超限。一小时后煤墙片落2吨。2小时后煤墙片落7吨，掌子面右上角出水，但水量不大。20点20分，突出煤量达21吨，涌水量达30m3/h。埋深大，底板砂岩水压力大。煤体前方底板裂隙卸压突水，水压向外挤压煤体，成为突出的动力之一；同时润滑大倾角煤体，增加了煤体自重产生的下滑力，降低了突出阻力。在较大的地应力、瓦斯压力共同作用下、破碎的构造煤形成极限平衡。地下水水压作用打破极限平衡，诱导了319煤与瓦斯突出。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（5）石门揭煤排放钻孔滞后、支护滞后，顶板岩石冒落，造成煤与瓦斯突出。八矿1123煤与瓦斯突出。2405三横川原设计25m揭煤。计划掘进12m、最小岩柱5m时打排放孔。后证实因前方遇断层，掘进12m后最小岩柱已不足1.5m。23日零点班放炮掘进后没有及时打锚杆挂网。掘进头前部断层带破碎的岩石处于无支护状态。11点打锚杆眼时，顶板岩石冒落，导致地应力重新分布，原来由围岩承担的地应力迅速转移到破碎煤体上，在瓦斯协作下激发突出。,三、四位一体综合防突措施,7、非放炮诱导突出的原因及防治（6）大倾角煤层底板煤巷上山掘进，片帮冒顶引起突出。十矿925煤与瓦斯突出。1113工作面煤层倾角达33,埋深达710m。因处于向斜轴部，构造煤发育。外切割沿底板上山掘进。25日3时清完煤后响煤炮。撤后1小时后检查恢复正常。继续移前探梁，架棚护顶。6时掌子面煤层片帮、顶煤冒落，同时伴有强烈煤炮，随后发生突出。,在对我国8480次有明确作业方式记录的突出事例统计表明，风镐落煤突出676次，占8%；手镐落煤突出1102次，占13%。尽管风镐落煤和手镐落煤突出强度一般不大，仅1020吨，但施工人员在现场，一旦发生突出，势必造成人身伤亡事故。河南省一些突出矿井，开采三软煤层采用手镐落煤的不少，尤其是采用放顶煤开采，巷道沿底板掘进，极易发生压出、倾出类型的煤与瓦斯突出。,三、四位一体综合防突措施,三、四位一体综合防突措施,8、防治煤与瓦斯突出典型事故的技术关键（1）在叠合支承压力区内掘进必须有足够的消除集中应力措施；巷道周围煤体有足够的卸压范围，形成较大的突出阻力，抵抗地应力激发突出。（2）使用合适的穿枇材料，禁止强行打入穿枇。（3）严禁煤巷空帮空顶掘进。（4）石门揭门必须严格执行细则规定的步骤程序，防止误揭煤。在岩柱厚度较小时及时打锚杆护顶。（5）倾角较大，含承压水的煤层先放水降压，再掘进煤巷。（6）先抽后掘或边抽边掘措施，降低煤层瓦斯压力及含量。,六、突出事故后的自救与互救,1、平时培养：熟悉突出预兆；熟悉通风系统与巷道系统；熟悉自救设备的性能和使用方法。2、临场镇定；对生命的热爱；平煤一人把全班40多人带出来。八矿111*23突出（2405岩中巷二横川）自救互救。,谢谢！,