浅谈煤与瓦斯突出的防治 摘要:煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯压力的共同作用下的一种异常的动力现象,是制约煤矿安全生产的五大自然灾害之一。防治煤与瓦斯突出的措施主要采用突出危险性预测、防治突出措施、防空措施效果检验和突出防护措施在内的“四位一体”的综合防突措施。通过瓦斯抽(排)放钻孔释放采掘工作面及附近区域的部分瓦斯,降低采掘工作面的瓦斯压力,达到安全生产的目的。
关键词:煤与瓦斯突出 防治 预测 安全防护 煤与瓦斯突出是由于地应力和瓦斯压力的共同作用下,在极短的时间内,破碎的煤和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。煤与瓦斯突出灾害会造成重大人身伤亡事故,对煤矿安全管理造成巨大经济损失,是煤矿安全生产工作中的重大危险源,是煤矿灾害预防中的首要工作。
1 煤与瓦斯突出概念 煤与瓦斯突出是由于地应力和瓦斯压力的共同作用下,在极短的时间内,破碎的煤和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。
2 煤与瓦斯突出类型 煤与瓦斯突出按动力现象的力学特征,可分为:突出、压出和倾出;按突出强度可分为:小型突出(强度小于100T)、中型突出(强度等于或大于100T、小于500T)、大型突出(强度等于或大于500T、小于1000T)、特大型突出(强度等于或大于1000T)。
煤与瓦斯突出一般是在工作面放炮或采掘等诱导因素出现后随即发生的。这样的突出称之为正常突出。还有一种突出是在工作面放炮或采掘等诱导因素出现后延迟一定时间才发生,称之为延期突出。延期突出由于延期时间有长有短,难以确定,不好预防。那么,煤与瓦斯突出的机理是如何的呢?讨论瓦斯抽放和突出治理的资料很多,但对突出机理进行详细描述的资料却很少,因此了解这方面知识对于研究和治理突出显得很有必要。
3 煤与瓦斯突出危害与突出机理: 煤与瓦斯突出系指煤矿中这样一种煤体动力现象,即在极短时间内,由煤体向巷道(包括采场)中突然喷出巨量的瓦斯和粉碎的煤,并在煤体中形成某种特殊形状的空洞,喷出的粉煤被瓦斯流所携带运动,并造成一定的动力效应(推倒矿车,巨石,破坏支架等),大突出时粉煤可以充填数百米巷道,而喷出的瓦斯-粉煤流有时带有暴风般的性质,逆风流充满数千米长的巷道。
因此,煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的最严重的自然灾害。自从1834年法国发生世界上第一次煤和瓦斯突出以来,40多个产煤国家发生了突出。我国的瓦斯突出极为严重,至今为止,已发生突出万次以上。近年随着煤炭开采的向地下深部延伸和开发力度的加大,煤与瓦斯突出也随之加剧。云南东源集团的羊场煤矿,田坝煤矿,恩洪煤矿均是突出矿井,恩洪突出还很严重。云南在建的最大规模井工煤矿—— 白龙山煤矿也已经发生瓦斯突出。因此瓦斯突出灾害的严重性云南已经凸现。研究和掌握治理技术已经很迫切。
人类对煤与瓦斯突出机理的研究已经近200年了,对突出机理的假说不下40种,尽管各有差别,但归纳起来有六类,主要的仍然是三大类:瓦斯主导学说;地压主导学说;综合作用假说。本文介绍有代表性的几种假说。
3.1 瓦斯主导学说 该类学说认为,瓦斯是突出的主要原因和能源,而地压和煤的物理力学性能则是为突出创造了有力条件。该类学说主要包括以下假说。
(1)“瓦斯包”说(前苏联贝可夫提出)。 突出的原因在于煤层中存在“瓦斯包”。该瓦斯包中的瓦斯压力比邻近区域要高得多,且包围“瓦斯包”的煤体透气性极小,使高压瓦斯得以保存。当工作面接近这一“瓦斯包”时,高压瓦斯破坏了煤壁,瓦斯携带破碎煤猛烈喷出,发生瓦斯突出。
(2)突出波说(前苏联赫利斯特尔维切提出)。 突出是煤层中所含潜能的显现,每吨煤中所含瓦斯的潜能要比煤层储蓄的弹性变形能大10倍左右。在煤强度低的区域,煤层中的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度,在采掘工作面接近这些区域时,在瓦斯压力作用下,可产生连续破坏煤体的“突出波”。
(3)瓦斯膨胀说。 ①煤层中存在高压瓦斯含量地带,吸附瓦斯引起了煤体膨胀,增加了煤层应力,且在这样的煤层中透气系数接近于零。当巷道接近这一区域时,使应力急剧降低,造成煤的破坏和突出。
②突出是由于含有高压瓦斯的煤层,煤结构不均匀。透气性低的硬煤包围着透气性高的软煤,当巷道工作面接近硬煤与软煤边界时,运动着的高压瓦斯就可以冲破煤壁夹带着碎煤而喷出发生突出。
（4)瓦斯水化物说(前苏联学者提出)。 在一定温度和压力下,空隙煤体中有可能形成瓦斯的水化物CH4·6H2O。当它与水结合时,在一立方米的水中可以含有200m3的瓦斯。煤层中的瓦斯水化物以不稳定的化合物存在,储存着巨大的潜能,受到采动影响即能迅速分解,形成高压瓦斯,突破煤体而造成突出。
3.2 地应力为主导作用的假说 （1)岩石变形潜能说。 在地质构造带储藏着构造应力,在煤层顶底板的岩层中积蓄着强大的弹性能。当巷道接近厚的岩层弹性变形地区时,围岩象弹簧一样地伸张,破碎和粉碎煤体,瓦斯随之大量涌出发生突出。瓦斯在突出过程中仅起辅助作用。
（2)集中应力说。 在回采工作面前方的支撑压力带,由于厚的坚硬顶板悬顶突然折断而引起的附加应力,致使煤体在集中应力的作用下遭受破坏而引起突出。
（3)应力叠加说。 瓦斯突出是由于地质构造应力,自重应力,火山与岩浆活动的热力变形应力,采矿应力和放顶动压等应力叠加而引起的。
3.3 综合作用假说 此假说的主要特点是:（1)除了地层重力,高压瓦斯外,在煤层中不存在任何其他能源。突出是地应力,瓦斯压力和煤的物理力学性能综合作用的结果。（2)地压破碎煤体是造成突出的首要原因,而瓦斯则起着抛出煤体和搬运煤体的作用。从突出总能量来说,瓦斯是完成突出的主要能源。（3)实验资料表明,只有煤强度很低,与围岩摩擦力不大时,地压造成的煤的变形前能和围岩功能,才能把煤体破碎形成突出。煤强度是形成突出的一个极为重要的因素。
从上面介绍的突出机理不难看出,瓦斯是突出的主要因素,没有瓦斯就谈不上瓦斯突出。没有瓦斯的动力现象称之为冲击地压;:没有动力效应的瓦斯急剧涌出称之为瓦斯喷出。因此可以说:治理瓦斯突出的方向是消除高压瓦斯的存在。所以我国治理瓦斯的行政强制手段是“四位一体”防突。国家煤矿安全监察局要求:国有煤矿中的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井,要严格按照《煤矿瓦斯抽采基本指标》的要求,制定和落实瓦斯先抽后采的措施,推进高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井加大瓦斯抽采力度,真正做到“多措并举、应抽尽抽、抽采平衡”,实现抽、掘、采关系平衡,确保不抽不采,达不到瓦斯抽采指标要求的不采。发现达不到抽采指标要求的采掘工作面,要立即停止生产,限期达标,逾期仍不达标的,必须按瓦斯抽采达标煤量核减煤炭产量计划;对小煤矿中的煤与瓦斯突出矿井和应进行瓦斯抽采的高瓦斯矿井,必须制定并落实瓦斯抽采规划,建立瓦斯抽采系统,2008年底前全部装备到位并投入使用,逾期未安装或不投入使用的,一律停止生产。高压的游离瓦斯是突出的根源,防治瓦斯的关键就是要消除煤层中的突出瓦斯。其方向是:采取开采解放层、抽放等措施,减少乃至消除煤层瓦斯,使之形不成瓦斯突出的条件;采取控制地压新举措,消除采掘工作面周边应力集中,从而解除瓦斯在“应力三区”作用下运移形成突出条件。根据瓦斯运移的理念,在采掘工作面前方一定距离抽放瓦斯,可以有较好的抽放效果。
4 煤与瓦斯突出规律 煤与瓦斯突出在其孕育、发展和能量释放的过程中,呈现出一定的规律性,一般表现如下。
（1）突出与地质构造的关系,突出多发生在地质构造带内,如断层、褶曲和火成岩侵入区附近。
（2）突出与瓦斯关系,煤层中的瓦斯压力与含量是突出的重要因素之一。一般说来,瓦斯压力和瓦斯含量越大,突出的危险性越大。但突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间,没有固定的关系。瓦斯压力低、含量小的煤层可以发生突起;反之,瓦斯压力高,含量大的煤层也可能不突出,因为突出是多种因素综合作用的结果。
（3）突出与地压的关系,地压愈大,突出的危险性愈大。当深度增加时,突出的次数和强度都可能增加;在集中压力区内突出的危险性增加。
（4）突出的煤层构造的关系,煤层构造主要指煤的破坏类型和煤的强度。一般情况下煤的破坏类型愈高强度愈小,突出的危险性愈大。故突出多发生在软煤层或软分层中。
（5）突出与围岩性质的关系,若煤层顶底板为坚硬而致密的岩层且厚度较大时,其集中应力较大,瓦斯不易排放,故突出危险性愈大;反之则小。若顶底板中具有容易风化和遇水变软的岩层时,将减少突出危险性。 （6）突出与水文地质的关系,实践表明,煤层比较湿润,矿井涌水量较大,则突出危险性较小;反之则大,这是由于地下水流动,可带走瓦斯,溶解某些矿物,给瓦斯流动创造了条件。
(7)突出具有延期性突出的延期性变化就是震动放炮后没有透异突出而相隔一段时间后才发生突出。其延迟时间从几分钟到几小时。
只有掌握了煤与瓦斯突出的规律,对我们进一步研究和防治煤与瓦斯突出打下良好的基础。
5 煤与瓦斯突出预兆 《煤矿安全规程》规定:开采突出煤层时,每个采掘工作面的专职瓦斯检查工,必须随时检查工作机瓦斯,掌握突出预兆。当发现工作地点有突出预兆时,瓦斯检查工有权停止工作面作业,并协助班组长立即组织人员按避灾路线撤出,报告矿调度室。绝大多数突出有明显的预兆,只要我们掌握了突出预兆,并能按《煤矿安全规程》的要求,及时地按避灾路线撤出,在发生突出事故时,就可以将灾害带来的损失降低到最低程度。煤与瓦斯突出预兆根据其孕育、发展、能量释放三个过程可分为:早期预兆、中期预兆和临突预兆。
早期预兆也称变化预兆,主要特征为:工作面煤变软、煤的光泽变暗、节理层理混乱。这时,煤与瓦斯突出危险性增大,所以要密切观察,