煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)及防治

煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)及防治第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)及防治煤與瓦斯突出機(jī)理煤與瓦斯突出分類煤與瓦斯突出特征與規(guī)律煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法煤與瓦斯突出防治措施第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出機(jī)理單因素假說綜合假說流變假說（周世寧，何學(xué)秋）球殼失穩(wěn)理論（蔣成林，俞啟香）固流偶合失穩(wěn)理論（章夢(mèng)濤，梁冰）第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出機(jī)理綜合作用假說該類假說最早由前蘇聯(lián)的Я.Э.聶克拉索夫斯基教授在50年代提出，他認(rèn)為煤與瓦斯突出是由于地壓和瓦斯的共同作用引起的。到50年代中期，А.А.斯科欽斯基院士根據(jù)開采突出危險(xiǎn)煤層的經(jīng)驗(yàn)，以及當(dāng)時(shí)的科研工作成果，提出突出是由于下列因素綜合作用的結(jié)果：（1）地壓；（2）包含在煤體中的瓦斯；（3）煤的物理力學(xué)性質(zhì)，煤的微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)及煤層結(jié)構(gòu)；（4）在急傾斜煤層中，煤層工作面附近的煤的自重。這些為綜合假說奠定了基礎(chǔ)。

綜合作用假說認(rèn)為：煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、包含在煤體中的瓦斯以及煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。持綜合作用假說觀點(diǎn)的學(xué)者都承認(rèn)，煤與瓦斯突出是綜合因素作用的結(jié)果。第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出分類1、按動(dòng)力現(xiàn)象的力學(xué)(能量)特征分類根據(jù)動(dòng)力現(xiàn)象的力學(xué)(能源)特征不同，煤與瓦斯突出可分為突出、壓出與傾出三類。（1）發(fā)動(dòng)突出的主要作用力是地應(yīng)力和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通常以地應(yīng)力為主，瓦斯壓力為輔，重力不起決定作用；實(shí)現(xiàn)突出的基本能源是煤內(nèi)積蓄的高壓瓦斯?jié)撃?。?）發(fā)動(dòng)與實(shí)現(xiàn)壓出的主要作用力是地應(yīng)力，瓦斯壓力與煤的自重是次要因素，壓出的基本能源是煤巖所積蓄的彈性變形能。（3）發(fā)動(dòng)傾出的主要因素是地應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)松軟、含有瓦斯致使內(nèi)聚力降低的煤，在較高地應(yīng)力作用下，突然破壞、失去平衡，為其位能的釋放創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)傾出的主要力是失穩(wěn)煤的自重。這三類力現(xiàn)象的發(fā)動(dòng)都以地應(yīng)力為主，所以它們的預(yù)兆相似(如有聲響預(yù)兆等)，對(duì)震動(dòng)以及引起應(yīng)力集中的各因素都非常敏感，在應(yīng)力集中地帶、地質(zhì)構(gòu)造帶、軟煤帶等處都易發(fā)生這三類現(xiàn)象。第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出分類2、按動(dòng)力現(xiàn)象的強(qiáng)度分類

（1）小型突出：強(qiáng)度<50t/次（突出后，經(jīng)過幾十分鐘瓦斯?jié)舛瓤苫謴?fù)正常）；（2）中型突出：強(qiáng)度50～99t／次(突出后，經(jīng)過一個(gè)工作班以上瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴?fù)正常)；（3）次大型突出：強(qiáng)度100～499t/次(突出后，經(jīng)過一天以上瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴?fù)正常)；（4）大型突出：強(qiáng)度500—999t/次（突出后，經(jīng)過幾天回風(fēng)系統(tǒng)瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴?fù)正常）；（5）特大型突出：強(qiáng)度>1000t／次（突出后，經(jīng)過長時(shí)間排放瓦斯，回風(fēng)系統(tǒng)瓦斯?jié)舛炔呕謴?fù)正常）。第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出特征與規(guī)律根據(jù)我國主要突出礦區(qū)如天府、南桐、里王廟、焦作、六枝等的統(tǒng)計(jì)資料表明，突出發(fā)生的一般規(guī)律有：（1）突出發(fā)生在一定的深度上，開始發(fā)生突出的最淺深度稱為始突深度，一般它比瓦斯風(fēng)化帶的深度深一倍以上。（2）突出的次數(shù)和強(qiáng)度隨著煤層厚度特別是軟分層的厚度的增加而增多。突出最嚴(yán)重的煤層一般是最厚的主采煤層。（3）突出的氣體種類主要是甲烷，個(gè)別礦井(吉林營城、甘肅窯街)突出二氧化碳。（4）突出煤層的特點(diǎn)是煤的力學(xué)強(qiáng)度低，而且變化大；透氣性差(透氣性系數(shù)〈10m2／(Mpa2.d)〉；瓦斯故散初速度高；濕度??；層理紊亂、遭受過地質(zhì)構(gòu)造力嚴(yán)重破壞的“構(gòu)造煤”。第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出特征與規(guī)律（5）突出危險(xiǎn)區(qū)呈帶狀分布，這是因?yàn)橛绊懲怀龅闹饕蛩厥艿刭|(zhì)構(gòu)造控制的緣故，而地質(zhì)構(gòu)造具有帶狀分布的特征。（7）采掘工作往往可激發(fā)突出，特別是落煤與震動(dòng)作業(yè)，不僅可引起應(yīng)力狀態(tài)的變化，而且可使動(dòng)載荷作用在新暴露煤體上造成煤的突然破碎。（8）絕大多數(shù)突出都有預(yù)兆。（9）煤與瓦斯突出主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面，但石門突出強(qiáng)度最大。第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》、《煤礦安全規(guī)程》、《煤與瓦斯突出鑒定方法》、《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法1、煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)（1）突出煤層（2）非突出煤層（3）預(yù)測(cè)指標(biāo)A、動(dòng)力現(xiàn)象：在采掘過程中發(fā)生過煤與瓦斯突出的煤層。B、單項(xiàng)指標(biāo)：煤的破壞類型、瓦斯放散初速度指標(biāo)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)和煤層瓦斯壓力。煤層突出危險(xiǎn)性煤的破壞類型瓦斯放散初速度指標(biāo)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f煤層瓦斯壓力，MPa突出危險(xiǎn)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ≥10≤0.5≥0.74第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法2、區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)（1）預(yù)測(cè)指標(biāo)A、瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法B、綜合指標(biāo)法：D、K（2）預(yù)測(cè)結(jié)果A、突出危險(xiǎn)區(qū)B、突出威脅區(qū)C、無突山危險(xiǎn)區(qū)。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法3、工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)（1）接觸式預(yù)測(cè)方法：q、S、Δh2、K1（2）非接觸式連續(xù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法：AE、瓦斯涌出量、T、電磁輻射等第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出防治措施1、區(qū)域性防突措施2、局部性防突措施防突措施的作用：減少瓦斯、降低應(yīng)力第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出防治措施1、區(qū)域性防突措施（1）開采保護(hù)層（2）預(yù)抽煤層瓦斯（3）煤體濕潤第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日煤與瓦斯突出防治措施2、局部性防突措施（1）水力松動(dòng)（2）水力壓裂（3）卸壓縫（4）卸壓槽（5）卸壓腔（6）超前鉆孔（7）水力爆破第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（1）水力松動(dòng)機(jī)理：水力松動(dòng)的實(shí)質(zhì)是在回采工作面或準(zhǔn)備巷道工作面施工鉆孔，通過鉆孔向煤層壓入特殊狀態(tài)的水溶液，通過水對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的破壞作用改變工作面附近煤層的瓦斯動(dòng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在工作面附近煤層形成裂隙帶，導(dǎo)致煤層失去支撐能力，引起集中應(yīng)力帶向煤體深部轉(zhuǎn)移。由于煤層失去支撐能力，在工作面附近形成卸壓帶時(shí)，同時(shí)伴有瓦斯向外排放。第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（1）水力松動(dòng)

水力松動(dòng)時(shí)裂隙發(fā)育圖1—煤層工作面；2—封孔器；3—鉆孔充水部分；Ⅰ～Ⅳ—裂隙發(fā)育階段第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（1）水力松動(dòng)水力松動(dòng)參數(shù)鉆孔深度，m………………6～11鉆孔直徑，m………………42～45鉆孔封孔深度，m…………4～8鉆孔間距，m………………6～12鉆孔超前距離，m…………2～3噸煤設(shè)計(jì)注水量，L………..20注水壓力，MPa……………第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（2）水力壓裂機(jī)理：借助于鉆孔向煤層注入高壓水，將工作面附近煤層強(qiáng)制壓出。由于水力壓裂造成工作面附近煤層向采掘空間推出，使煤層發(fā)生松動(dòng)、形成裂隙。此時(shí)在水力作用區(qū)應(yīng)力嚴(yán)重減小，煤層透氣性大大提高，煤層局部卸壓和濕潤，壓出煤體的機(jī)械強(qiáng)度和支撐能力降低，應(yīng)力重新分布，因此最大支承應(yīng)力點(diǎn)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（2）水力壓裂水力壓裂過程①注水開始階段，水經(jīng)鉆孔注水部分進(jìn)入鉆孔周圍的卸壓區(qū)。隨著注水壓力增高，沿鉆孔軸向的垂直和平行方向，密封彈性膨脹元件向鉆孔壁傳遞不斷升高的載荷。第一保證了鉆孔及其附近煤體的可靠密封，其次在密封端頭向采掘空間方向傳遞壓力，保證在鉆孔封孔深度處產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成煤層破壞弱面。②注水壓力達(dá)到最大值時(shí)，在煤層中封孔深度處，沿弱面形成一條平行于工作面煤壁的斷裂裂縫。隨著向煤層繼續(xù)注水，在幾乎所有情況下，斷裂縫向工作面方向發(fā)生偏移。在此期間，煤層中可聽到特殊的劈裂聲。③在形成斷裂縫的同時(shí)，作用于裂縫壁的注水壓力使該部分煤體應(yīng)力升高，產(chǎn)生彈性變形，即發(fā)生能量積聚。當(dāng)斷裂縫中存在最大注水壓力時(shí)，煤層的這部分附加潛能將一直保存。④隨著水力裂縫面積的擴(kuò)大和附加潛能的積聚，工作面附近煤層的總絕對(duì)應(yīng)力達(dá)到極限值，水力處理區(qū)域的煤層開始破壞和推出。在水力處理區(qū)域水向工作面噴出時(shí)，停止水力壓裂。

第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（2）水力壓裂水力壓裂參數(shù)鉆孔深度封孔深度鉆孔間距a煤角至鉆孔距離b超前距離最大注水壓力和最終壓力注水時(shí)間t和注水速度v

第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（3）卸壓縫機(jī)理：煤層卸壓和排放瓦斯是防治煤與瓦斯突出的基本原則。沿工作面全長形成的卸壓縫，使煤層邊緣卸壓，由此提高了煤層透氣性，煤層瓦斯得到排放，增大了卸壓排放帶。第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（3）卸壓縫卸壓縫工藝①卸壓縫的連續(xù)性和其幾何參數(shù)的均勻性。②使用專門在煤層中開縫槽的割縫機(jī)

第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（3）卸壓縫卸壓縫參數(shù)卸壓縫的位置高度深度割縫速度卸壓縫煤角部分底部的形狀

上述參數(shù)不但要保證在割縫過程中的突出防治，而且要保證隨后回采過程中的突出防治。

第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（4）卸壓槽機(jī)理：沿煤層全厚垂直于煤層頂?shù)装?，在巷道邊壁處沿巷道掘進(jìn)方向切割兩條卸壓槽，卸壓槽是兩個(gè)附加的暴露面，不但有助于巷道方向的拉應(yīng)變，而且也有利于卸壓槽方向的拉應(yīng)變。這些變形決定了由工作面和卸壓槽圈定煤層的卸壓和瓦斯有效排放，這種形狀和范圍的安全卸壓帶的形成，使下一循環(huán)的安全進(jìn)尺成為可能。第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（4）卸壓槽卸壓槽參數(shù)根據(jù)頓涅茨克礦區(qū)突出危險(xiǎn)煤層的開采經(jīng)驗(yàn)，并考慮到安全性，卸壓槽的深度應(yīng)不超過2.5m，寬度為60～80mm。卸壓槽有效卸壓距離為2m，故卸壓槽之間的距離不應(yīng)大于4m。對(duì)于卸壓槽長度的允許進(jìn)尺深度，即最小超前距取0.5m。第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（5）卸壓腔機(jī)理：保護(hù)層開采適用條件：半煤巖工作面在突出危險(xiǎn)緩傾斜煤層上方卸壓腔（縫）形成示意圖а——利用掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)；б——利用割縫裝置1——卸壓縫；2——保護(hù)巖柱；3——一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)允許的巷道工作面進(jìn)尺第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（5）卸壓腔卸壓腔參數(shù)（1）卸壓縫高度（2）卸壓縫寬度（3）無論在掘進(jìn)方向，還是在巷道側(cè)壁的最小超前距，以及卸壓縫到煤層的距離都不應(yīng)小于0.5m。（4）卸壓縫長度增量采用40cm第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（6）超前鉆孔機(jī)理：在沿煤層打的鉆孔周圍出現(xiàn)塑性帶，在塑性帶內(nèi)煤層應(yīng)力和瓦斯含量嚴(yán)重下降。由于在鉆孔周圍煤體應(yīng)力減小，煤層透氣性增加，煤層瓦斯自然排放，導(dǎo)致其突出危險(xiǎn)性消除。第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日局部性防突措施（6）超前鉆孔特點(diǎn)（1）鉆孔直徑的增加，突出深度減小（2）隨著采礦深度、鉆孔深度和直徑、打鉆速度的增大，在打煤層鉆孔過程中突出發(fā)生的概率將增加

（3）塑性帶尺寸隨鉆孔半徑的增加而增大，隨各向壓縮應(yīng)力