煤与瓦斯突出防治及突出鉴定要点（杨胜强教授）

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1、煤与瓦斯突出机理及瓦斯突出鉴定方法要点,中国矿业大学杨胜强教授,目录,1煤与瓦斯突出现状2突出机理及突出基本规律3我国煤与瓦斯突出防治技术的发展4突出矿井鉴定方法及区域预测研究5突出危险性鉴定（预测）参数测定要点,1969.7.13加加林矿710m水平主石门揭穿l3煤层时，煤层厚度仅1.3米突出煤量达1.42万吨，喷出瓦斯量25万米3。是世界上最大的一次煤与瓦斯突出。1975.8.8三汇坝一井+280米水平(垂深500米)主平硐揭K1煤层时，突出煤(岩)量12780吨，喷出瓦斯量140万米3。是我国所发生的最大的一次煤与瓦斯突出事例，也是世界上第二大突出事例。2004.10.20郑煤集团公司大

2、平煤矿岩石掘进工作面13m处突出，突出煤量1894吨，突出瓦斯量约25万米3，在大巷被电火花引爆，瓦斯爆炸波及西大巷、11、13、15、21四个采区，死亡148人，32人受伤。,1煤与瓦斯突出现状1.1煤与瓦斯突出灾害概况,最近的瓦斯突出及其引发瓦斯爆炸事故频发：,5月25日15时许，贵州省六盘水市水城县玉舍镇六枝玉舍煤矿发生煤与瓦斯突出事故，事故发生地点玉舍煤业11182机巷底板抽放巷。事故发生时，共有240人正在井下当班，安全升井231人。而从事故作业点入井的11人中，有2人安全升井，5人遇难，尚有4人下落不明。6月11日，贵州省六盘水市六枝特区贵州华隆煤业有限公司新华分公司（六枝工矿集团

3、控股、基建矿井）重大煤与瓦斯突出事故，造成10人死亡。未严格落实区域防突措施，违反作业规程、反向风门设置位置、质量以及强度达不到要求、发生突出后破坏反向风门导致风流逆转进入进风平硐，回风系统有一名瓦检员。未执行放炮揭煤前所有人员撤出井下的规定等问题。,1.2煤与瓦斯突出事故现状分析,煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放，是煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯参与的动力现象。表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量煤岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上万吨，瓦斯从几百到上百万立方米，并可能诱发瓦斯爆炸。我国煤矿每年以2050m的速度向深部延深，许多矿井开采深度达到8001200m，地应力及

4、瓦斯压力不断增加，突出灾害日趋严重。,1.3煤与瓦斯突出的危害:危及井下作业人员的安全破坏矿井正常的生产秩序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，如瓦斯煤尘爆炸、瓦斯燃烧严重影响矿井经济效益,突出矿区分布示意图,2突出机理及突出基本规律,单因素（瓦斯）假说综合假说流变假说（周世宁，何学秋）球壳失稳理论（蒋承林，俞启香）固流偶合失稳理论（章梦涛，梁冰）,2.1煤与瓦斯突出假说-瓦斯假说这类假说认为，引起突出并促使其发展的主要因素是煤中所含的高压瓦斯。在这类假说中，“瓦斯包”假说占有重要的地位，它认为，在原始煤体中，存在着瓦斯压力比邻近区域高的多的“瓦斯包”，瓦

5、斯包中的煤，松软、揉皱、裂隙发育，“瓦斯包”周围煤体的透气性极小，使包中的高压瓦斯得以保存。当采掘工作面接近“瓦斯包”时，高压瓦斯则连同碎煤一起突出。,2.2综合作用假说该类假说最早由前苏联的.聂克拉索夫斯基教授在50年代提出，他认为煤与瓦斯突出是由于地压和瓦斯的共同作用引起的。到50年代中期，.斯科钦斯基院士根据开采突出危险煤层的经验，以及当时的科研工作成果，提出突出是由于下列因素综合作用的结果：（1）地压；（2）包含在煤体中的瓦斯；（3）煤的物理力学性质，煤的微结构和宏观结构及煤层结构；（4）在急倾斜煤层中，煤层工作面附近的煤的自重。这些为综合假说奠定了基础。综合作用假说认为：煤与瓦斯突出

6、是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果。,2.3球壳失稳假说,煤与瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩展并使形成的球盖状煤壳失稳破坏，将原本具有一定支撑能力的表面破坏煤体抛向巷道，迫使地应力峰移向深部，继续破坏后续煤体这样一个连续发展的过程。这一结论称为煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。,14,2020/1/12,2.4煤与瓦斯突出发展过程,2.5按动力现象的力学(能量)特征分类根据动力现象的力学(能源)特征不同，煤与瓦斯突出可分为突出、压出与倾出三类。（1）突出：主

7、要作用力是地应力和瓦斯压力，以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。（2）压出：主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。（3）倾出：主要力是失稳煤的自重，即结构松软、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出。这三类动力现象的发动都以地应力为主，所以它们的预兆相似(如有声响预兆等)，对震动以及引起应力集中的各因素都非常敏感，在应力集中地带、地质构造带、软煤带等处都易发生这三类现象。,2.6按动力现象的强度分类（1）小型突出：强度1000

8、t次（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。,2.7突出的基本特征突出的煤向外抛出距离较远，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、破坏和抛出安装在巷道内的设施；有大量的瓦斯涌出，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。,2.8煤与瓦斯突出规律,根据我国主要突出矿区如天府、南桐、里王庙、焦作、六枝等的统计资料表明，突出发生的一般规律有：（1）突出发生在一定的深度上，开始发生突出的最浅深度称为始突深度，一

9、般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。（2）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。突出最严重煤层一般是最厚的主采煤层。（3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井(吉林营城、甘肃窑街)突出二氧化碳。（4）突出煤层的特点是煤的力学强度低，而且变化大；透气性差(透气性系数10m2(Mpa2.d)；瓦斯放散初速度高；湿度小；层理紊乱、遭受过地质构造力严重破坏的“构造煤”。,（5）突出危险区呈带状分布，这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。（7）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可使动载荷作用在新暴露煤体上

10、造成煤的突然破碎。（8）绝大多数突出都有预兆。（9）煤与瓦斯突出主要发生在掘进工作面，但石门突出强度最大。,2.9瓦斯突出预兆大多数突出发生前会有预兆，突出预兆主要有：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,煤与瓦斯突出动画,南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,煤与瓦斯突出动画,2004年10月20

11、日，郑州大平煤矿发生特大型突出，引发瓦斯爆炸，死亡148人。,34,2020/1/12,3我国煤与瓦斯突出防治技术的发展,4.突出矿井鉴定方法及区域预测研究,4.1定义根据现场出现的动力现象的特征或者煤层中测定的参数对矿井在今后开采过程中是否发生煤与瓦斯突出动力现象给出明确结论的过程即为矿井突出危险性鉴定。,4.2矿井突出危险性的鉴定方法.事后鉴定法；.事前鉴定法（即预测法）。,.事后鉴定法,在现场出现动力现象后，对现场存在的各种现象及特征进行分析，判断是否是地应力与瓦斯压力共同作用产生的动力现象。如果是则鉴定为突出现象，否则，鉴定为煤与瓦斯突出之外的动力现象。这方面的特征有突出孔洞的形状，抛

12、出煤体的分选性，瓦斯是否逆流，单位煤体的瓦斯涌出量等等。,动力现象由地应力与瓦斯压力共同作用的一个重要指标是抛出软煤的堆积角是否显著小于抛出物的自然堆积角。这是地应力先作用于煤体，然后瓦斯压力推动破碎煤体运动的重要判据。,.事前鉴定法（即预测法）。,在没有出现动力现象的条件下对矿井的突出危险性进行鉴定，主要的方法就是对鉴定范围内最具有突出危险的煤体在最危险的揭煤条件下(即理想石门（井巷）揭煤条件下)进行突出预测，看其是否具有突出危险。如果该点具有突出危险，则判断为突出煤层(防突规定第13条)；否则，判断为非突出煤层。该方法也可用于突出的区域划分。,4.3鉴定步骤a.选择鉴定范围内没有采动影响的

13、较低点，测定该煤层所能测到的最大瓦斯压力；b.在鉴定范围内采取较软的煤样；c.根据防突规定规定的方法预测该煤体是否具有突出危险性；d.或者测定软煤样的初始释放瓦斯膨胀能，看其是否大于等于42.98mJ/g;e.如果两种方法都预测该软煤无突出危险，则判断为非突出煤层；否则，为突出煤层。(目前已经鉴定煤层100多个，但异常地点有21个),异常事例,4.4传统预测方法存在的漏洞：,1.松软高变质煤层。压力低于0.74MPa但有突出危险的煤层；(如云南及郑煤大平)(瓦斯压力0.64MPa，硬度15，但Wp=56.742.98)2.高瓦斯压力的低变质煤层。瓦斯放散指数P低于10但有突出危险的煤层。(如马

14、家沟12#及淮南11-2及8#)(瓦斯压力1.84MPa，硬度=0.22，P=2.64，但Wp=9042.98)。(在井下石门及井筒揭煤过程中，任何漏洞对于井下工人来说可能都是致命的),5突出危险性鉴定（预测）参数测定要点,参数包含内容：1）现场测定煤层瓦斯压力（P）煤的破坏类型2）实验室测定煤样的瓦斯放散初速度煤的坚固性系数煤的初始释放瓦斯膨胀能,5.1瓦斯压力测定,1煤层瓦斯压力测定（直接测定方法）1）选点数量与要求（1）每一地质单元走向、倾向上不少于3个；尽量均匀分布，将测点在采掘图上标清楚；（2）选取地点至少有一个位于断层、褶曲等地质构造附近；（3）每一地点至少测定2个钻孔；（4）优先

15、选择上向钻孔；（5）详细记录测点的标高、方位、倾角、钻孔长度、见煤长度、封孔位置等。,5.1瓦斯压力测定,测压钻孔施工要求（1）为避免水系影响测定钻孔，部分地区必须高压注浆处理，最终注浆压力必须大于10MPa；（2）同一地点的两测压孔终孔位置在20m以上；（3）采用粘液封孔器测压，最优钻孔长度1525m，最短长度不得少于10m；（4）下向钻孔成孔后，不拔钻杆不得停钻和压力水；以防止抱钻；（5）下向钻孔封孔前必须用压风将钻孔中水、钻粉吹干净；,5.1瓦斯压力测定,封孔要求（1）钻孔施工完毕后，要求在30min内封孔完毕，保证压力平衡快速；（2）封孔位置不得位于泥岩中；（3）压力平衡后，鉴定时主动

16、测压法观测10d以上，被动测压法观测20d以上；（4）封孔压力水压最小不小于3MPa，最大不大于6MPa同时满足：水压粘液压力+1MPa瓦斯压力+0.5MPa；及时补压；（5）严禁采用单胶囊或者不注粘液的方式封孔测压；,5.1瓦斯压力测定,测定步骤（1）、当钻孔即将见煤时应停止钻进，通知测压人员，待其到达现场后，恢复钻进，穿透煤层，并清洗钻孔。排除孔中积水和岩屑。（2）取出封孔器、手压泵、压力表三通开关及各种连接管。（3）将第一段胶囊带丝扣端和中间连接杆连接，第二段胶囊带两连接密封接头端（本端有三个接头，其中黏液接头不带密封接头）与中间连接杆连接，连接时注意旋转方向，防止出现丝扣松动现象，；（

17、4）将连接杆上水管与两段胶囊上水管接头相连，瓦斯管（带红色标志）与两段胶囊瓦斯管（带红色标志）相连；,瓦斯压力测定,测定步骤（5）取出长瓦斯管，一端与第二段胶囊尾部瓦斯管（带红色标志）相连，另一端和压力表三通开关相连。取出长黏液管，一端与与第二段胶囊尾部黏液管（和不带密封接头相通的管子）接头相连，一端与黏液泵相连。取出水管，一端与第二段胶囊尾部水管相连，一端与水泵相连；（6）将配置好的黏液和乳化液分别注入黏液泵和水泵；（7）利用四分管将连接好的封孔器送入钻孔预定位置，送入仪器时为防止出现管子相互交接，要将高压塑料管扎在每段四分管上；（8）关闭黏液泵和水泵泄压阀，打开蓝色截止阀，先用手柄将水泵压

18、力加之3MPa，待稳定后，关闭水泵蓝色截止阀，然后将黏液泵压力加之2MPa，待稳定后，关闭截止阀；如果瓦斯压力较大，及时补充压力,瓦斯压力测定,测定步骤（9）安装压力表。安装时要仔细检查压力表密封垫圈是否合格，安全前检查气体通道畅通情况；（10）为缩短测压时间，可向测压室内注入适量的气体（CO2或N2）注气压力大致控制在预计的瓦斯压力值左右；（11）封孔完毕后要用水检查整个系统接口处有无渗漏现象，若有渗漏要及时处理；（12）测压孔为下向孔时，封孔完毕后要将孔口盖住，以防掉入孔内杂物，造成测压器回收困难；（13）在整个测压过程中，每天要观察记录各压力表的数据，并根据情况向测压室补气，若发现有异常

19、情况要及时处理；,瓦斯压力测定,测定步骤（14）如果瓦斯压力连续三天无变化，并满足AQ1047-2007时间要求，则可认为这个稳定压力就是煤层瓦斯压力值。（15）测压完成后，首先打开压力表三通开关，放出瓦斯室中气体，放气时间根据实际而定，现场一般不小于30min，放气完成后，打开黏液泵截止阀，缓慢打开泄压阀，放出黏液，待黏液压力降为0时，打开水泵截止阀，缓慢打开泄压阀（一定要缓慢），卸压时两人扶住测压装置，待压力降为0，没有压力水流出时，拔出测压仪，拆分至原始状态，测压完成。,瓦斯压力测定,安全性要求（1）测定下向钻孔时，必须由两名工作人员拉住测压仪器，以防止仪器受重力影响掉落至孔底；（2）为

20、防止出现水压突然泄漏，测压装置被打出伤人事故，封孔完毕后必须吊挂警示牌，将高压胶管整理盘好并吊挂，水泵与粘液泵放置在不受人员影响位置，泄压阀和截止阀用布包裹，防止人员误动，同时用铁丝将仪器固定至巷道壁；（3）测压全过程中严禁人员对着孔口位置，卸压时要缓慢，两扶测压仪人员身体任何部位不得对着孔口，一旦发生异常，立即从两边撤离。,5.2煤的破坏类型及坚固性系数,煤的破坏类型（1）是煤的破坏类型，不是煤样的破坏类型；（2）现场需要两名以上人员观察记录；煤的坚固性系数（1）必须按照标准操作；（2）取样必须取软分层煤样，且煤样不少于3公斤；（3）取样时，沿着巷道选取最软新鲜煤样；严禁随意抓取；（4）选取

21、钻粉时，上井后将煤样放置在通风阴凉处晾干，严禁暴晒或者带水邮寄运输；（5）标签写明矿井、采区、位置、煤层、取样时间、取样人及电话，并采取适当措施防治标签损坏；并在采掘图上标明取样点位置（6）同一地质单元一般要求取样3个以上；,5.3坚固性系数F值测定,从现场采集的煤样中选取粒度为2030mm的小煤块，分成5份，每份重40g，各放在内径为76mm、高为600mm的侧筒内；用2.4kg的落锥自顶端落下撞击煤样，撞击次数15次；5份煤样全部砸碎后倒入孔径0.5mm的筛中过筛；筛下的0.5mm以下的煤样又倒入直径23mm的量筒内测定其高度。用下式计算煤样的坚固性系数：,如果煤软，所取煤样粒度达不到2030mm时，可采取粒度13mm煤样进行测定。并按下式进行换算：当时，,式中f1-3煤样粒度13mm的坚固系数测定值。煤的坚固性系数是一个相对性指标。煤样强度越大，其坚固性系数就越大；反之，煤越软，其坚固性系数就越小。,否则，,5.4P的测定要求,瓦斯放散初速度P测定要求（1）按照行业标准进行测定；（2）测定计算机严禁上网、插优盘等；（3）测定设备小量杯不得用力拧，以防止随坏密封圈；（4）装样后必须检查是否放入脱脂棉，实验完毕后，检查同一煤样测定曲线，判断是否符合测定要求,谢谢！,