矿井瓦斯防治课件第四章煤岩与瓦斯突出及其防治.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,矿井瓦斯防治课件第四章煤岩与瓦斯突出及其防治,1,煤矿井下的动力现象及特征,a.,煤与瓦斯突出,煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯在一个很短的时间内突然地连续地自煤壁暴露面抛向巷道空间所引起的动力现象,。根据目前的研究结果，引起煤与瓦斯突出的力有,地应力,和,瓦斯的压力,，作用介质为,软煤,和,瓦斯,。煤与瓦斯突出的基本特征有：,(1),抛出的固体物具有明显的气体搬运特征。煤、岩块的堆积角度小于自然安息角；堆积物呈分选性堆积。,(2),突出物中含有大量的极细的粉尘。有时还对抛出的软煤进行了重新固结和捣实。,(3),突出的孔洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大。,(4),突出过程中伴随有大量的瓦斯涌出。出现瓦斯逆流，严重地破坏矿井的通风系统和设施。,b.,煤突然压出并涌出大量瓦斯,(,简称压出,),。,煤炭自煤壁冲入巷道,，伴随着涌出大量瓦斯。压出的基本特征是：,(1),压出固体物堆积在原来位置的对面，移动距离小，煤堆积坡度一般小于自然安息角。,(2),压出的煤呈大小不同的碎块，杂乱无章，有时煤整体位移，向外鼓出。,(3),压出时有大量瓦斯涌出，有时从压裂裂缝喷出瓦斯，但,极少,见到瓦斯逆流现象。,(4),压出孔洞呈楔形、缝形或袋形，口大腔小。,c.,煤突然倾出并涌出大量瓦斯,(,简称倾出,),。,结构松软、饱含瓦斯、内聚力小的煤，突然破坏，失去平衡，在重力的作用下垮落,。倾出的基本特征是：,(1),倾出的煤堆积在原来位置的下方。煤堆积的坡度等于自然安息角。,(2),倾出的煤呈大小不同的碎块，杂乱无章。,(3),倾出时伴随大量瓦斯涌出，但一般无瓦斯逆流现象。,(4),一般有规则的孔洞，呈舌形、袋形，孔洞轴线沿煤层倾斜方向伸延，深度为数米至数十米。,d.,原始洞缝中的瓦斯喷出,这种瓦斯喷出是在地质破坏带、石灰岩溶洞裂缝区及原始洞缝内贮存有高压瓦斯，当采掘巷道推进时与沟通这些洞缝的裂隙相遇，高压瓦斯就沿着裂隙涌入巷道，发生喷出,。这种喷出的特点是瓦斯流量大，持续时间长，无明显的地压显现及预兆，不喷出煤和岩石。在这种喷出过程中，起主要作用的是瓦斯压力。,除了以上这些动力现象之外，煤矿井下还有：,卸压瓦斯的喷出；煤与二氧化碳突出；二氧化碳与岩石突出；岩爆；煤爆；采场冲击地压；煤炮；挤出；冒顶；井下透水,等。,2,动力现象分类的标准,进行井下动力现象的分类必须要有一定的标准，分类的标准不同，则分类的结果就不一样。确定分类标准应当了解井下各种动力现象本质特征。,任何一种井下动力现象的发生都离不开“力”和“介质”。,“力”是动力现象产生的原因,，“力”的种类不同，产生的动力现象也不一样。所以，“力”是动力现象产生的一个重要的内因，是一个最重要的分类指标。,“介质”是动力现象产生的物质基础,，“介质”不同，在同一个力的作用下会产生不同的现象。因此，对井下动力现象的分类应该从,“力”和“介质”,两个方面进行。,3,动力现象分类的结果,根据井下动力现象的分类结果，,煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯压力共同作用于含瓦斯软煤时产生的动力现象,。与压出及卸压瓦斯的喷出属于同一类。其差别只是压出时煤层内的瓦斯能量小一些，规模也小一些；,卸压瓦斯的喷出则属于开采近距离解放层时出现的动力现象,。对于同一类的动力现象，其产生的原因及介质是相同的，因此，采用的防治方法也是相同的。,但是倾出是由重力引起的；原始洞缝中的瓦斯喷出仅由洞缝中的气体压力引起，与突出并不属于同类现象，防治的方法也不同。在这里，我们主要讲解突出的防治方法。,煤与瓦斯突出,42.,突出概况,1834,年,3,月,22,日，法国伊萨克矿井发生了,世界上第一次,有记载的突出。支架工架棚子时，发现煤壁外移，立即撤离，但煤炭冲入巷道,13m,，巷道煤尘弥漫，牺牲两人，一人幸免于难。,世界上最大的一次,煤与瓦斯突出发生在,1969,年,7,月,13,日苏联加加林矿，在,710m,水平主石门揭穿厚仅煤层时，发生了这次突出，突出煤,14000t,，瓦斯,25,万,m,3,。,我国记载的第一次,突出是,1950,年吉林省辽源矿务局富国西二坑。目前,我国突出,矿井达到,200,多个，突出次数一万多次。最大的突出为,12780t,，喷出瓦斯,120,万,m,3,，发生在,天府三汇坝一矿,。,4,3,各类采掘工作面瓦斯动力现象的特点与实例,采掘工作面的类型对突出诸因素,(,地应力、瓦斯压力、瓦斯含量以及力学强度等,),的边界条件会产生重大影响，,各类工作面的瓦斯动力现象具有不同的特点,。例如石门揭穿煤层比煤层平巷、上山、下山和采煤工作面具有最有利于突出的发生与发展的条件，所以它的危险性最大，不仅突出强度大、概率高而且典型突出次数最多，至今为止，我国发生的特大型突出全部是典型的突出。,1,石门突出,石门突出有四种类型：放炮揭煤的突出；延期突出，过煤门突出，自行冲破岩柱的突出。,1),揭煤与过煤门时的突出,南桐矿务局鱼田堡矿,+150m,水平主运输石门，自顶板方向揭穿,4,号煤层。该处距地表垂深,325m,，,煤层倾角,30,，,煤厚,，煤层松软，顶板正常，底板有小错动。,揭煤前测得瓦斯压力,(,表压力,),，因打测压钻孔时曾突出煤粉,1t,多，所以封孔质量不好，测压值偏低，以后在同一水平,相邻区测得瓦斯压力,。石门工作面距煤层,2m,时，曾听到十多次声响，第,次放震动炮揭开煤层时发生了突出，抛出,煤粉,36t,，,岩石,20t,，,瓦斯,4500m3,。,瓦斯浓度恢复正常后，沿煤门向前掘进，在第二次突出前一个班发现,煤亮度变暗,，,层理紊乱，煤壁往巷道空间鼓动,，,有煤流出,，,工作面发冷,，当放底炮崩,4,号煤底板时，发生了第二次突出，突出煤粉,1473t,，,岩石,80m3,，瓦斯,逆流冲出进风竖井井口到地面,。,这两次突出都是,放炮引起,，说明爆破的深揭作用与震动作用,有利于诱导突出,，在放炮瞬间，深部,煤体突然暴露,，,地应力重新分布,，能够迅速将表面煤体破坏。同时煤层揭开之前，其瓦斯未经排放，保持着,原始高压状态,。因此，石门突出,能量充足，突出强度大，突出涌出量高,，典型突出比例多，灾害最严重，必须认真防范。,实例,2,石门对掘揭煤突出。,1970,年,3,月,10,日,15,时,15,分，天府矿务局磨心坡矿,+110m,水平北段,6,石门相向对掘揭,9,号煤层时发生突出,，突出煤炭,5270t,，煤抛出,280m,远，瓦斯逆流,2200m,以上，使进风量为,1l00m3/min,的进风平峒因瓦斯逆流向地面排出瓦斯。突出孔洞等情况见图,4-3,。,突出地点距地表深,500m,，煤层倾角,61,，煤厚，煤层遭受强力挤压，,层理紊乱呈鳞片状,破坏。石门工作面距煤层,10m,测瓦斯压力，压力表指示时，压力表被高压瓦斯弹射击毁，未测出原始值。据邻近区实测值推算，这里的瓦斯压力应为。,石门从,9,号煤层,顶、底板两个方面相向对掘,接近煤层，当各距煤层约,10m,时，在石门工作面向未来煤门断面内打,排放钻孔,11,个,(75mm),，其中有,2,个钻孔有,顶钻,或,喷瓦斯喷煤现象,，喷出煤粉,2t,，为了提高钻孔的,排放量,与扩大钻孔的影响范围，曾在,4,个排放孔内装,27kg,炸药,，进行松动爆破，事与愿违，,钻孔排放瓦斯量在爆破后并未增加,，受钻孔影响测定煤门断面内瓦斯压力的压力表指示降至。当两石门工作面距煤层各为,2 m,时布置震动炮眼，煤层底板侧有炮眼,53,个，顶板侧,46,个，共计,99,个，装炸药总量,231kg,，瞬发雷管,153,个，同时起爆，拉炮地点距突出点,1200m,，炮响后又连响几声，发生突出。,测定前检查水银压力计的两个水银柱面是否在同一水平上，若不在同一水平线上。,突出危险工作面与突出威胁工作面：在突出危险区内，工作面进行采掘作业前，应进行工作面预测。,南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t,E煤体的弹性模量,MPa；,(2)突出物中含有大量的极细的粉尘。,1)石门揭煤工作面突出危险性预测,石门揭煤突出预测模型及预测方法,放炮后第时流量开始有变化，稍后急速增长，表明此处已卸载(卸压)，其周围煤的透气性剧增，流量增大100倍以上。,(1)R指标法 苏联东方煤研所提出。,例如石门揭穿煤层比煤层平巷、上山、下山和采煤工作面具有最有利于突出的发生与发展的条件，所以它的危险性最大，不仅突出强度大、概率高而且典型突出次数最多，至今为止，我国发生的特大型突出全部是典型的突出。,试验地点在南井+290m水平南西二半抬高石门揭穿背斜西翼Kl0煤层处。,突出动力现象的判别函数,2),自行冲破岩柱的突出,实例,1988,年,10,月,16,日南桐鱼田堡矿二水平东翼三采区,+20m,石门，,打震动炮眼时发生自行冲破岩柱的突出,。突出煤炭,8765t,，,岩石,61m,3,，,瓦斯,201,万,m,3,，煤粉堵塞巷道,1388m,，瓦斯逆流,1846m,。突出煤层为,4,号层，厚约，倾角,30,35,，石门断面,7m,2,。上方,+25m,石门揭,4,号层前测得瓦斯压力为,3.7MPa(,表压,),。为预防这次突出采用水力冲孔措施，共打水力冲孔钻孔,9,个，共冲出煤量,7t,，排瓦斯,5800m,3,(,有,2,个孔发生中喷，,2,个孔发生小喷,),。突出前安全岩柱,真厚为,(,砂页岩,),。这是由于采掘集中应力叠加到本石门安全岩柱，超过安全岩柱强度，导致岩柱突然破坏形成这次突出。,3),延期突出,1973,年,6,月,29,日,11,时,40,分，北票三宝矿一井西一采区,226m,水平,2,号岩石反眼揭开,9B,煤层时发生延期突出。突出,煤矸,1500t,，,瓦斯万,m,3,，突出煤充满,125m,长巷道，支架全部被摧毁，瓦斯逆流,400m,以上。,9B,煤层厚,7m,，一般厚,3m,，倾角,37,，突出点,距落差的逆断层,17m,，煤层沿走向与倾向均有平缓的褶曲构造，受火成岩侵入影响煤有变质。突出前一天反眼工作面迎头为黑色石英斑岩，,掏槽放炮后工作面中间揭开煤层，面积为，尚剩,7,个刷帮眼未放炮,，,发现有掉渣、工作面压力大等预兆,，人员撤出，停掘，突出前放刷帮炮，共,7,个炮眼，炮响后经过大约,20min,听到两声巨响发生突出。,2,平巷,(,煤层平巷,),突出,与石门突出相比，,煤巷突出不仅平均强度降低,，而且典型突出在动力现象中所占的比重大为减少。其主要原因是，从地应力方面看，,由于煤巷工作面前方煤体往往缺少像石门那样的硬岩约束,，所以有,一个卸压带,，,地应力较低,。从瓦斯方面来看，煤巷工作面前方煤体内的,瓦斯压力及其梯度均较小,，从而煤内所积累瓦斯能一般较石门条件下低得很多。在特殊情况下，也可以产生特大型突出。,实例,1967,年,3,月,14,日，北票矿务局三宝一井,175m,水平,2,石门西,9B,煤层平巷掘进接近煤门时发生突出。,该区小断层小褶曲发育,，大面积,火成岩侵入强烈,，使,9B,煤层顶板变成厚达,12m,的火成岩，底板为火成岩和砂页岩，靠近顶板,7m,厚,的煤层为变质煤，,底部为正常煤,(,厚,4,5m),。煤层倾角,25,。煤巷断面为，为预防突出，打排放瓦斯钻孔,8,个,，孔径,75mm,，孔深,10m,，平均深,8m,多，排放,17,天后向前掘进，此时距,3,1/2,石门还有,12m,煤柱，工作面发现煤炮声连续不断，在,10min,内可以听到,82,响。,突出前在工作面,打炮眼,10,个,，,深度为,。放炮声响后，,约,4,5min,感到两次强烈震动,，发生了,突出,。工作面前方至,3,1/2,石门之间的,12m,煤柱全部被摧毁，两巷被突出孔贯通，两巷都积有突出物，,几乎全部充满煤粉的长度,210m,，突出煤量,1500t,，瓦斯,10,万,m3,以上。显然两巷掘进的,集中应力与地质构造应力的叠加,以及瓦斯和应力的约束条件是造成这次特大型突出的主要原因。,3.,上山突出,上山掘进中，倾出所占的比重明显增多，这说明了煤的自重在动力现象中起重要作用。,实例,1973,年,5,月,2,日，六枝矿务局六枝矿五采区中巷上山倾出。该上山沿,7,号煤层掘进，煤层倾角,55,，煤厚,4m,，。附近有一压扭性断层，,煤质松软，岩石破碎,。倾出前发现,煤壁掉渣,，决定加强支护。,支架时煤层来压,，,支架发出响声,，随即,倾出,。倾出的煤,全部为碎煤，无分选现象,，堆满上山巷道，孔洞沿倾斜向上伸延、孔洞倾角与煤层倾角相同，倾出孔洞与上顺槽贯通。倾出煤炭,500,多,t,，瓦斯量末测定。倾出点距地表深,144m,。,4.,下山突出,下山掘进所发生的动力现象只有两种类型，,突出与压出,，没有倾出。,次数也最少,。实例：天府矿务局磨心坡矿峰区沿,9,号煤层掘进临时斜井，向下掘至距地表,374m,时发生突出。突出煤炭,121t,，瓦斯,11,万,m,3,。该处煤层倾角,59,，斜井掘进坡度,30,，煤层厚度，附近地质构造正常。突出,4,天前发现煤变软、层理紊乱,，,底板柱窝有水浸出,，,顶板裂缝有咝咝声并有“冷气”喷出,，临突出前手镐落煤时听到,类似跑车的“轰轰”声,，紧跟着一声巨响而突出。煤抛出远，上面,5m,为煤粉和碎煤,；下面为直径,50mm,的小块煤和大块煤,。突出后,22,小时仍听到工作面有连续的巨响,，同时从底板涌出含有,H,2,S,的水。,5,采煤工作面突出,我国在,急倾斜的回采工作面很少发生突出现象。但是在缓倾斜和近水平煤层,，,回采工作面压出的次数较倾斜煤层明显增多,，,倾出与典型突出,都比较少见，这是因为,后退式采煤回采之前，瓦斯得到一定程度的排放,。全部陷落顶板管理方法，地压,显现比较活跃、周期来压,、,放顶不及时以及悬顶过大等都可能诱发压出,。回采工作面压出的平均强度虽然不大，但是由于,采煤工作面人员较多,，对人身安全及生产的影响是很大的。,回采工作面的压出表现出明显的区域性,，即压出,往往比较集中地发生在为数不多的几个采区中的某局部区域内,，不仅次数多而且强度也比较大，每次从数十吨到数百吨。,4,4,突出过程现场测定实例,中梁山煤矿于,1977,年,11,月,4,日在观场实测到一次突出，此次石门揭煤突出强度为,817t,煤,(,矸,),，瓦斯,38540m,3,，瓦斯涌出量最大时,1200m,3,/min,，全过程延续,39s,。试验地点在南井,+290m,水平南西二半抬高石门揭穿背斜西翼,Kl0,煤层处。采用四参数仪对瓦斯浓度、温度、瓦斯流量和瓦斯压力进行遥测，首先测出各初始值：一号钻孔瓦斯压力为，二号孔为，四号孔瓦斯流量，三号孔煤层温度,21,，工作面回风瓦斯浓度。完成一系列严密准备工作后，于下午,2,点钟在地面遥控放震动炮揭开煤层，随即发生突出。突出点距地表垂深,320m,。,实测结果,(1),声响记录 震动放炮使用瞬发雷管，经过测试，选择电阻值相同的雷管。震动炮声响后发生第一次冲击声，随即在、时又出现三次冲击声。第一冲击声出现时，其它测定参数、,瓦斯压力、流量、温度与瓦斯浓度均无变化。,从第,9s,到听到瓦斯风暴的吹扫声；第时听到一次冲击声响。冲击声响的振幅与放炮声响处于同一数量级,(,炮声，冲击声,17V),，,表明二者的能量在同一数量级水平上。,(2),瓦斯压力记录 钻孔距自由面最近,(5m),，钻孔,(P1),距孔水平距离,14m,。在冲击声后,P2,才开始下降。,此后在时间间隔内，,P2,由原来的下降到,；,在间隔时，降到。,一号孔,P1,是在第,6s,时才开始下降的，下降后的前,3s,其下降速度缓慢，,此后陡降，如同,P2,一样,。从,P2,、,P1,的变化可知，,突出时瓦斯潜能的释放是先从距自由面最近点开始，然后向煤体深部扩展，而且落后于煤,(,岩,),破裂。,在这次突出中瓦斯压力传播速度约为,3,4m/s,。,(3),钻孔瓦斯流量记录 该钻孔距煤门的水平距离,10m,，高出煤门,5m,，流量计采用分流方式工作，,放炮前总流量,，流量计只测分流量，其余不经过流量计。,放炮后第时流量开始有变化，稍后急速增长,，表明此处已卸载,(,卸压,),，其周围煤的透气性剧增，,流量增大,100,倍以上,。它与,P1,的变化表明这次突出卸压流动范围，,(,即应力变化范围,),在石门两侧各扩展,10m,以上，高度在煤门顶,5m,以外,。将流量曲线与声响记录相对照：可以看到,瓦斯流量增大时间正好与风暴吹扫声期相吻合,，从而证明参与突出的瓦斯不仅是突出煤炭本身所含的瓦斯，,而且包括突出孔周围煤体卸压涌出的卸压瓦斯,，这就解释了为什么突出吨煤瓦斯涌出量会大大高于其含量的原因。,(4),温度与浓度测定结果 温度探头设在钻孔内，由于固定得不牢，在第四冲击声后一秒钟被破坏了，所得数据不全。看起来，在突出发动初期，,煤温有所升高,，这可能是在地应力作用下，煤体破坏、位移，,一部分摩擦功转变为热能所致,。工作面回风中的瓦斯浓度探头是热效式的，,突出后很快测到,6%CH,4,，随后因缺氧，元件停止工作，指示仪刻度降至零。,在矿井总回风中的瓦斯遥测仪探头测得高峰期瓦斯浓度,20%CH,4,，风量为,6090m,3,/min,，瓦斯涌出量,1200m,3,/min,。,4,5,突出发生的一般规律,根据重庆、北票、红卫、焦作、六枝和阳泉等矿区的统计资料，突出的发生有如下规律：,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,，一般它比瓦斯风化带的深度深一倍以上。,随着深度的增加，突出的危险性增高,，这表现在突出的次数增多，突出的强度增大，突出煤层数增加、突出危险区域扩大,(,从点突出发展到多点突出甚至再发展到几乎点点突出,),。始突深度标志着,突出需要起码的地应力与瓦斯压力,。,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。,突出最严重的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，突出煤层的瓦斯,含量、开采时的相对瓦斯涌出量都在,10m,3,/t,以上,，即突出都发生在高瓦斯矿井内。,4.,突出煤层的特点是煤的力学强度低,(f,0.8),而且变化大，透气性差,(,透气系数,10m,2,/(MPa,2,.d),；瓦斯放散初速度高,(,P,15f,),；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,。向斜轴部地区、向斜构造中局部隆起地区、向斜轴部与断层或褶曲交汇地区、火成岩侵入形成变质煤与非变质煤交混或邻近地区、煤层扭转地区、煤层倾角骤变、走向拐弯、变厚特别是软分层变厚地区、压性、压扭性断层地带、煤层构造分岔、顶、底板阶梯状凸起地区等都是突出点密集地区、也是大型甚至特大型突出地区。,6.,受煤自重影响，由上前方向巷道方向的突出占大多数，从下方向巷道的突出为数极少。,突出的次数有随着煤层倾角增大而增多的趋势,。,7.,采掘工作往往可激发突出，,特别是落煤与震动作业,。据我国,7765,次突出的统计资料，,放炮引起的突出占,55,；打钻占，风动工具占，手镐作业占；水力落煤占，机组采煤占,(,以上落煤作业总计达,6194,次占,80,),，其他作业占；突出前没有作业的仅,56,次占。,其中放炮诱导突出作用最强，因为它既有“深揭”作用，又产生较大的震动作用。使内部煤体突然解除约束变为表面状态，激起煤体破碎,。,甲烷突出有时有延期性，对安全威胁严重。,8,绝大多数突出都有预兆。,地压显现,方面的预兆有，煤炮声、支架声响、掉碴、岩煤开裂、底鼓、岩与煤自行剥落，煤壁外鼓、来压、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔顶钻、夹钻杆、钻粉量增大、钻机过负荷等；,瓦斯涌出,方面的预兆有，瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小、煤尘增大、气温与气味异常、打钻喷瓦斯、喷煤、哨声蜂鸣声等；,煤力学性能与结构,方面的预兆有，层理紊乱、煤强度松软或软硬不均、煤暗淡无光泽、煤厚变化大、倾角变陡、波状隆起、褶曲、顶、底板阶状凸起、断层、煤干燥等等。例如，据红卫煤矿统计，在,61,次突出中，仅发现瓦斯与地压预兆,110,次，平均每次突出预兆有,2,种，仅有,6,次突出未发现瓦斯与地压预兆。,9,突出危险性随着有硬而厚的围岩,(,硅质灰岩、砂岩等,),存在而增高,10,从巷道类型与突出危险性的关系上看以石门为最危险。它的平均突出强度都在数百吨以上，瓦斯喷出量超过数万,m,3,，波及范围广，易造成非常严重的重大事故。而且,从石门工作面距煤层,2m,起至穿过煤层全厚而进入顶板或底板,2m,止，整个揭穿过程都有危险,，也曾发生过，仅,2m,厚煤层在石门揭穿过程中突出两次的实例。因此，局总工程师和有关人员对此类工程必须慎之又慎，把好关，掌握好地质情况，工程进度，保证岩柱厚度的规定尺寸，预先测定突出参数，严防误穿突出煤层。,4,6,突出机理研究,解释突出原因和突出过程的理论称为突出机理。突出是个很复杂的动力现象，至今巳提出许多假说，概括起来有三大类：第一类是瓦斯作用说。，第二类是地应力说。第三类是综合说。认为突出是地应力、瓦斯压力和煤的结构性能综合作用的结果，国内外大多数学者拥护综合说。,但是对于,突出过程,是怎样进行的？三种因素是如何作用的？综合学说并没有完全说清楚。现场有些突出现象也无法解释。如延期突出，突出孔洞的形成过程，过煤门突出等等。这里介绍一种最新的突出理论,-,球壳失稳假说。,煤与瓦斯突出的球壳失稳机理,煤与瓦斯突出的过程描述,单个煤体质点在突出过程中的变化,(1),原始应力状态,(2),应力集中过程,(3),地应力破坏过程,(4),瓦斯撕裂裂纹过程,(5),煤壳失稳抛出阶段,(6),搬运及静止解吸阶段,（,1,）原始应力阶段,当突出波阵面距该煤体质点尚远而未对其产生应力扰动时，该煤体质点处于原始应力状态。,（,2,）集中应力阶段,由于突出波阵面的推进，,该煤体质点的两个相互垂直的切向应力不断增加,而径向应力不断降低,到集中应力峰处,切向应力达到最大值，但在此时该煤体质点仍处于弹性应力状态,(3),地应力破坏阶段,在该阶段中,煤体质点首先在集中应力峰的作用下破坏,煤体内形成“,X,”裂纹,然后“,X,”裂纹在残余应力的作用下沿主应力方向扩展,也就是沿切向扩展,形成与暴露面近于平行的“,I,”型裂纹。,（,4,）瓦斯撕裂煤体阶段,在这个阶段,作用在煤体质点上的地应力已经降低到裂隙内的瓦斯压力以下，煤体中与“,I,”型裂纹相通的小孔隙内游离瓦斯及通道表面煤体吸附的瓦斯向裂纹内释放，“,I,”型裂纹内存在有压力的瓦斯。如果煤体强度较低，“,I,”型裂纹将在裂纹内瓦斯压力的作用下沿切向扩展，,将相邻的各个“,I,”型裂纹连通起来形成与暴露面近于平行的大裂缝,即将表面煤体切割成与暴露面同形的球盖状煤壳。,（,5,）煤壳失稳抛出阶段,球盖状煤壳形成后，,由于大裂缝周围煤体颗粒继续放散瓦斯，,煤壳后部的大裂缝内也将保持一定的瓦斯压力，如果这个瓦斯压力足够高（但低于原始瓦斯压力）,而形成的煤壳又足够薄，,则这个大煤壳将在大裂缝中瓦斯压力的作用下失稳破坏，,抛向巷道，,形成突出。,（,6,）搬运及静止解吸阶段,煤壳抛出后，,在膨胀瓦斯的推动下沿巷道向外搬运，煤壳中的煤体质点由于碰撞破碎，,内部的瓦斯也向外涌出，这部分瓦斯也参与了搬运过程，当煤体质点最终落于巷道中的某一点而停止运动后，,煤体质点内的瓦斯还将继续向外涌出，,但涌出强度逐渐降低。,发生煤与瓦斯突出过程的力学条件,式中,”,应力峰处的切向应力，,MPa,；,”,r,应力峰处的径向应力，,MPa,；,含瓦斯煤体的摩擦角；,K,含瓦斯煤体的内聚力，,MPa,。,(1),含瓦斯煤体在地应力作用下的破坏。,(2),煤体内的裂隙在积聚的瓦斯压力作用下扩展,P,if,圆盘形裂纹中积聚的瓦斯压力,Mpa,；,P,2,巷道中的大气压力,MPa,；,K,1c,煤体的断裂韧性,。,a,圆盘形裂纹的半径,m,。,周围裂纹的影响系数。,M,1,随,a/h,的增加而增大的影响系数。,h,裂纹距暴露表面的深度，,m,。,(3),裂缝扩展形成的煤壳在裂缝内瓦斯压力的作用下失稳破坏,P,im,裂缝内积聚的最大瓦斯压力,MPa,；,i,球盖状煤壳的边缘与煤壳的曲率中心构成的中心角的一半；,E,煤体的弹性模量,MPa,；,t,i,煤壳的厚度,m,；,R,i,煤壳的曲率半径,m,。,球壳失稳假说,煤与瓦斯突出的实质是,地应力破坏煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体内的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。,放炮声响后，约45min感到两次强烈震动，发生了突出。,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；,存在问题的主要原因是：,现场有些突出现象也无法解释。,解放层开采以后，被解放层内的瓦斯压力下降，发生膨胀变形为3，地应力相应降低，煤体强度增大，透气系数增大300多倍，钻孔瓦斯流量增加70倍左右。,突出煤体暴露后，如果未发生突出，则暴露表面煤体会在地应力的作用下破坏，表面煤体内的瓦斯会通过径向裂隙很快释放出去，在暴露面处很快形成一个卸压带，阻碍着深部煤体的突出，这时工作面不可能出现那种停滞一段时间后再突出的所谓延期突出现象。,揭煤前测得瓦斯压力(表压力)，因打测压钻孔时曾突出煤粉1t多，所以封孔质量不好，测压值偏低，以后在同一水平相邻区测得瓦斯压力。,初始释放瓦斯膨胀能测定系统,经连续两次检验性预测，都为突出威胁工作面时，该工作面仍为突出威胁工作面，该区域仍为突出威胁区域。,该区小断层小褶曲发育，大面积火成岩侵入强烈，使9B煤层顶板变成厚达12m的火成岩，底板为火成岩和砂页岩，靠近顶板7m厚的煤层为变质煤，底部为正常煤(厚45m)。,（6）搬运及静止解吸阶段,(3)压出时有大量瓦斯涌出，有时从压裂裂缝喷出瓦斯，但极少见到瓦斯逆流现象。,突出后22小时仍听到工作面有连续的巨响，同时从底板涌出含有H2S的水。,(4)一般有规则的孔洞，呈舌形、袋形，孔洞轴线沿煤层倾斜方向伸延，深度为数米至数十米。,突出预测从预测的范围与时间来分，大致可分为两类：区域预测和局部预测。,钻屑解吸衰减系数C的测定,(1)解放作用,突出过程中煤体内能量的耗散规律,用热力学第一定律对上述每一过程进行能量分析可得：,由地应力产生的弹性潜能消耗在煤体的破碎上，增加了煤体的表面能，为煤体释放瓦斯创造了条件，但,真正决定煤体能否突出的是煤体破裂后初时刻释放的瓦斯膨胀能,，简称为,初始释放瓦斯膨胀能。,(,与地应力，瓦斯压力及煤体强度有关,),应用球壳失稳假说可以解释以前的假说无法解释的各种突出现象,(,见专著第六章,),。,球壳失稳假说的验证,推论,1.,在突出的发展过程中，,如果某一点煤体满足了前两个突出的力学条件，但不满足第三个力学条件,，则突出将在该处停止，由于满足了前两个力学条件，球盖状的煤壳已经形成，因此，在突出孔洞的里端，应该能够找到这样的球盖状的煤壳。,突出模拟试验,推论,2.,突出煤体暴露后，如果未发生突出，,则暴露表面煤体会在地应力的作用下破坏，表面煤体内的瓦斯会通过径向裂隙很快释放出去，在暴露面处很快形成一个卸压带,，阻碍着深部煤体的突出，这时,工作面不可能出现那种停滞一段时间后再突出的所谓延期突出现象,。因此，延期突出中的延期现象,不是突出煤体本身造成,的，它只可能是爆破时在突出煤体前面,残存着部分硬岩或硬煤,，它们发生了蠕变破坏后，发生垮落，导致突出煤体暴露，引起延期突出。,推论,3.,突出的发生需要连续满足三个力学条件，如果我们增加,巷道中的大气压力,，也就是增加第二和第三个条件中的,P,2,，就会使得突出停止或不发生。,推论,4.,石门揭煤突出预测模型及预测方法,特征：,1.,阻挡层；,2.,瓦斯压力远比重力大。,理想石门揭煤模式,：阻挡层为致密而坚硬的岩石，揭煤前，煤层中的瓦斯没有任何泄漏。,突出模拟装置示意图,在理想石门揭煤条件下，,影响煤层突出的因素只有地应力，瓦斯压力，煤体强度及软煤厚度。,完整煤芯取煤器,打钻取样,取出的煤样,非突出,弱突出,(,压出,),突出,初始释放瓦斯膨胀能测定系统,煤与瓦斯动力现象分类预测,突出动力现象的判别函数,弱突出临界值,-1,，突出临界值,-1,四、预防突出的技术措施（区域性和局部性措施）,石门揭煤的突出危险来自工作面前方含瓦斯的软煤，软煤中的地应力越高，瓦斯压力越大，软煤的强度越低,(,初始释放瓦斯膨胀能也越大,),，突出危险性越大。石门和区域防突要降低初始瓦斯膨胀能。,煤巷掘进的突出危险不但与工作面前方含高压瓦斯的软煤有关，而且与含高压瓦斯软煤到工作面的距离有关。煤巷掘进有自解放作用，工作面附近的煤体中瓦斯会向外泄漏，形成卸压带。卸压带长，掘进在卸压带的保护下进行，不会突出；卸压带短，掘进爆破可能一举突破卸压带，使得含高压瓦斯的软煤突然暴露,导致突出。煤巷防突的关键就是如何将卸压带延长,使工作面远离含高压瓦斯的软煤。,l),开采解放层,开采解放层是防治煤与瓦斯突出的最有效的区域性措施，也是一种主要的技术措施。几乎所有发生煤与瓦斯突出的国家，只要有解放层，都采用这种措施。我国从,1958,年起已成功地推广了这种技术。目前开采解放层的矿井占全国突出矿井的,26,。,在开采煤层群的条件下，首先开采没有突出危险，或突出危险性较小的煤层。由于它的采动影响，使距离它一定范围内的突出危险煤层失去突出危险，这个,先采煤层称为解放层,。如果它位于突出危险层的上方，称为,上解放层,，位于下方称为,下解放层,。,(1),解放作用,对解放层的实际考察表明。解放层开采以后，被解放层内的瓦斯压力下降，发生膨胀变形为,3,，地应力相应降低，煤体强度增大，透气系数增大,300,多倍，钻孔瓦斯流量增加,70,倍左右。这一现象称为,卸压增透增流效应。,(2),解放范围,解放范围是指解放层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。它受地质采矿因素影响，各矿根据实际考察研究确定这个范围。,(3),开采解放层应注意的几个问题,如果煤层群中有几个解放层时，应优先选用上解放层。,解放层的采空区内不得留煤柱。如遇到特殊情况非留煤柱不可时，要将煤柱位置准确地标在采掘工程图上。在它的影响范围内采掘，必须采取专门的防突措施。,开采解放层时，要同时抽放被解放层中的瓦斯。开采近距离解放层时，要特别注意防止被解放层的卸压瓦斯突然涌入解放层的采掘工作面而造成事故，,在被解放层的解放范围之外进行采掘工作，必须采取专门的防突措施。,煤层群中不存在无突出危险煤层时，可选择突出危险性较小的煤层作为解放层，并抓好该层的突出预测预报工作。,2),预抽煤层瓦斯,抽放瓦斯的方式有,本层钻孔抽放,和,穿层钻孔抽放,。它的实质是，利用均匀布置在突出危险煤层内的大量钻孔，经过一定时间,(,数个月至数十个月,),预先抽放瓦斯，以降低其瓦斯压力与瓦斯含量，由此引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度增高等效应。如果抽放率达到,20,30,以上，被抽放瓦斯的煤体丧失或减弱突出危险性。,这种方法目前只适用透气性不太小的突出危险煤层。对于透气性小的煤层因瓦斯抽放量小，抽放时间过长，效果不好。对这样的煤层，如何提高瓦斯抽放率，是一个尚待研究的世界性的难题。,3),煤层注水,向,煤层注水,，可以改变煤的力学性质，增加煤的可塑性，降低了煤的弹性模量和强度，,卸压带增大,，同时也使煤体内的高压瓦斯提前释放，大大地降低了暴露面处煤体的初始释放瓦斯膨胀能，因而，突出危险性降低。,打钻注水过程中，水压过高，水流易沿煤体弱面流失，难以全面湿润煤体；水压过低，注不进水。为了做到,“,压而不裂，注而不漏,”,，一般都采用中压长时注水措施。注水压力低于上覆岩层的静水压力，依靠水压和煤孔隙的毛细力缓慢地将水注入和吸入煤体内部，均匀湿润煤层。为了提高注水速度和湿润效果，可在水中加湿润剂。,4),超前钻孔,在煤巷工作面前方，一般有三个应力带：卸压带、集中应力带和正常应力带。在卸压带中，地应力和瓦斯压力都大大降低，它是阻止突出的防护带，长度,3,5m,时可以预防突出的发生。如果煤体强度不均时，工作面遇到较硬的煤体，卸压带长度有可能大大缩短，距工作面煤壁,1,2m,处，就会出现应力高，瓦斯压力大的集中应力带。如果强度较大的硬煤之后就是突出的软煤，爆破工作就会导致煤和瓦斯突出。超前钻孔是指在工作面前方一定距离的煤体内，始终保有足够数量的较大直径的钻孔，降低工作面前方煤体的强度，人为地造成并保持工作面前方有一个较长的卸压带，以防止突出的发生。,5),松动爆破,松动爆破是在进行普通放炮时，同时爆破几个,7,10m,以上的深炮孔，使深部煤体破裂与松动，应力集中带和高压瓦斯带移向深部，以便在工作面前方造成较长的卸压和排放瓦斯区，从而预防突出的发生。此外，深孔爆破在炮眼周围形成,50,200mm,直径的破碎圈，有助于摧毁局部坚硬的煤体，消除煤的软硬不均而引起的应力集中，并形成瓦斯排放通道，促使深部煤体的瓦斯提早释放，降低瓦斯压力与应力梯度，这对于防止突出的发生是有利的。,6),水力冲孔,水力冲孔是利用钻机打钻时喷射的水射流，在突出煤层内。冲出煤炭和瓦斯，诱导可控制的小型突出，以造成煤体卸压，排放瓦斯，消除采掘突出危险的方法。,据不完全统计，应用此法在我国巳安全揭开突出危险煤层,100,多次，掘进煤巷,1,万多,m,，水冲区采出煤炭,1,百多万,t,。掘进煤巷速度可保持,50,60m/,月，最高达,85,l00m/,月。水力冲孔对于有自喷能力的煤层，用于石门揭煤是安全可靠的，用于煤巷掘进和回采工作面时，在技术上也是可行和有效的。,7),多排钻孔,多排钻孔的主要作用是在,石门周围,一定范围预先排放煤体瓦斯，,降低瓦斯潜能，瓦斯排放后煤体产生收缩，造成卸压,，使弹性能和地应力降低；煤体收缩变形与地应力的降低又,引起煤层透气性增加，并降低了瓦斯压力梯度,，,排放瓦斯后的煤体力学强度增加,。从而可以消除突出危险。天府矿务局用这种办法揭开严重突出危险煤层,60,余处，都没有发生过突出。其中大部分垂深达,500,多,m,，瓦斯压力,4000,8000kPa,，煤层厚度,3,5m,，倾角,60,65,。该法特别适宜于揭穿急倾斜煤层。,8),金属骨架,9),震动放炮,用比普通放炮多很多的炸药量和炮眼数，一次揭开巷道部分或全断面的爆破称为震动放炮。,爆破时，强大的震动力和深揭作用使地应力作用下的煤体突然暴露，造成人为最有利的发生突出的条件，诱导突出。是一种安全防护措施。,采用震动炮措施时，,石门工作面距煤层的最小垂直距离：急倾斜,2m,，缓倾斜、倾斜。当突出危险程度较小或瓦斯压力小于,1MPa,时，,可采用震动放炮措施。在突出危险程度较大或瓦斯压力大于,1MPa,的煤层中，必须采取其它措施，消除突出危险，再结合震动放炮揭开煤层。,采用震动放炮时，为了减少突出强度，可以采用抑制突出强度的,金属栅栏,。,采用震动放炮揭开突出危险煤层时，,必须编制专门设计，报矿务局总工程师批准。专门设计中应规定爆破参数、放炮地点、反向风门的位置、避灾路线，以及停电、撤人和警戒的范围等。,放炮前还应加强震动放炮地点附近的支护。震动放炮工作由矿总工程师统一指挥，,并有矿山救护队在指定地点值班。放炮半小时后，由救护队进入工作面检查,。根据检查结果，确定恢复送电、通风、排除瓦斯等具体措施。,五、突出预测技术,1.,突出危险程度的划分,根据,防治煤与瓦斯突出细则,(,原煤炭工业部,1988,年制定,),，对于突出危险程度的划分规定