构造复杂煤层.doc

《构造复杂煤层开采》结业论文------------

煤与瓦斯突出构造煤层
开采技术研究

班级：
姓名：dxk
学号：
指导教师:汪华君

煤与瓦斯突出构造煤层开采技术研究
摘要：煤矿防治煤和瓦斯突出是一项极其复杂的系统工程。随着开采深度和强度的增大，煤与瓦斯突出危险性越显严重，防突工程量逐年增大。发生煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度有密切的关系。从力学的角度来看煤与瓦斯突出是在一定的地应力作用下，煤体发生破坏的力学过程。地应力、瓦斯压力和煤体力学性质这三者导致了煤与瓦斯突出的发生和发展过程。地应力是在地质作用过程中形成的，分布受到地质构造的控制。瓦斯是煤与瓦斯突出的物质基础是在煤形成过程中产生的。
关键词：矿井采掘；煤与瓦斯突出；回采；保护层
（一） 前言
1．煤与瓦斯突出构造煤层特点：
煤与瓦斯突出(以下简称突出)是采煤过程中发生的严重自然灾害之一,可在极短的时间内,由煤体内部向采场、巷道等采掘空间喷出大量的煤和瓦斯突出物会造成埋人,破坏设施,突出的瓦斯使人窒息,或引起瓦斯爆炸,造成严重的人员伤亡和矿井损毁事故"我国煤与瓦斯突出矿井多,分布范围广,并且突出频繁"1988年原煤炭工业部颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》,采用四位一体(即预测预报，防突措施，效果检验，安全防护)的综合防突措施后,瓦斯突出事故次数明显减少,但随着矿井开采深度逐渐增加,煤层瓦斯含量也逐渐增高,煤层的透气性越差突出危险性也相应增大"。
煤矿防治煤和瓦斯突出是一项极其复杂的系统工程。随着开采深度和强度的增大，煤与瓦斯突出危险性越显严重防突工程量逐年增大。发生煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度有密切的关系。从力学的角度来看煤与瓦斯突出是在一定的地应力作用下，煤体发生破坏的力学过程。地应力、瓦斯压力和煤体力学性质这三者制了煤与瓦斯突出的发生和发展过程。地应力是在地质作用过程中形成的，分布受到地质构造的控。瓦斯是煤与瓦斯突出的物质基础是在煤形成过程中产生的。
为了能有效控制突出，有突出煤层的矿井应建立以区域性防突措施为主的开采格局，有保护层可采的要首先开采保护层，无保护层条件的单一突出煤层要采用大面积预抽瓦斯。分别形成“采、抽、掘”和“抽、掘、采”的开采程序，合理控制其空间和时间的关系。 “采、抽、掘”的内涵是:“采—保护层回采要超前被保护层的掘进一定距离和时间;抽一在开采保护层的同时，要抽放邻近被保护层的卸压瓦斯;掘一经过开采保护层和抽放瓦斯，在有效作用范围内消除了突出危险后，才开始被保护层的掘进。“抽、掘、采”的内涵是:抽—对单一突出危险煤层先进行大面积预抽;掘-一经过一定时问抽放，并确认抽放作用范围内消除了突出危险，才进行突出煤层的掘进或同时进行顺层预抽钻孔的施工和面上预抽;采—回采工作面构成和确认面上已消除突出危险后，进行回采。消除或减少开采巷道布置可能引起的突出危险因素包括:尽量避免采区内采掘工作所形成的采动应力集中和应力叠加;在突出危险层中严禁相向掘进和回采;保护层开采时不留和尽量少留煤柱;石门揭煤点要避开地质构造复杂区。
为了提高突出矿井的抗灾能力，要求矿井通风系统简单，并联风路中的角联少，通风设施少，风量便于调节，风压稳定，宜采用对角抽出式或分区抽出式通风系统。为防止突出后灾害范围扩大，要求采区之间，采掘工作面之间，生产水平与准备水平之间，石门揭开突出煤层时，都要有完善可靠的独立通风系统。同时要健全各种安全防护措施。
2．煤与瓦斯突出构造煤层研究现状：
由于突出的复杂性及其对煤矿安全生产危害的严重性，世界各国对此都十分重视。中国、前苏联等国家都设立了防突专门委员会和研究机构 负责突出的研究工作。自二十世纪六十年代以来许多国家加强了突出研究的国际学术交流活动，曾多次召开突出国际讨论会，讨论煤岩和瓦斯突出机理及其预测预报。迄今为止国内外采用了对突出实例的统计分析、现场观测和实验室模拟等方法对煤和瓦斯突出机理开展了广泛的研究，从而提出了众多的假说。归纳起来可分为三类，第一类瓦斯作用说；第二类地应力作用说；第三类综合作用说。 （1）瓦斯作用说
这类假说认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。在这类假说中，瓦斯包说占重要地位，它认为在煤层中存在着瓦斯压力与瓦斯含量比临近区域高得多的煤窝即瓦斯包，其中煤松软孔隙与裂隙发育，它具有较大的存储瓦斯的能力，它被透气性差的煤所包围，存储着高压瓦斯。当巷道揭穿瓦斯包时，在瓦斯压力作用下，将松软的煤窝破碎并抛出形成突出。另一类瓦斯说认为，甲烷在煤中以不稳定的化合物形式存在，例如有多聚甲烷或结晶水化物存在或者煤可以自然地分解并放出大量瓦斯。当巷道揭开饱含不稳定化合物煤区时因温度上升或瓦斯压力下降促使它们急剧地分解放出大量瓦斯并夹带着煤喷出。
（2）地应力作用说
这类假说认为突出主要是高地应力作用的结果对于高地应力的构成有不同说法，一种认为除自重应力外还存在着地质构造应力，当巷道接近存储构造应变能高的硬而厚的岩层时，后者将象弹簧一样地伸张，将煤破坏和粉碎，引起瓦斯剧烈涌出而形成突出。另一种认为，采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长或突然冒落时，可能产生附加的应力，在集中应力作用下煤发生破坏和破碎时会伴随大量瓦斯涌出而构成突出。
（3）综合假说
该学说认为突出是地应力、瓦斯和煤的力学性质等因素综合作用的结果。这一假说较全面地考虑了动力与阻力两个方面的因素，因而得到国内外学者的普遍承认。在综合假说的多种说法中又以苏联 B.B.霍多特的能量假说影响最大。
（二）煤与瓦斯突出构造对开采的影响研究
为了减少突出对生产的危害，尽量少扰动突出煤层，在有条件的地方，把主要巷道布置在岩石、无突出或突出危险性较低的煤层中。地质剧烈变化地带，最易发生突出，目_突出强度高，所以小能将石门布置在该带中，以免增加危险和防治突出工作的难度。如果条件许可，先用煤巷掘至石门揭煤地点，然后石门再与煤巷沟通，为了防止煤巷掘进工作而与石门掘进工作而前方应力的相互影响，应力叠加而诱发的突出，煤巷必须超过石门贯通位置5米以上。为了防止石门与煤巷贯通时，炮眼底距煤巷帮的距离小于炮眼的最小抵抗线，火药容易发生爆燃或有火焰喷出，当煤巷中囚通风小良或没有通风而造成瓦斯聚集时，就会发生瓦斯爆炸事故，囚而采用石门贯通煤层必须保证煤巷的正常。
应力在煤与瓦斯突出中是一个不可忽视的重要囚素，一般说来，应力可分垂直应力(岩石自重所形成的应力)、水平应力(构造应力)及采掘附加应力。前一者在同一个采区或不大的范围内，无明显变化，而采掘附加应力是一个变量，它是由于人们采掘活动，破坏了煤(岩)的原始应力状态，使应力重新分布的结果。在高应力区内进行采掘工作，易触发应力突变，导致在采掘工作而前方快速形成卸压带，造成煤体破坏、煤层中的瓦斯快速解吸，大量的游离瓦斯出现在煤层的裂隙、空隙中，参与破碎煤体，并将被破碎的煤块搬运到远离工作而的地方，形成突出。
在1个或相邻2个采区中，同一煤层的同一区段，两个工作而进行相向采掘工作，当2个工作而相互接近时，由于2个工作而的采掘附加应力相互叠加，产生高应力区，易发生突出。因而在上述条件下，不能布置2个相向采掘工作面。
根据统计,石门揭穿突出危险煤层最容易发生煤与瓦斯突出，其突出特点是强度大、瓦斯量大、波及广，因而危害严重。石门揭煤地点通常是新矿井、新水平、新采区还未被揭露的地点。其瓦斯压力、应力都处于原始状态。除此而外，揭穿煤层时，工作而由坚硬的岩层突然进入较松软的煤层，工作而前方的集中应力容易发生突变。这些都为发生突出提供了必要的有利的条件，应引起防突工作人员的高度重视。
放顶煤采煤法是利用矿压、煤的自重落煤。突出煤层具有松软、瓦斯含量大的特征，这些特征有利于放顶煤采煤法，但这些特征恰恰是发生突出必不可少的条件。矿压(应力)活动频繁，煤层松软，受煤体自重的影响，使煤层自顶板垮落(冒顶)，形成了新的暴露面，新暴露面上的瓦斯压力梯度陡增，在煤层中游离瓦斯压力作用下，煤层被破碎，瓦斯快速解吸形成强大的瓦斯气流，将被地应力和瓦斯破碎的煤块搬运到采掘空间中米，形成突出，若瓦斯与煤块的混合气流在流动过程中没有遇到阻力，突出将继续进行，直到混合气流受阻，新暴露面而上的瓦斯压力梯度下降，不能再破碎煤体时，突出才被迫停止。由此看来，放顶煤采煤法不但不利于防治煤与瓦斯突出，反而为突出的发生创造良好的条件。
（三）煤与瓦斯突出构造煤层巷道布置与回采方案研究
1．巷道布置方式
突出矿井由十煤层赋存条件的不同，开采巷道布置方式也不相同。别是煤层群的巷道布置更为复杂。目前，.国内突出矿井普遍采用煤层群分组或集中开拓.采区巷道联合布置，主要巷道〔水平运输巷、总回风巷、采区上山、工作面区段瓦斯抽放巷等)设置在最下一层煤的底板岩石中的开采巷道布置系统。倾斜、急倾斜煤层采区巷道布置主要有单翼采区、双翼采区和有边界上山的双翼采区3种类型，缓倾斜和近水平煤层则有盘区式和倾斜长壁式2种类型。单一采区多用于开采急倾斜突出和有自燃发火危险的煤层。双翼采区相对地具有采掘集中、生产能力大、服务年限长、掘进率低、工程量省，便于管理等优点，有较多突出矿井采用。有边界上山的双翼采区，其采掘通风和瓦斯处理条件都有改善，有利于加快保护层的准备和开采。采区式开采巷道布置尚存在的问题，主要是:
（1）护层中不可避免地留下较多煤柱，给被保护层开采留下后患，增大突出危险的因素。
（2）范围小，不能连续开采，搬家次数多，影响保护层的推进速度，也限制了被保护层生产能力的发挥。
(3)采区式开采巷道布置，一般采用传统的中央式通风系统，保护层工作面呈“U'，型迂回式通风，采掘集中，为分别构成独立通风系统所需，进回风交叉多，通风设施多，通风系统复杂，风流风量调节困难，风门常受人、车穿越开闭频繁，风流稳定性差。一旦发生突出事故，系统易遭破坏，扩大受灾范围，安全可靠性差。
(4)采掘关系复杂，为实现“三(五)区(开拓区、保护层掘进和回采区、被保护层掘进和回采区)成凑两超前”的开采程序，时间上有严格要求，空问关系互有制约，巷道工程量大.准备时间长。当程序上有超越，采、抽、掘的相关性和制约性被打乱，不仅容易造成接替紧张，矿井安全也会受到威胁。
(5)开采系统比较复杂，在一个采区内，采掘作业点多，生产环节多，使掘、抽、采、运在空间和时间上相互制约和干扰的因素多，生产环节中的平衡和衔接容易打乱，造成生产秩序紊乱。
(6)上山、开切眼工程量多，煤柱损失大，区回采率低，保护层煤柱区增加防突措施工程量，均影响经济效益的提高。
针对采区式巷道布置存在的问题和适应突出煤层的开采方式、今后的发展趋向是采用保护层走向分带连续式开采的布置。这种布置是指在一个开采水平内，保护层的准备和开采巷道系统，沿走向不划分为采区，而沿倾斜划分为区段(分带)一个区段就是一个工作面长度。回采是在一个区段内沿走向由井筒向井田边界连续推进，即工作面连续推进长度是井田一翼走向长度或者是分区走向长度·不留上山及区间煤柱。区段间可根据煤层条件留一小煤柱或采用无煤柱护巷和巷旁充填护巷。
每个区段一般设置区段岩石运输巷，同时兼作瓦斯抽放巷道，井田(或分区)中部设置集中运输上山。根据采、掘和揭煤点独立通风的要求，沿走向每隔一定距离开掘底板岩石区间回风上山，两回风上山之间为开采区间，见下图。

开采区间及工作面均沿走向(横向)接替，区段内采准方式为前方石门准备，后方石门回采。当一个开采水平内有若干个区段时，以最下一个区段布置水平运输大巷和井底车场·走向分带连续式开采布置，按开拓系统可分为:①、全井田走向分带连续式。这种开采系统适用于井田走向范围不大，保护层层位及赋存稳定，地质构造不复杂的矿井。全井田为一个开采系统，在井田中央设置水平集中轨道上山和运输上山，担负水平大巷以下各个区段的运料、运研、通风、行人、运煤等任务，开采区间布置在井田两翼，工作面推进范围是由井筒开始跨越区间上山连续推进至井筒边界，准备工作可以分别在不同的开采区间进行，见图(a)。区走向分带连续式。将井田按地质构造或保护层可采范围，划分成数个分区，每个分区自成一个开采系统，设置分区集中上山、风井，由矿井主井集中出煤，也可由各分区主井分散出煤。各个分区仍划分成区段和开采区间，其巷道布置与全井田分带连续式相同，见图(b)。
此外，按各矿井运输方式的不同，又可分为集中运煤上山布置方式或区间运煤上山布置方式。
缓倾斜、近水平煤层的巷道布置:①跨上山的走向分带连续式。这种布置方式适用于煤层倾角大于12。的突出煤层，其采区巷道布置与倾斜和急倾斜采区巷道布置基本类似。②倾斜分带连续式。这种方式适用于煤层倾角小于12。的近水平煤层。
上述两种方式的选择，除煤层倾角外，主要看保护层赋存条件、瓦斯抽放能力和处理水平、薄煤层的综采水平、无煤柱开采的充填护巷水平及薄煤层的掘进水平等条件综合权衡选定。
单一突出危险煤层的巷通布置:单一突出煤层开采的只是一层煤，其巷道布置相应地比较简单，为实施大面积预抽瓦斯，要处理好空间和时间上的相互制约和衔接关系。
预抽瓦斯的布置方式可分为:①全面穿层钻孔预抽。这种方式是在整个开采区段内，由底板岩石瓦斯抽放巷道，向突出煤层均匀布孔预抽瓦斯，也称网络式预抽。②穿层与顺层钻孔相结合的预抽。这种方式是穿层钻孔只解决机巷和切眼的条带，一般采用沿空送巷时，风巷无突出危险。经预抽后，进人煤层掘进，并从机巷向上或风巷向下打平行的顺层钻孔进行面上的预抽瓦斯。根据不同的抽放方式确定抽放巷道的位置及数量。
2．开采及巷道布置的特点
连续式开采布置方式的特点是:
(1)保护层可实现不留煤柱跨采区间上山连续回采，避免了保护层中的煤柱所造成的集中应力对突出煤层的作用，减少了激发突出的动力条件。
(2)有利于形成采掘独立通风系统和提高矿井的抗灾能力，采掘工作面容易安排在不同的开采区间内进行，交叉风流少，通风设施及构筑物少。通风系统简单，安全可靠性高，整个巷道系统抗灾能力增强。
(3)有利于瓦斯抽放，各区段一般都设置了区段岩石集中巷，供通风、运输用，同时兼作瓦斯抽放巷。钻场易维护，管路铺设方便，通风条件好，抽放时间长。
(4)有利于简化采掘关系和实现“三(五)区成套两超前”的采掘部署，采掘作业及瓦斯抽放可安排在不同的开采区间进行，简化了采掘关系，掘、抽、采、运四者在空间和时间上相互干扰小，给加快保护层的准备和超前回采提供了条件，同时解放煤量可及时布置开采，使矿井易于实现正常的生产接替。
(5)适应了突出矿井开采布置要合理集中和适当分散的要求，即保护层及被保护层的开采分别相对集中，从开采空间和位置上适当分散。
（6）工作面连续推进，不留上山及采区边界煤柱，避免和减少了煤柱影响区突出煤层的局部防突措施，增加了资源的回收，减少了大量采区上山及开切眼的巷道工程量以及工作面搬家次数少，可综合导致矿井采
掘效率及经济效益的提高。
单一突出煤层开采布置的特点是:
①采取以区域性防突措施为主的大面积预抽煤层瓦斯，使抽放瓦斯超前于采掘工作之前，不仅安全可靠性提高.也有利于实现正常的生产接替。②从根本上改变了原先以局部防突措施为主的被动局面，使采掘速度可以得到较大幅度的提高，为机械化开采突出煤层更奸发挥效率、提供了必要条件。
合理的采掘部署作为综合防突的重要组成部分，逐渐引起重视，有的突出矿井已开始进行专题研究，这不仅是突出防治工作的深化和加强，并将使防突技术提高到一个新的水平。（四）工程实践
实例——机掘面防突
随着采掘机械化的迅速发展，越来越多的煤矿采用了掘进机掘煤巷。在非突出煤层，机掘速度比炮掘高数倍，有效地缓解了采掘接替的紧张局面，使煤矿减员增效，经济效益显著。但在突出煤层机掘时，受突出威胁的制约，掘进机的效能得不到充分发挥。我国有的矿井，在机掘面发生突出并造成人员伤亡后，由于没有与机掘相配套的防灾技术和装备：因而被迫将机掘改为炮掘。煤科总院重庆分院在乎顶山十矿1208m长有突出危险的煤巷中进行了机掘防灾往术的试验研究，其防灾效果显著，在保障安全的条件下．实现了快速掘进：率掘进工作面距地表垂深455m一556m，走向1420 m，戊1-10煤层是戊9煤层和戊10煤层的合并层。此煤厚1．3m一1．5m，戊10煤厚2．5m一2．8m，两者之间有一厚0.1m—0.4m的夹矸石。煤层倾角17度左右。在合并层处，戊9煤层有一层厚0.5m—0.6m的软分层，戊9煤层有一层厚0.8m一1.9m的软分层。煤层瓦斯压力1.59Mpa---2．4 Mpa，瓦斯含量11．2立方米／t一14．6立方米／t。软分层煤f＝0．16一O．17，瓦斯放散初速度为14—16，硬分层煤f＝0．7—0．72。
（1） 超前钻孔参数及布置。
超前钻孔的布置主要取决于超前钻孔的有效排放半径和所需形成的排放瓦斯和卸压带的范围。采用钻孔瓦斯流星与钻屑瓦斯解吸指标相结合的方法试验工作面分别考察了80mm、90mm、110mm三种不同孔径钻孔的有效排放半径，考察结果见下表格：

根据几种不同孔径钻孔的有效排放半径，结合掘进工艺循环安排，对不同孔径、孔深的多种布孔方式进行了优化比较，结果以孔径110 mm、孔深15m左右为最佳。在实施超前钻孔过程中，有20个循环用上述考察方法对孔径110mm钻孔的有效排放半径进行了验证考察，其合效排放半径均在1．2m一1．3mo综上所述，取有效排放半径1．2m作为布置超前排放钻孔的基本参数，其布置见固4—32，孔口参数见表4—7。

(2)超前钻孔的实施。实施超前排放钻孔时，应按下列要求进行：
①所有钻孔的开口位置均应布置在软分层中，沿软分层打孔；
②按图上标注顺序打孔，每开孔之前掘进机截割头应截入煤壁中，防止截贸滑动；
②在打钻过程中，如遇夹钻、卡钻等现象，钻杆需在孔内来回多次运动后再往前打孔；
④调构造或软分层变厚时，应根据实际情况，增加孔数或调整钻孔的开孔位置。
防灾钻机安装在掘进机上形成一体化后，试验分两个阶段进行。前一阶段主要对防突参数及指标、工艺和钻机性能进行试验考察，该阶段试验了60个循环，累计打钻孔208个，累计孔深2995m，平均孔深14．4m，最大孔深达22m。直径90mm的钻孔试验了17个循环，共打55个钻孔，累计孔长810m，平均孔深14．7mo直径110M的钻孔试验了43个循环，共打153个钻孔，累计孔长2185m，平均孔深14．3m。后一阶段共进行90个循环，汀391个钻孔，钻孔总长5170 m，平均孔深13．2m。后一阶段共有43个循环138个钻孔出现喷孔，且喷孔十分严重，最大一次喷出瓦斯278m3，钻屑2．5t。在150个循环的超前排放钻孔的试验和应用中，共钻孔599个，累计孔深达到8165m。
试验以来，在该巷道安全通过了8条断层，其中落差3m的2条，2．5m的2条．1．2m的2条，0．8m的2条。8个月掘进1208m末发生突出，掘进综合月进度最高达203m，平均综合月进度为15l m．是试验前的1．93倍。目前，试验研究成功的机掘面防突措施的一整套技术正在逐步推广应用，已安全、快速掘进六干余米煤巷未发生突出，使机掘面防突取得了创造性进展，为煤矿推广使用机械化掘进起到了积极作用。

（五）安全技术措施
(1) 保证通风系统合理"要求瓦斯检查员加强系统巷道和通风设施的检查,发现巷道变形或片帮冒顶!矿车材料等杂物堆积堵塞巷道或者巷道通风设施损坏等情况时,及时安排专人处理,确保通风线路畅通无阻"
(2) 保证安全监测装置灵敏准确"要求监测人员每天必须对工作面断电监测仪器进行校对检查,当瓦斯浓度超限时能及时切断工作面进回风巷所有电器设备"
(3)严格执行放炮停电撤人制度"工作面放炮时要切断工作面及回风巷内所有电器设备电源,人员全部撤到进风巷内且距放炮地点不小于100m,并关闭反向风门"
(4)严格压风自救和自救器的管理"工作面按规定安设足够的压风自救装置,且保证管路畅通和24h不停风;并要求凡进入该地区的工作人员必须全部携带自救器,否则严禁入内"
(5)要求班长下井必须检查工作面瓦斯浓度"

参考文献:
[1] 秦忠诚. 严正方.王同旭. 构造复杂煤层开采方法. 徐州:中国矿大出版社,2003.2.
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[3] 吴中立. 矿井通风与安全[M]. 徐州:中国矿大出版社,1995.1.
[4] 张幼蒂,王玉浚. 采矿系统工程[M]. 徐州:中国矿大出版社,2000.1.
[5] 李中锋. 平顶山矿区煤与瓦斯突出特征及对策. 煤炭科学技术,1999年第27卷第5期.