1煤與瓦斯突出的機理、類型與一般規(guī)律

11煤與瓦斯突出的機理

許多國家對煤與瓦斯突出機理的研究都很重視,并取得了一定成果,但由于突出機理的復(fù)雜性及突出現(xiàn)象的多樣性,目前對突出機理的認識仍處于假說階段。國外對煤與瓦斯突出機理的認識可歸納為4種:地應(yīng)力假說、瓦斯作用假說、化學(xué)本質(zhì)假說和綜合作用假說。

我國從60年代起就對突出煤層的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯賦存狀態(tài)、煤的物理力學(xué)性能等開展了一系列的研究,根據(jù)現(xiàn)場資料和實驗研究對突出機理進行了探討,提出了新的見解和觀點,概括起來主要有中心擴張學(xué)說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩(wěn)理論、球殼失穩(wěn)理論等。此外中國科學(xué)院力學(xué)研究所從力學(xué)角度對突出過程做了大量的研究工作,并提出了突出破壞過程及瓦斯?jié)B流的機制方程。

12煤與瓦斯突出的類型

煤與瓦斯的突出包括:煤與甲烷突出、巖石與甲烷突出、煤與CO2突出、巖石與CO2突出等。由于突出時的原動力和所表現(xiàn)現(xiàn)象的不同,煤與瓦斯突出可分為突出、傾出、壓出3種情況。

13煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

(1)突出的次數(shù)和強度隨開采的深度增加而增加;

(2)突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地區(qū),如褶曲、斷層處及巖漿侵入地區(qū);

(3)煤體破壞程度越嚴重,煤的強度越小,突出危險性越大;

(4)煤層中的厚度大、傾角大或其厚度和傾角發(fā)生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區(qū),容易發(fā)生突出;

(5)掘進工作面應(yīng)力集中的地區(qū)易發(fā)生突出;

(6)在外力沖擊作用下,如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動,誘導(dǎo)瓦斯發(fā)生突出;

(7)圍巖的透氣性越差、致密的巖層越厚,煤層的瓦斯含量越高,其突出的危險性也就越大;

(8)突出多發(fā)生在揭煤和煤層掘進工作面;

(9)在突出前大都出現(xiàn)預(yù)兆。

2煤與瓦斯突出的預(yù)測

21突出預(yù)測方法的分類

按預(yù)測預(yù)報范圍和時間的不同,預(yù)測方法可分為3類:第一是區(qū)域性預(yù)測,主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險性;第二是局部預(yù)測,它是在區(qū)域性的基礎(chǔ)上,根據(jù)鉆探、采掘工程等資料,進一步對局部地區(qū)或要點的突出危險性作出判斷;第三是日常預(yù)測,它是在區(qū)域性預(yù)測、局部預(yù)測的基礎(chǔ)上,根據(jù)突出預(yù)兆的各種異常效應(yīng),對突出危險發(fā)出警告。

22國內(nèi)外煤與瓦斯突出的預(yù)測方法

221微震技術(shù)預(yù)測突出危險性

研究表明,煤和圍巖受力破壞過程中發(fā)生破裂和震動,當從震源傳出震波或聲波的強度和頻率增加到一定數(shù)值時,可能出現(xiàn)煤的突然破壞,發(fā)生突出。突出是由連續(xù)的多起斷裂引起的,而且異常的微震發(fā)射通常在斷裂之前5~45s內(nèi)產(chǎn)生,故微震法作為突出預(yù)報方法,有其廣闊的應(yīng)用前景。俄羅斯在地震聲學(xué)預(yù)測方法中取得了較好的研究成果。

222煤層溫度狀況預(yù)測突出的危險性

溫度狀況預(yù)測突出危險性的理論根據(jù)是:瓦斯解吸時吸熱,導(dǎo)致煤層溫度降低。溫度降低越多,說明煤層瓦斯解吸能力越強,則突出危險性越大。

前蘇聯(lián)NA雷任科等學(xué)者,對采掘工作面近工作面地段的煤體溫度狀況進行了考察研究,用于突出危險性日常預(yù)測,并對掘進中發(fā)生的6次突出全部作出了預(yù)報。原蘇聯(lián)的另一些學(xué)者,采用近工作面地帶的溫度與煤體原始溫度之差作為突出預(yù)測指標,該預(yù)測方法被原蘇聯(lián)防突委員會推薦使用。

223煤層中涌出的氦或氡濃度的變化預(yù)測突出

研究表明在地震之前不僅有氡的反常涌出現(xiàn)象,而且有氦的反常涌出。前蘇聯(lián)學(xué)者考察了頓涅茨煤田中2個不突出煤層和4個突出煤層的氦含量后指出:自由釋放的瓦斯中,氦含量高,瓦斯壓力也相應(yīng)的高。煤中涌出的氦可以作為預(yù)測突出的一個指標,該項目正在繼續(xù)進行。

224電磁輻射強度預(yù)測突出危險

電磁輻射(EME)是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現(xiàn)象,與煤巖體的受載狀況及變形破裂過程密切相關(guān)。采用電磁輻射法預(yù)測煤與瓦斯突出的優(yōu)點是:電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災(zāi)害動力現(xiàn)象的主要影響因素;可實現(xiàn)真正的非接觸預(yù)測,無需打鉆,對生產(chǎn)影響小,易于實現(xiàn)定向及區(qū)域性預(yù)測,不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響;可實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)監(jiān)測及預(yù)報,能夠反映含瓦斯煤體的動態(tài)變化過程;既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位,又能檢驗防突措施的效果。

目前巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究取得了很多有益的成果,研究表明:在煤巖層受力變形破壞過程中會產(chǎn)生電磁輻射,電磁輻射強度取決于所受力的大小和煤巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院利用這一原理研制的煤與瓦斯突出危險探測儀,在四川芙蓉礦務(wù)局進行了實際應(yīng)用,取得了較好的效果。

225神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行突出預(yù)測

煤與瓦斯突出,其發(fā)生是由地應(yīng)力、高壓瓦斯、煤的結(jié)構(gòu)性能、地質(zhì)構(gòu)造、煤厚變化、煤體結(jié)構(gòu)及圍巖特征諸多因素決定的。突出災(zāi)害的發(fā)生是極不規(guī)則的,其所處的系統(tǒng)是一個不斷變化的系統(tǒng),各種力學(xué)作用與這些作用所形成的地質(zhì)體,大多數(shù)都處于復(fù)雜的非線性狀態(tài)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的出現(xiàn),為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過樣本來“學(xué)習(xí)”的能力,一方面區(qū)別于傳統(tǒng)的各種預(yù)測方法,實際應(yīng)用時無須做出因素與突出相關(guān)關(guān)系的任何假設(shè),只需將實際數(shù)據(jù)直接提供給網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練;另一方面訓(xùn)練完成后的網(wǎng)絡(luò)能以任何精度逼近真值(只要訓(xùn)練數(shù)據(jù)足夠多),能夠抽提、捕捉隱藏在歷史數(shù)據(jù)中的規(guī)律,尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規(guī)律,這些優(yōu)點是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

3煤與瓦斯突出預(yù)兆及其防治

31煤與瓦斯突出預(yù)兆

煤與瓦斯突出前一般都有預(yù)兆,沒有預(yù)兆的突出是極少數(shù)的。突出預(yù)兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個階段”,各階段的顯現(xiàn)程度和處理原則各不相同。

32煤與瓦斯突出的防治措施

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象,因其具有突發(fā)性、不完全的可知性,很難完全防止它的產(chǎn)生。但是如果開展突出預(yù)測并采取行之有效的防治措施,仍可做到不發(fā)生或減少傷亡事故的發(fā)生。目前防治煤與瓦斯突出工作,已不是單一的技術(shù)措施,而是一套完整的綜合防治突出的系統(tǒng)工程。

防治突出首先要摸清楚它發(fā)生的地區(qū)、范圍,采取必要的防治措施,改變其發(fā)生突出應(yīng)具備的基本條件,使其不發(fā)生或降低其突出強度,并采取必要的安全防護措施,重點要抓好以下幾點工作。

321揭煤防突

目前國內(nèi)大都采用遠距離震動放炮的方法揭開煤層,揭煤防突主要是把好“七關(guān)”。

設(shè)計關(guān):進行煤巷道的設(shè)計時,要避開地質(zhì)構(gòu)造帶和應(yīng)力集中區(qū);

施工關(guān):巷道和抽放鉆孔必須按設(shè)計施工,落實到實處;

驗收關(guān):巷道和抽放鉆孔必須有專人驗收,確保質(zhì)量;

封孔關(guān):凡有礦井系統(tǒng)抽放和局部抽放系統(tǒng)的礦井,應(yīng)采用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝、新材料,確保封孔質(zhì)量,提高抽放效果;

抽放卸壓關(guān):應(yīng)按表計算,掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數(shù);

檢驗關(guān):必須按照頒發(fā)的防突細則的有關(guān)規(guī)定進行效果檢驗,符合要求后方準揭煤;

二次卸壓關(guān):揭煤前可再打一組卸壓孔,進行二次卸壓。

322煤巷掘進防突

國內(nèi)外實踐證明,煤與瓦斯突出多發(fā)生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出,應(yīng)用超前排放鉆孔、淺孔松動爆破、深孔控制爆破、預(yù)抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結(jié)合的綜合防突措施。在一般和中等程度突出危險區(qū)域,大部分采取打少數(shù)超前卸壓鉆孔的方法解突;在嚴重突出危險區(qū)域,大都采用超前鉆孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

323大傾角不穩(wěn)定煤層防突

在大傾角不穩(wěn)定煤層中,重點采取超前密集鉆孔和煤層注水防突措施。超前密集鉆孔是通過煤體前方的鉆孔使煤體應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移,鉆孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放,使掘進頭前方一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力、低瓦斯區(qū),達到防突或降低突出強度的目的。

目前國內(nèi)外都不同程度地應(yīng)用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性,實驗測試結(jié)果表明:濕潤煤的瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%~27%,當煤樣吸水飽和后,濕煤較干煤的透氣系數(shù)要下降一個數(shù)量級。國內(nèi)外不少礦井煤層注水后的實際結(jié)果表明,注水結(jié)束后打開鉆孔時幾乎沒有瓦斯涌出現(xiàn)象,在注水進行采掘時,瓦斯涌出量明顯下降,并且放炮后的瓦斯涌出量比較均勻。

篇2:煤與瓦斯突出預(yù)測及防治措施

1煤與瓦斯突出的機理、類型與一般規(guī)律

11煤與瓦斯突出的機理

許多國家對煤與瓦斯突出機理的研究都很重視,并取得了一定成果,但由于突出機理的復(fù)雜性及突出現(xiàn)象的多樣性,目前對突出機理的認識仍處于假說階段。國外對煤與瓦斯突出機理的認識可歸納為4種:地應(yīng)力假說、瓦斯作用假說、化學(xué)本質(zhì)假說和綜合作用假說。

我國從60年代起就對突出煤層的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯賦存狀態(tài)、煤的物理力學(xué)性能等開展了一系列的研究,根據(jù)現(xiàn)場資料和實驗研究對突出機理進行了探討,提出了新的見解和觀點,概括起來主要有中心擴張學(xué)說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩(wěn)理論、球殼失穩(wěn)理論等。此外中國科學(xué)院力學(xué)研究所從力學(xué)角度對突出過程做了大量的研究工作,并提出了突出破壞過程及瓦斯?jié)B流的機制方程。

12煤與瓦斯突出的類型

煤與瓦斯的突出包括:煤與甲烷突出、巖石與甲烷突出、煤與co2突出、巖石與co2突出等。由于突出時的原動力和所表現(xiàn)現(xiàn)象的不同,煤與瓦斯突出可分為突出、傾出、壓出3種情況。

13煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

(1)突出的次數(shù)和強度隨開采的深度增加而增加;

(2)突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地區(qū),如褶曲、斷層處及巖漿侵入地區(qū);

(3)煤體破壞程度越嚴重,煤的強度越小,突出危險性越大;

(4)煤層中的厚度大、傾角大或其厚度和傾角發(fā)生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區(qū),容易發(fā)生突出;

(5)掘進工作面應(yīng)力集中的地區(qū)易發(fā)生突出;

(6)在外力沖擊作用下,如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動,誘導(dǎo)瓦斯發(fā)生突出;

(7)圍巖的透氣性越差、致密的巖層越厚,煤層的瓦斯含量越高,其突出的危險性也就越大;

(8)突出多發(fā)生在揭煤和煤層掘進工作面;

(9)在突出前大都出現(xiàn)預(yù)兆。

2煤與瓦斯突出的預(yù)測

21突出預(yù)測方法的分類

按預(yù)測預(yù)報范圍和時間的不同,預(yù)測方法可分為3類:第一是區(qū)域性預(yù)測,主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險性;第二是局部預(yù)測,它是在區(qū)域性的基礎(chǔ)上,根據(jù)鉆探、采掘工程等資料,進一步對局部地區(qū)或要點的突出危險性作出判斷;第三是日常預(yù)測,它是在區(qū)域性預(yù)測、局部預(yù)測的基礎(chǔ)上,根據(jù)突出預(yù)兆的各種異常效應(yīng),對突出危險發(fā)出警告。

22國內(nèi)外煤與瓦斯突出的預(yù)測方法

221微震技術(shù)預(yù)測突出危險性

研究表明,煤和圍巖受力破壞過程中發(fā)生破裂和震動,當從震源傳出震波或聲波的強度和頻率增加到一定數(shù)值時,可能出現(xiàn)煤的突然破壞,發(fā)生突出。突出是由連續(xù)的多起斷裂引起的,而且異常的微震發(fā)射通常在斷裂之前5~45s內(nèi)產(chǎn)生,故微震法作為突出預(yù)報方法,有其廣闊的應(yīng)用前景。俄羅斯在地震聲學(xué)預(yù)測方法中取得了較好的研究成果。

222煤層溫度狀況預(yù)測突出的危險性

溫度狀況預(yù)測突出危險性的理論根據(jù)是:瓦斯解吸時吸熱,導(dǎo)致煤層溫度降低。溫度降低越多,說明煤層瓦斯解吸能力越強,則突出危險性越大。

前蘇聯(lián)na雷任科等學(xué)者,對采掘工作面近工作面地段的煤體溫度狀況進行了考察研究,用于突出危險性日常預(yù)測,并對掘進中發(fā)生的6次突出全部作出了預(yù)報。原蘇聯(lián)的另一些學(xué)者,采用近工作面地帶的溫度與煤體原始溫度之差作為突出預(yù)測指標,該預(yù)測方法被原蘇聯(lián)防突委員會推薦使用。

223煤層中涌出的氦或氡濃度的變化預(yù)測突出

研究表明在地震之前不僅有氡的反常涌出現(xiàn)象,而且有氦的反常涌出。前蘇聯(lián)學(xué)者考察了頓涅茨煤田中2個不突出煤層和4個突出煤層的氦含量后指出:自由釋放的瓦斯中,氦含量高,瓦斯壓力也相應(yīng)的高。煤中涌出的氦可以作為預(yù)測突出的一個指標,該項目正在繼續(xù)進行。

224電磁輻射強度預(yù)測突出危險

電磁輻射(eme)是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現(xiàn)象,與煤巖體的受載狀況及變形破裂過程密切相關(guān)。采用電磁輻射法預(yù)測煤與瓦斯突出的優(yōu)點是:電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災(zāi)害動力現(xiàn)象的主要影響因素;可實現(xiàn)真正的非接觸預(yù)測,無需打鉆,對生產(chǎn)影響小,易于實現(xiàn)定向及區(qū)域性預(yù)測,不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響;可實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)監(jiān)測及預(yù)報,能夠反映含瓦斯煤體的動態(tài)變化過程;既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位,又能檢驗防突措施的效果。

目前巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究取得了很多有益的成果,研究表明:在煤巖層受力變形破壞過程中會產(chǎn)生電磁輻射,電磁輻射強度取決于所受力的大小和煤巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院利用這一原理研制的煤與瓦斯突出危險探測儀,在四川芙蓉礦務(wù)局進行了實際應(yīng)用,取得了較好的效果。

225神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行突出預(yù)測

煤與瓦斯突出,其發(fā)生是由地應(yīng)力、高壓瓦斯、煤的結(jié)構(gòu)性能、地質(zhì)構(gòu)造、煤厚變化、煤體結(jié)構(gòu)及圍巖特征諸多因素決定的。突出災(zāi)害的發(fā)生是極不規(guī)則的,其所處的系統(tǒng)是一個不斷變化的系統(tǒng),各種力學(xué)作用與這些作用所形成的地質(zhì)體,大多數(shù)都處于復(fù)雜的非線性狀態(tài)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的出現(xiàn),為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過樣本來“學(xué)習(xí)”的能力,一方面區(qū)別于傳統(tǒng)的各種預(yù)測方法,實際應(yīng)用時無須做出因素與突出相關(guān)關(guān)系的任何假設(shè),只需將實際數(shù)據(jù)直接提供給網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練;另一方面訓(xùn)練完成后的網(wǎng)絡(luò)能以任何精度逼近真值(只要訓(xùn)練數(shù)據(jù)足夠多),能夠抽提、捕捉隱藏在歷史數(shù)據(jù)中的規(guī)律,尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規(guī)律,這些優(yōu)點是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

3煤與瓦斯突出預(yù)兆及其防治

31煤與瓦斯突出預(yù)兆

煤與瓦斯突出前一般都有預(yù)兆,沒有預(yù)兆的突出是極少數(shù)的。突出預(yù)兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個階段”,各階段的顯現(xiàn)程度和處理原則各不相同。

32煤與瓦斯突出的防治措施

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象,因其具有突發(fā)性、不完全的可知性,很難完全防止它的產(chǎn)生。但是如果開展突出預(yù)測并采取行之有效的防治措施,仍可做到不發(fā)生或減少傷亡事故的發(fā)生。目前防治煤與瓦斯突出工作,已不是單一的技術(shù)措施,而是一套完整的綜合防治突出的系統(tǒng)工程。

防治突出首先要摸清楚它發(fā)生的地區(qū)、范圍,采取必要的防治措施,改變其發(fā)生突出應(yīng)具備的基本條件,使其不發(fā)生或降低其突出強度,并采取必要的安全防護措施,重點要抓好以下幾點工作。

321揭煤防突

目前國內(nèi)大都采用遠距離震動放炮的方法揭開煤層,揭煤防突主要是把好“七關(guān)”。

設(shè)計關(guān):進行煤巷道的設(shè)計時,要避開地質(zhì)構(gòu)造帶和應(yīng)力集中區(qū);

施工關(guān):巷道和抽放鉆孔必須按設(shè)計施工,落實到實處;

驗收關(guān):巷道和抽放鉆孔必須有專人驗收,確保質(zhì)量;

封孔關(guān):凡有礦井系統(tǒng)抽放和局部抽放系統(tǒng)的礦井,應(yīng)采用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝、新材料,確保封孔質(zhì)量,提高抽放效果;

抽放卸壓關(guān):應(yīng)按表計算,掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數(shù);

檢驗關(guān):必須按照頒發(fā)的防突細則的有關(guān)規(guī)定進行效果檢驗,符合要求后方準揭煤;

二次卸壓關(guān):揭煤前可再打一組卸壓孔,進行二次卸壓。

322煤巷掘進防突

國內(nèi)外實踐證明,煤與瓦斯突出多發(fā)生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出,應(yīng)用超前排放鉆孔、淺孔松動爆破、深孔控制爆破、預(yù)抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結(jié)合的綜合防突措施。在一般和中等程度突出危險區(qū)域,大部分采取打少數(shù)超前卸壓鉆孔的方法解突;在嚴重突出危險區(qū)域,大都采用超前鉆孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

323大傾角不穩(wěn)定煤層防突

在大傾角不穩(wěn)定煤層中,重點采取超前密集鉆孔和煤層注水防突措施。超前密集鉆孔是通過煤體前方的鉆孔使煤體應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移,鉆孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放,使掘進頭前方一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力、低瓦斯區(qū),達到防突或降低突出強度的目的。

目前國內(nèi)外都不同程度地應(yīng)用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性,實驗測試結(jié)果表明:濕潤煤的瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%~27%,當煤樣吸水飽和后,濕煤較干煤的透氣系數(shù)要下降一個數(shù)量級。國內(nèi)外不少礦井煤層注水后的實際結(jié)果表明,注水結(jié)束后打開鉆孔時幾乎沒有瓦斯涌出現(xiàn)象,在注水進行采掘時,瓦斯涌出量明顯下降,并且放炮后的瓦斯涌出量比較均勻。