淺析煤與瓦斯突出預(yù)測及防治措施
淺析煤與瓦斯突出的預(yù)測及防治措施
作者：顏文星
引 言
煤與瓦斯突出是一個能量釋放過程，在這一過程中，首先是能量的積聚，這個能量包括瓦斯、地應(yīng)力等。煤層內(nèi)的瓦斯含量、瓦斯壓力和地應(yīng)力隨地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的不同存在著較大的差異。由于地質(zhì)構(gòu)造帶存在著一定的構(gòu)造應(yīng)力，所以，在構(gòu)造帶儲存有較高的煤巖彈性應(yīng)變能，突出危險性較大；并且在這些區(qū)域，煤層裂隙較為發(fā)育，瓦斯含量和壓力往往較高，所以瓦斯內(nèi)能較大，突出危險性較大。同時，在地質(zhì)構(gòu)造帶，由于煤巖層受到不同程度的破壞，煤層的堅固性系數(shù)往往較低，軟分層較為發(fā)育，相對而言抵抗突出破壞的能力較差，所以成為突出的多發(fā)區(qū)域。江西建新煤礦（90萬噸/年）為高瓦斯突出礦井，9#煤層為高瓦斯威脅煤層，2916工作面屬于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，所以在該區(qū)域中的瓦斯預(yù)測、防突技術(shù)和防突管理，是礦井安全掘進(jìn)的重要保障。
摘 要 煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出是煤礦井下最重的自然災(zāi)害之一,它嚴(yán)重制約著煤炭的正常生產(chǎn),同時也危及工作人員的生命安全。煤與瓦斯突出預(yù)測是煤礦瓦斯安全管理的前提和基礎(chǔ)。開展煤與瓦斯突出方面的研究能有效地加強(qiáng)瓦斯危機(jī)預(yù)警和防治工作的針對性,從而減少瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。在總結(jié)分析煤與瓦斯突出機(jī)理、突出類型、突出條件、突出一般規(guī)律和影響因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了煤與瓦斯突出預(yù)測的各種方法及針對性防治措施，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是預(yù)測煤與瓦斯突出非線性問題是最有前景的方法。
關(guān)鍵詞 煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出 預(yù)測 防治措施
一、煤與瓦斯突出的機(jī)理、類型與一般規(guī)律
1、煤與瓦斯突出的機(jī)理
世界國對煤與瓦斯突出機(jī)理的研究都很重視，也取得了一定成果，但由于突出機(jī)理的復(fù)雜性及突出現(xiàn)象的多樣性，目前對突出機(jī)理的認(rèn)識仍處于假說階段。一般對煤與瓦斯突出機(jī)理的認(rèn)識可歸納為四種：地應(yīng)力論、瓦斯作用論、化學(xué)本質(zhì)論和綜合作用論。
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(shí)驗(yàn)研究對突出機(jī)理進(jìn)行了探討，提出了新的見解和觀點(diǎn)，概括起來主要有中心擴(kuò)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(jī)制方程。
2、煤與瓦斯突出的類型
煤與瓦斯的突出包括：煤與瓦斯突出、巖石與瓦斯突出、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然涌出、急速傾出、較慢壓出三種情況。 除壓出主要是瓦斯或CO2氣體外，前二種為煤塵固體和 瓦斯或CO2氣體同時涌出。
3、煤與瓦斯突出的一般規(guī)律
1）、突出的次數(shù)和強(qiáng)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(yán)重，煤的強(qiáng)度越小，突出危險性越大；
4）、煤層厚度大、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(jìn)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(jī)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(jìn)工作面；
9）、在突出前大多數(shù)都會出現(xiàn)預(yù)兆。
二、煤與瓦斯突出的預(yù)測
1、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(jìn)一步對局部地區(qū)或要點(diǎn)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。
2、目前對煤與瓦斯突出的預(yù)測方法
1）、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(dāng)從震源傳出震波或聲波的強(qiáng)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。
2）、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(qiáng)，則突出危險性越大。
國外對采掘工作面近工作面地段的煤體溫度狀況進(jìn)行了考察研究，用于突出危險性日常預(yù)測，并對掘進(jìn)中發(fā)生的6次突出全部作出了預(yù)報。原蘇聯(lián)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(biāo)，該預(yù)測方法被原蘇聯(lián)防突委員會推薦使用。
3）、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(biāo)，該項(xiàng)目正在繼續(xù)進(jìn)行。
4）、電磁輻射強(qiáng)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(qiáng)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(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。
5）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)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(shí)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(shí)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(rèn)識和揭示的規(guī)律，這些優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)方法無法比擬的。
三、煤與瓦斯突出預(yù)兆及其防治
1、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”：一是突出前瓦斯在煤（巖）體內(nèi)能量聚集階段；二是大突出前的少量瓦斯壓出階段，此時工作面瓦斯?jié)舛燃眲∩?；三是若能量夠大就發(fā)生大量瓦斯與煤塵涌出。各階段的顯現(xiàn)程度和處理原則各不相同。
2、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(qiáng)度，并采取必要的安全防護(hù)措施，重點(diǎn)要抓好以下幾點(diǎn)工作。
1）、揭煤防突
目前大都采用遠(yuǎn)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(jìn)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(shí)到實(shí)處；
驗(yàn)收關(guān)：巷道和抽放鉆孔必須有專人驗(yàn)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(yàn)關(guān)：必須按照頒發(fā)的防突細(xì)則的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行效果檢驗(yàn)，符合要求后方準(zhǔn)揭煤；
二次卸壓關(guān)：揭煤前可再打一組卸壓孔，進(jìn)行二次卸壓。
2）、煤巷掘進(jìn)防突
實(shí)踐證明，煤與瓦斯突出多發(fā)生在煤巷掘進(jìn)過程中。為了有效地防治煤巷掘進(jìn)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(yán)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。
3）、大傾角不穩(wěn)定煤層防突
在大傾角不穩(wěn)定煤層中，重點(diǎn)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(jìn)頭前方一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力、低瓦斯區(qū)，達(dá)到防突或降低突出強(qiáng)度的目的。
目前都不同程度地應(yīng)用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：濕潤煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可達(dá)常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%，當(dāng)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(shí)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(jìn)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。
四、采面防突實(shí)例
1、試驗(yàn)區(qū)域情況
建新煤礦2916工作面位于井田西翼二水平一采區(qū)，標(biāo)高一302—397m，工作面全長1030m，傾向?qū)?span lang="EN-US">120m，沿走向布置。東以二采區(qū)中部運(yùn)輸上山為界，西(2916切眼)靠近F12礦井邊界斷層，風(fēng)巷與設(shè)計2944工作面為界，機(jī)巷靠近2948采空區(qū)。工作面平均煤厚2．2m，煤層厚度變化較大，靠近斷層處煤層有拉薄現(xiàn)象，變異系數(shù)20％；煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含1～2層夾矸，夾矸為灰黑色泥巖，平均厚度0．1m。本工作面構(gòu)造較復(fù)雜。煤層產(chǎn)狀局部有起伏，受區(qū)域構(gòu)造力作用，小斷層較為發(fā)育。2916工作面煤層瓦斯含量為26m3／t,煤層含有二層軟分層。煤層傾角22°左右。
2、防突技術(shù)
建新煤礦2916煤層為高瓦斯突出威脅煤層，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，并結(jié)合礦井施工區(qū)域的特殊性在2916煤層掘進(jìn)及回采期間，采用“超前鉆孔預(yù)抽瓦斯加四位一體”綜合防突措施，工作流程如圖所示：
感谢您访问我们的网站，您可能还对以下资源感兴趣：