煤矿瓦斯突出防治成果

第三节　煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出及预防

一、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的机理

煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内（几秒到几分钟），从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间喷出大量煤（岩）和瓦斯的现象，称为煤（岩）与瓦斯突出，简称瓦斯突出或突出。它是矿井瓦斯的异常涌出形式，也是一种致因和规律都很复杂的动力现象。它所产生的高速瓦斯流（含煤粉或岩粉）能摧毁井下巷道及设施，破坏通风系统，造成人员窒息，煤流埋人，甚至引起瓦斯燃烧和爆炸事故。因此，它是煤矿井下最严重的灾害之一。

煤与瓦斯突出有以下基本特征:

（1）突出的煤向外抛出距离较远，具有分选现象；

（2）抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；

（3）抛出的煤破碎程度高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉；

（4）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；

（5）有大量的瓦斯（二氧化碳）涌出，瓦斯（二氧化碳）涌出量远远超过突出煤的瓦斯（二氧化碳）含量，有时会使风流逆转；

（6）突出孔洞呈口小腔大的梨形、倒瓶形以及其他分岔形等。

解释突出的起因和突出过程中各主要因素的作用及相互关系的理论叫做机理。突出是十分复杂的自然现象，迄今为止，人们对于突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在定性与假说性阶段，对于突出过程中哪些因素起主要作用以及与其他因素间的作用机理还把握不准，故而只能对某些突出现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。目前这些关于煤与瓦斯突出机理的假说有单因素作用假说、地压主导作用假说、化学本质作用假说、综合作用假说等。在众多的假说中，多数人公认的是综合作用假说。该假说认为，煤与瓦斯突出是地压、瓦斯压力和煤（或岩体）的物理力学性质综合作用的结果。其中，地压是发动突出的因素，是破坏煤体的主要动力；瓦斯压力是完成突出过程的主要因素，是抛出煤体并进一步破碎煤体的主要动力；而煤的物理力学性质决定了突出发生、发展的难易程度，起着阻碍突出的作用。

突出煤体经历着能量的积聚过程，使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态。突出的发展过程一般可划分为以下四个阶段:

（1）准备阶段。该阶段的特点是:在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。即在有利的约束条件下，煤内地应力梯度急剧增高，能够叠加着各种地应力，形成很高的应力集中，积聚着很大的变形能；同时由于孔隙裂隙的压缩，使瓦斯压力增高.瓦斯内能也增大。在这个阶段，会显现多种有声的与无声的突出预兆。准备阶段的时间可在很大范围内变化，也可在几秒钟内完成（如在震动放炮或顶板动能冲击条件下）。

（2）激发阶段。该阶段的特点是地应力状态突然改变，即极限应力状态的部分煤体突然破坏，卸载（卸压）并发生巨响和冲击；向巷道方向作用的瓦斯压力的推力由于煤体的破裂，顿时增加几倍到十几倍，伴随着裂隙的生成与扩张，膨胀瓦斯流开始形成。大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。大量的突出实例表明，工作面的多种作业都可以引起应力状态的突变而激发突出。例如各种方式的落煤、打眼、刨柱窝、修整工作面煤壁等都可以人为激发突出，而且统计表明，应力状态变化越剧烈，突出的强度越大。因此，震动放炮、一般爆破均容易引发突出的工序。

（3）发展阶段。该阶段具有两个互相关联的特点:一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体；二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。前者是在地应力与瓦斯压力共同作用下完成的，后者主要是瓦斯内能做功的过程。煤的粉化程度、游离瓦斯含量、瓦斯放散初速度、解吸的瓦斯量以及突出孔周围的卸压瓦斯流，对瓦斯风暴的形成与发展起着决定作用。在该阶段中煤的剥离与破碎不仅具有脉冲的特征，而且有时是可轮回的过程。这可以从突出物的多轮回堆积特征中得到证实，也可以从突出过程实测记录中找到依据。

（4）终止阶段。突出的终止有以下两种情况:一是在剥离和破碎煤体的扩展中遇到了较硬的煤体或地应力与瓦斯压力降低不足以破坏煤体；二是突出孔道被堵塞，其孔壁由突出物支撑建立起新的拱平衡或孔洞瓦斯压力因其被堵塞而升高，地应力与瓦斯压力梯度不足以剥离和破碎煤体。但是，这时突出虽然停止了，而突出孔周围的卸压区与突出的煤涌出瓦斯的过程并没有停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长的时间。

地应力、瓦斯压力和煤强度在突出过程中各个阶段所起的作用可以是不同的。在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力（包括重力应力、地质构造应力、采动引起的集中应力以及煤吸附瓦斯引起的附加应力等）。因为地应力的大小通常比瓦斯压力高几倍，而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯内能。根据对若干典型突出实例的统计数据进行计算，在突出过程中瓦斯提供的能量比地应力弹性能高3～6倍以上。压出和倾出时煤体的最初破碎的主导力也是地应力。

在极少数突出实例中也可以看到瓦斯压力为主导力发动突出的现象，这时需要很大的瓦斯压力梯度与非常低的煤强度。突出煤的重要力学特征是强度低和具有揉皱破碎结构，即所谓“构造煤”，这种煤处于约束状态时可以储存较高的能量，并使透气性锐减形成危险的瓦斯压力梯度；而当处于表面状态时，它极易破坏粉碎，放散瓦斯的初速度高、释放能量的功率大。因此，当应力状态突然改变或者从约束状态突然变为表面状态时容易激发突出。

地应力在突出过程中的主要作用为:①激发突出；②在发展阶段中与瓦斯压力梯度联合作用对煤体进行剥离、破碎；③影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙，控制着瓦斯的流动、卸压瓦斯流和瓦斯解吸过程，当煤体突然破坏时，伴随着卸压过程、新旧裂隙系统连通起来并处于开放状态，顿时显现卸压流动效应，形成可以携带破碎煤的有压力的膨胀瓦斯风暴。

瓦斯在突出过程中的主要作用为:①在某些场合，当能形成高瓦斯压力梯度（如2MPa/m）时，瓦斯可独立激发突出。在自然条件下，由于有地应力配合，可以不需要这样高的瓦斯压力梯度就可以激发突出；②发展与实现突出的主要因素。在突出的发展阶段中，瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向探部传播；③膨胀着的具有压力的瓦斯风暴不断地把破碎的煤运走、加以粉碎，并使新暴露的突出孔壁附近保持着较高的地应力梯度与瓦斯压力梯度，为连续剥离煤体准备好必要条件。从这个意义上说，突出的发展或终止将取决于破碎煤炭被运出突出孔的程度，及时而流畅地运走突出物会促进突出的发展，反之突出孔被堵塞时，突出孔壁的瓦斯压力梯度骤降，可以阻止突出的发展，以致使突出停止下来。

二、煤与瓦斯（二氧化碳）突出的一般规律

国内外煤与瓦斯突出的统计资料表明，煤与瓦斯突出的发生有以下规律:

（1）突出发生在一定的采掘深度以后。随着深度的增加，突出的危险性增高，突出次数增多，强度增大，突出危险区域扩大以及突出煤层数增加。

（2）突出大多发生在地质构造带，如断层、褶曲、扭转和火成岩侵入区附近。

（3）突出多发生在采掘工作形成的集中应力区。如邻近层煤柱上下、相向采掘接近处、两巷贯通之前的煤柱内、采掘工作面附近的应力集中区等。在这些地区不仅发生突出次数多，强度也较大。

（4）突出与煤层瓦斯压力有关。在同一煤层中瓦斯压力越高的区域，突出危险性越大。不同煤层，其瓦斯压力与突出危险性之间没有直接的联系，这是因为突出是多种因素综合作用的结果。通常突出危险煤层的瓦斯压力一般在0.7～1MPa，瓦斯含量和开采时的相对瓦斯涌出量都在10m³/t以上。

（5）突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层厚度的增加而增多。突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层。

（6）突出大多发生在落煤时，尤其是爆破时更易诱导突出。

（7）突出煤层的特点是强度低（用手捻，煤能成粉末），变化大，透气性差，瓦斯散发量大，湿度小，层理紊乱，遭到地质构造严重破坏的煤层。

（8）突出前常有预兆发生。突出前的预兆主要表现在三个方面，即地压显现、瓦斯涌出及煤层结构的变化等。

1）地压显现预兆:煤炮声、支架断裂、煤岩开裂掉碴、底鼓、煤岩自行剥落、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔、顶钻、夹钻杆、钻机过负荷等。

2）瓦斯涌出预兆:瓦斯涌出异常、煤尘增大、气温异常、气味异常，打钻喷瓦斯、喷煤粉、哨声、蜂鸣声等。

3）煤层结构变化预兆:层理紊乱、强度降低、松软或不均质、暗淡等。

三、突出危险性预测

国内外突出煤层开采实践表明，煤与瓦斯突出具有明显的区域性，即便是在同一采区也不是所有的地点都会发生突出，突出地点仅占采掘面积的7%～15%。因此，预测煤与瓦斯突出危险性十分必要。

煤与瓦斯突出危险性预测分为区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测两大类。

区域突出危险性预测是对新矿井、新水平或新采区进行突出危险性分类，将其分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。因被预测的煤层还未被揭露，只能通过钻孔、煤样测定煤层中的瓦斯压力和化验煤样的物理力学性质，或用上水平、邻近矿井的瓦斯、地质资料进行类比得出结论。目前常用的方法有单项指标法、瓦斯地质统计法和综合指标法等几种。近几年来，又开展了用物探法对突出煤层进行区域预测的研究。

（1）单项指标法。采用该法时，各种指标的突出危险临界值应根据矿区实测资料确定，无实测数据时，可参考表3-6所列数据，表3-6中煤的破坏类型可参考表3-7所列特征进行确定。表3-8为我国某些矿井煤层在始突深度煤层的瓦斯压力和瓦斯含量值。由表3-8可以看出，各煤层始突深度的瓦斯压力皆大于0.74MPa，煤层瓦斯含量皆大于10m³/t。因此，上述两指标值可作为区域预测突出危险性的参考。小于上述指标值时，煤层无突出危险；等于或大于上述指标值时，有发生突出的可能。

表3-6　预测煤层突出危险性单项临界指标值

表3-7　煤的破坏类型特征

表3-8　煤层始突深度处的瓦斯压力与瓦斯含量表

工作面突出危险性预测包括石门揭煤工作面、煤巷掘进工作面和采煤工作面突出危险性预测。预测工作是在生产过程中进行的，又称为日常预测。目前，我国工作面突出危险性预测大都采用接触式预测方法，以钻孔排粉量、钻孔瓦斯涌出初速度或者钻屑瓦斯解吸特征作为日常预测突出危险性的判断依据。近十几年来，我国已开展了非接触式预测突出危险性的方法，如声发射（AE）技术、瓦斯涌出动态监测和电磁辐射预测等的研究，已取得了良好的预测效果。

（2）钻屑指标法。采用这一方法预测煤巷工作面突出危险性时，应在工作面打2个（对倾斜和急倾斜煤层）或3个（对缓倾斜煤层）直径为42mm、深为6m以上的钻孔。钻孔每打1m测定钻屑量1次，间隔2m取1次煤钻屑，测定瓦斯解吸指标△h₂，C、c或K1值，然后根据测出的指标值来预测突出危险性。为了提高突出预测准确度，有时采用综合考虑钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标的综合指标来预测工作面的突出危险性。德国采用钻屑量及钻屑特征作为预测指标，当钻屑量超过下列极限值或者出现某种征兆时，有突出危险:①直径为50mm的钻孔为8L/m，直径为95mm的钻孔为50L/m，直径为140mm的钻孔为90L/m；②突出危险的征兆是:粗钻屑增多，煤屑和瓦斯喷出等。

（3）钻孔瓦斯涌出初速度法。利用该法进行煤巷掘进工作面突出危险性预测时，应在距巷道两帮0.5m处各打一个平行于巷道掘进方向、直径为42mm、深度为3.5m的钻孔，然后用专门的封孔器封住孔底0.5m长的一段钻孔作为测量室，如图3-8所示。钻孔瓦斯涌出初速度用流量计进行测定，测定工作应在打完钻孔后2min内完成。钻孔瓦斯涌出初速度也是一个应用比较广泛且可靠性很高的指标。结果表明:当钻孔瓦斯涌出初速度小于5L/min时，绝大多数情况下煤层不发生突出，准确率高达98%。

确定预测突出的敏感指标是工作面预测突出危险性研究中的一项非常重要的内容。所谓敏感指标，是指对某一煤层工作面进行预测时，能够明显区分出突出危险和非突出危险的预测指标。实践表明，对于不同的地质条件可能有不同的敏感指标，不同的矿井也可能有不同的敏感指标，甚至对于同一工作面在不同的采掘工艺条件下可能会有不同的敏感指标。中国煤炭科学研究总院抚顺分院提出“三率”法:预测危险率、预测危险准确率、预测安全准确率。某一工作面的推进过程中，采用某一预测指标连续预测工作面的突出危险性，共预测了Y次，其中预测工作面危险YW次，预测工作面安全YA次，在预测工作面危险的YW次中，工作面实际危险次数为YBW次，在预测工作面安全的YA次中，工作面实际危险次数为YBA次。实际危险次数指实际发生的突出次数和打钻过程中出现瓦斯动力现象的预测次数。则:

预测危险率P_w＝YW/Y×100%

预测危险准确率P_wz＝YBW/YW×100%(www.chuimin.cn)

预测安全准确率P_Az＝（YA-YBA）/YA×100%

图3-8　钻孔布置图

1.巷道；2.钻孔；3.封孔器；4.测量室管；5.测量室

四、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出防治技术

防治突出的技术措施主要分为区域性防突措施和局部性防突措施两大类。

（一）区域性防突措施

区域性防突措施主要有开采保护层、预抽煤层瓦斯等方法。其中开采保护层是预防突出最有效、最经济的措施。

1.开采保护层

在突出矿井中，为消除或削弱相邻煤层的突出或冲击地压危险而先开采的煤层或矿层称为保护层，后开采的煤层或矿层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的称为上保护层，位于下方的称为下保护层。开采保护层应注意以下问题:

（1）如果煤层群中有几个保护层，应优先考虑上保护层。这样不但符合自上而下的开采顺序，而且被保护层同水平的巷道也能位于保护范围内。

（2）保护层内不得留有煤（岩）柱，以免造成应力集中引起突出。特殊情况需留煤（岩）柱时，必须将煤（岩）柱的位置和尺寸准确地标在采掘平面图上。每个被保护层的瓦斯地质图上，应标出煤（岩）柱的影响范围，在这个范围内进行采掘工作时，必须采取综合防治突出措施。

（3）矿井中所有煤层都有突出危险时，可选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，在此保护层的采掘过程中，必须采取防突措施。

2.预抽煤层瓦斯

开采保护层时，已有瓦斯抽放系统的矿井，应同时抽放被保护层的瓦斯。单一煤层和无保护层可采的突出危险煤层，经试验预抽瓦斯有效果时，也必须采用抽放瓦斯的措施。

煤层抽放瓦斯后，大量高压瓦斯的排出导致瓦斯潜能的释放，减弱了完成突出过程的主要动力；大量瓦斯的排出直接导致煤体强度的增大，增加了突出的阻力；另一方面，大量瓦斯的排出又导致煤体的卸压，释放了积蓄在煤体和围岩中的弹性能，减弱了发动突出的主要动力。在这些因素综合作用下，可消除突出危险。

（二）局部性防突措施

局部性防突措施主要在采掘工作面执行，是针对采掘工作面前方煤岩体一定范围消除突出危险性的措施。局部性防突措施有许多种，如深孔或浅孔松动爆破、震动爆破、超前钻孔、水力冲孔、卸压槽、超前支架等。

1.深孔控制卸压爆破

深孔控制卸压爆破是在煤巷掘进工作面正前方煤体中，打若干个25～30m深的钻孔，其中有直径为50～75mm的爆破孔和直径为90～120mm、不装药的控制孔。通过爆破，煤体内产生破碎圈带及松动圈带，使集中应力区移向煤体深部，同时加速排放高压瓦斯，从而达到防突目的。

为保证爆破孔的成孔质量和防止孔内积水，爆破孔必须采用风力排粉工艺打钻。钻机可选用3kW岩石电钻，钻架为组合式可调钻架。为了防止钻孔跑偏，保证布孔间距基本一致，钻头应选择具有一定定向能力的钻头。装药结构一般为散粉连续耦合装药，孔内敷设导爆索，正向起爆。封孔方式为压风喷泥连续封孔，封孔材料为黄土。

2.震动爆破

震动爆破是一种安全防护措施。它是在工作面布置较多的炮眼，装较多的炸药，全断面一次爆破，使承受地应力的含高压瓦斯的煤体在强大的震动力作用下突然暴露，造成最有利的突出条件。由于爆破前人员已撤到安全地点，所以即使诱导突出也不会伤人。

震动爆破常用于石门和立井揭煤。其揭穿煤层的效果取决于石门岩柱厚度、炮眼数目、炮眼布置和装药量等参数。

3.超前钻孔

超前钻孔是指在煤巷掘进工作面前方一定距离的煤体内，始终保持足够数量的排放瓦斯钻孔。它的作用是排放瓦斯，增加煤的强度，在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。

超前钻孔的孔数决定于巷道断面面积和瓦斯的有效排放半径，而瓦斯的有效排放半径必须经实测确定。钻孔的直径应根据煤层赋存条件和突出情况确定，一般为75～120mm，地质条件变化剧烈地带也可采用42mm直径的钻孔。钻孔的孔深应超前工作面前方的集中应力区，一般情况下它的数值为3～7m，所以孔深应不小于10～15m。掘进时钻孔超前掘进工作面的距离不得小于5m。

超前钻孔适用于煤层透气性较好、钻孔的有效排放半径大于0.7m、煤质稍硬的突出煤层。如果煤质松软，瓦斯压力较大，则打钻时容易发生夹钻、垮孔、顶钻，甚至发生孔内突出现象。

对低透气性煤层，可采用高压水射流扩孔技术提高钻孔排放瓦斯的效果。高压水射流扩孔是在已施工好的钻孔中，利用扩孔射流器的自行旋转和喷出的高压细射流对钻孔周围煤体进行旋转切割，同时通过高压扩孔钻杆沿钻孔轴向运动，形成对整个钻孔的径向连续扩孔，从而扩大钻孔直径，增加煤层的暴露面积和钻孔排放瓦斯量，其工艺流程如图3-9所示。

图3-9　高压水射流扩孔设备及工艺流程图

1.高压水泵；2.高压水管；3.高压水尾；4.封孔管；5.扩孔射流器；6.扩孔钻杆；7.钻机；8.煤水输送系统推进喷头

4.水力冲孔

水力冲孔是在安全岩柱或煤柱的防护下，向煤层打钻后，利用高压水射流的冲击作用在工作面前方煤体内冲出一定的孔道，以加速瓦斯排放。由于孔道周围煤体的移动变形，应力重新分布，扩大卸压范围，从而消除突出危险。此外，在高压水射流的冲击作用下，冲孔过程中能诱发小型突出，使煤岩中的潜在能量逐渐释放，避免发生大型突出事故。

水力冲孔主要用于石门揭煤和煤巷掘进，其工艺流程如图3-10所示。

图3-10　水力冲孔工艺流程图

1.套管；2.三通管；3.钻孔；4.水管接头；5.阀门；6.高压水管；7.压力表；8.射流泵；9.排煤水管

石门揭煤时，当掘进工作面距突出危险层3～5m时，停止掘进，利用钻机向煤层打孔径为90～110mm的钻孔。在孔口安设防喷套管及三通管排煤管，将钻杆通过三通管通达煤层，钻杆末端与高压水管连接，冲出的煤、水和瓦斯由三通管经射流泵加压后，送入沉淀池。

煤巷掘进时一般布置3个扇形钻孔来冲孔，冲孔深度20～30m，超前距不小于5m，孔底间距5m左右，冲孔孔道应沿软分层前进。

冲孔前掘进工作面必须架设迎面支架，并用木板和立柱背紧背牢，对冲孔地点的巷道，支架必须检查和加固。

5.卸压槽

卸压槽是近年来在采掘工作面推广使用的一种预防煤与瓦斯突出和降压冲击地压的措施。它的实质是预先在工作面前方切割出一定宽度的缝槽，以增加工作面前方的卸压范围。卸压槽使巷道前方一段距离内的煤体与煤层母体部分脱离。在卸压槽的保护范围内掘进，并保持一定的超前距，就可避免突出或冲击地压的发生。

6.超前支架

超前支架是指为了防止因工作面顶部煤体松软垮落而引起瓦斯突出，在工作面前方顶部事先打一排支架。其作用是支撑顶部悬露的煤体，排放瓦斯，增加煤体的稳定性。

超前支架多用于有突出危险的急倾斜煤层和缓倾斜厚煤层中的平巷内。架设方法是用煤电钻在工作面前方顶部打一排直径为50mm左右、仰角为8°～10°、间距为200～250mm的钻孔，孔内插入长度为3～6m的钢管或钢轨，尾端用支架固牢，即可进行掘进。掘进时保持1.0～1.5m的超前距。巷道永久支架架设后，钢材可回收复用。

五、煤（岩）与瓦斯突出的防治

在有煤（岩）与瓦斯突出的岩层内掘进巷道或揭穿该岩层时，可采取岩心法或突出预兆法预测岩层的突出危险性。有突出危险时，必须采取防治岩石与瓦斯突出的措施。在一般或中等程度突出危险地带，可采用浅孔爆破降低突出频率和强度；在严重突出危险地带，可采用超前钻孔和深孔松动爆破措施；在严重突出危险地带中掘进爆破时，在工作面附近应安设挡栏，以限制突出强度。

突出是一种复杂的动力现象，虽然国内外瓦斯工作者研究出不少的防突措施，但突出事故仍不能杜绝。为了防止预测和检验失误带来灾难性后果，无论是否有突出危险或措施是否有效，在突出煤层中进行采掘作业时，都必须采取安全防护措施。安全防护措施包括反向风门、采掘工作面的远距离爆破、自救器、设置躲避硐室和压风自救系统等内容。