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1、煤与瓦斯突出条件下开采技术浅析摘要：在系统回顾我国煤矿瓦斯综合治理技术发展，分析我国瓦斯综合治理现状的基础上，从科研、管理、培训、本质安全矿山建设等多视角，提出了今后煤矿瓦斯综合治理发展战略是转变观念，提高认识；建立健全矿井瓦斯抽放和监测监控两个系统；加大“先抽后采”力度；强化技术管理。亟待解决的关键技术工作是加大新技术、新工艺研究力度；加快科研成果向现实生产力转化；推进瓦斯综合治理示范工程建设；加强基础研究,推动瓦斯综合治理标准化建设。关键词：矿井瓦斯，瓦斯综合治理，先抽后采，发展战略0 引言 我国是世界上最大的产煤国,也是煤矿瓦斯灾害最严重的国家。2006年,全国煤矿产量23.25亿,t共
2、发生2945起事故,死亡4746人,是1976年以来煤矿事故死亡人数最少的一年,且杜绝了百人以上的特别重大事故。但瓦斯事故仍然多发, 2006年,共发生瓦斯事故327起,死亡1319人,分别占煤矿事故和死亡人数11.1%和27.8%;发生3-9人较大瓦斯事故128起,死亡600人,分别占54.0%和56.0%;发生10人以上重大瓦斯事故25起,死亡472人,分别占63.4%和64.1%。因此,瓦斯事故严重威胁煤矿安全开采,瓦斯治理已经成为制约我国煤矿健康发展的重大技术难题,做好瓦斯治理工作是落实科学发展观,建设和谐社会的重大政治任务。我国瓦斯治理技术经过50多年的努力,尤其是经过“六五”至“十
3、五”期间国家重点科技攻关,瓦斯防治技术取得了长足进步。在瓦斯抽放方面,国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局先后提出“先抽后采、以风定产、监测监控”瓦斯治理十二字方针和“多措并举、应抽尽抽、抽放平衡”三项基本准则,国务院办公厅出台了关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽放利用的若干意见,国家发改委联合七部委、局出台了“煤矿瓦斯治理与利用实施意见”,国家安全生产监督管理总局及时颁布了“煤矿瓦斯抽放基本指标”和“矿井瓦斯抽放规范”等标准。国家的高度重视,使我国煤矿瓦斯抽放得到了前所未有的发展,目前国有重点煤矿的286处高瓦斯、高突矿井中,已有264处建立了抽放系统, 2006年抽放量达到26.14亿m
4、3,有10个企业抽放量超过1亿m3。在突出防治领域,已经形成了一整套的从预测、措施、措施效果检验到安全防护措施的“四位一体”综合防突技术体系,配套有一系列的预测方法、防突技术措施及其装备,防突工作贯穿于从地质勘探、新井建设、生产矿井新水平、新采区开拓延深,到工作面掘进和回采整个矿井建设、开采过程,取得了较好的防突效果。但是,我国瓦斯综合治理距煤矿安全生产的要求还有相当大的差距,煤矿瓦斯事故多发的不利局面有待根本扭转。1 绪论1.1 煤矿瓦斯事故概况煤炭是我国国民经济发展的基础能源，在工业生产领域，煤矿重大灾害危险源最多、安全隐患最大。煤与瓦斯突出，（简称突出）是一种极其复杂的动力现象，它是指煤
5、和瓦斯在极短的时间向巷道或工作面大量涌出的过程。表现为大量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空问，造成设备损坏、人员伤亡、甚至引起瓦斯爆炸。这种动力现象发生时间短，煤和瓦斯向空间抛出或放散的速度快，发生突出后人员很难迅速反应并逃生，所以这种事故对、人员造成的威胁是非常严重的，是煤矿安全生产中的主要制约因素。自1834年法国鲁阿尔煤田依萨克矿井发生了世界上有记载的第一次突出至今，发生突出的国家有中国、前苏联、法国、波兰、日本和美国等20多个国家。据不完全统计发生突出的次数已超过3万次。其中世界上最大的一次突出发生在1969年7月13日前苏联顿巴斯矿区加加林矿井突出煤 14000t喷出瓦斯达 250万 m3
6、，截止1980年苏联开采突出危险煤层为 207 个，每年突出次数1015次。我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。目前约有 250对突出矿井，突出总次数在 2 万次左右，最大一次突出发生在 1975年8月8日天府矿务局三汇坝一矿主平硐。是在震动性放炮揭穿6号煤层时，发生突出，合计突出煤岩12780t瓦斯140万m3。伤亡最严重的一次是2005年2月14日15时，辽宁省阜新矿业集团有限责任公司孙家湾煤矿发生的共造成 214 人死亡，30人受伤的特别重大瓦斯爆炸事故，就是由瓦斯突出引起的。煤与瓦斯突出不仅给煤矿安全带来很大的威胁，同时对煤矿的安全生产造成很大的影响，煤与瓦斯突出严重地影响巷道掘
7、进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井的采掘接替的正常衔接带来了很大的困难。同时由于突出的影响，使煤矿在安全装备上要有更多的投入，在突出防治措施上要花费更大的精力，同时要花费更多的人力和财力用于突出防治。由此可见，突出影响了煤矿的采掘速度，造成煤矿生产衔接紧张，降低煤炭产量，制约了煤矿的发展和经济效益的提高。随着煤与瓦斯突出事故的不断发生，人们对突出的认识也逐渐增强。各采煤国家投入了大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究，到目前为止，提出的关于突出机理的假说已有十几种，在一些方面取得了进展，但由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程的复杂性，对于突出的原
8、因、过程及一些细节还不十分明确，现场存在着相当一些特殊的突出现象也无法解释，问题还远远没有得到彻底解决。1.2 瓦斯事故防治对策在煤与瓦斯突出防治方面，我国已形成包括突出危险性预测、防治突出措施、防突措施效果检验、安全防护措施的“四位一体”综合防治体系。“四位一体”综合防突措施的总体思路是先进行突出预测，在预测有突出危险的地区采取防突措施，防突措施实施后进行效果检验，个体防护措施贯穿防突工作的整个过程。突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出综合措施的第一步。突出危险性预测包括区域性预测和工作面预测。区域性预测又分为矿井、煤层、水平(或采区、区段)三个层次。“四位一体”的综合防突措施的意义在于：解决了
9、防突措施的盲日性。国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布，而灾害发生区域只占整个开采区域的 8%12%。随着开采深度和开采强度的增加，发生突出的区域有增加的趋势。在突出煤层开采的过程中只有很小的区段才发生突出。随着突出预测水平的提高，把突出预测作为综合防突措施的第一个环节，其目的是确定突出危险区域和地点，使防突措施更加具有针对性。及时采取防突措施。既在预测有突出危险的区域采取防止突出措施，预防突出的发生。进行效果检验，确保防突措施有效。采取了防突措施后，是否消除了突出危险性，利用效果检验进一步核查，其可靠程度有了保障。最大限度地保障人的生命安全。但是在“四位一体”的综合防突措施的执
10、行过程中，由于受到突出预测技术水平的限制，在部分地区对煤炭的生产产生较大的影响。目前的突出预测方法是在多次现场实验中统计分析得出来的，缺乏突出机理的支撑，造成顶测方法和指标体系有所偏差，有接的结果就是预测临界值超标。过分强调预测非突出率必须达到100%，没有明确定义突出危险地点的标准，一味地强调在预测时降低预测指标的临界值以保证在任何诱导因素作用下都不突出，使预测指标的临界值过低，造成掘进时超标次数过多，人为地增加了防突措施的实施次数及工程量，影响掘进速度。再加上突出预测指标选择及临界值确定不准确以及某些关键性指标测试难以把握，造成了突出预测水平的缺陷，导致安全与生产之间的不协调，给煤矿的经济
11、效益造成了较大的影响。1.3 国内外研究现状及存在问题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
12、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
13、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。霍多特认为突出是煤的变形潜能 W 和瓦斯内能突然释放所引起的近工作面煤体的高速破碎并推断出
14、激发突出的三个条件可表述为如下三个公式：激发突出的第一条件是：对于回采 W+F+U对于掘进 WF+U对于石门揭煤 W+QF+U式中：W煤的变形潜能；顶板岩石的动能；Q煤内游离瓦斯所含的内能；F煤向巷道的移动功；U煤的破碎功。激发突出的第二条件是： VpVx其中：Vp煤的破碎速度；Vx煤裂隙中瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。激发突出的第三条件，它要求在煤破碎完成之前瓦斯压力应保持在比已破煤的抛出阻力更大的水平上即式中：p瓦斯压力； m煤的质量； s煤破碎区段的横段面积； f煤沿某一表面移动时该面的摩擦系数； 煤沿某一表面移动时该面与水平面所成的倾角； g重力加速度； a为了把煤抛出必须给煤的
15、加速度，煤移动方向向上抛出时取正，反之取负。测试与计算表明，在瓦斯矿井激发突出的第二与第三条件实际上总是可以满足的，因此，能否满足第一条件便成为发生突出的主要而必需的条件。霍多特认为只有当煤中应力状态突然改变时，煤层可能产生高速破碎。下述原因可以引起煤中应力状态的突然改变：煤层中坚硬区段或坚硬包裹体的承载能力以脆性破坏形式消失；围岩作用于煤层的动载荷；放炮含震动放炮落煤时巷道迅速进入煤层；放炮揭开煤层。地应力与瓦斯压力在上述过程中起到本质作用，而煤和围岩构造的非匀质性是突出的最普遍原因1979年霍多特对上述假说又作了补充。煤体的破坏分为两类。第一类破坏是转变为临界状态的破坏。第二类破坏是煤体破
16、碎成煤块和煤粉。在自然条件下静态加载时只产生第一类破坏，第二类破坏必须具备其它条件，外部因素作用于煤层时若煤层本身的潜能转变为破坏功的速度大于临界状态的发展速度时则工作面附近的煤出现第二类破坏。1.4 专题研究内容在总结前人煤与瓦斯贮存与突出机理研究成果的基础上，建立煤与瓦斯的吸附态模型；研究矿井采掘工作面煤与瓦斯贮存与突出机理，总结煤与瓦斯突出条件下煤矿开采技术。2 煤与瓦斯突出机理2.1 煤中瓦斯赋存煤是由植物的遗体变成的。在地质历史上，植物遗体在沼泽中微生物的作用下首先形成泥炭。由于地壳的运动，生成的泥炭层下降，被泥沙所覆盖，随着覆盖层的加厚，泥炭层逐渐被压，在以温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭变成褐煤。在温度和压力的进一步作用下，褐煤又通过
