【文章內(nèi)容簡介】 常生產(chǎn)或造成事故。第二章 煤與瓦斯突出概況突出是一種復雜的瓦斯動力現(xiàn)象，為了更好地防突就需要研究突出的預兆，進一步探索突出的機理和一般規(guī)律，從而在根本上認識突出的原因，采取相應的綜合防突措施。煤礦在生產(chǎn)作業(yè)過程中，在地應力和瓦斯壓力的作用下，大量的煤和瓦斯突然拋向采掘空間，且伴隨著強烈的動力和聲響的現(xiàn)象，稱為煤與瓦斯突出。井下發(fā)生突出時, 煤流埋人，造成人員窒息死亡；突出時的動力現(xiàn)象，能摧毀巷道設(shè)施、通風設(shè)施、機械設(shè)備、破壞通風系統(tǒng)，造成災害擴大；甚至能引起礦井火災或瓦斯爆炸。它是礦井最嚴重的災害之一。本章著重介紹煤與瓦斯突出的預兆、分類、機理及一般規(guī)律等基本知識。第一節(jié) 煤與瓦斯突出的預兆在實踐中，通過分析和總結(jié)，一般的突出都有預兆。突出預兆分為無聲預兆和有聲預兆。所謂無聲預兆是指采掘空間原來相對穩(wěn)定的圍巖、頂板、瓦斯、地質(zhì)和工作環(huán)境等突然發(fā)生較大變化。有聲預兆是指采掘空間圍巖、支護設(shè)備等突然發(fā)生異常的能夠發(fā)出聲響的變化。一、無聲預兆（1）煤層層理紊亂、傾角變大、煤質(zhì)變軟、變疏、光澤暗淡，煤有濕變干、溫度降低。（2）工作面煤體和頂板壓力增大，煤壁外鼓、片幫、掉渣等礦壓顯現(xiàn)明顯。（3）瓦斯涌出量增大，瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?。?）打鉆時出現(xiàn)卡鉆、頂鉆、吸鉆、鉆屑量增多、瓦斯噴孔等現(xiàn)象。（5）煤塵濃度增大。二、有聲預兆（1）發(fā)出響炮聲、悶雷聲、厥炮聲、連續(xù)的機關(guān)槍聲等異常的聲響。（2）發(fā)出頂板巖石或煤層的斷裂聲、支柱折斷聲等。熟悉和掌握煤與瓦斯突出的預兆，能夠及時撤出人員，避開險情，對減少人員傷亡、降低事故損失具有重要意義。例如，2009年11月3日，陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司寺家莊煤業(yè)有限責任公司15201工作面進風正巷橫貫掘進工作面，14：00爆破后，8點班當班人員進行支護，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護方式，支護2根錨桿、1根錨索后，8點班人員下班。下午四點班出勤12人，人員接著進行支護，采用全錨索支護，支護好第一排后，由于頂板狀況不好不能爆破，故刨梁頭，開始支護第二排。由于右上角不接頂，于是跟班工長上塌頂處（煤頭右上角有一倒漏斗狀塌孔，下口寬3m，塌孔高度2m）進行構(gòu)頂，跟班隊長進行監(jiān)護。此時不斷有煤屑落下、掉渣，出現(xiàn)無聲預兆，此時跟班工長便從便從構(gòu)頂處跳下，招呼掘進工作面人員撤出。約5min后，當人員撤至15201進風正巷綜掘機處時，便聽到“唰”的一聲，回頭一看，正巷掘進工作面全是煤粉，什么也看不清楚，隨后迅速將人員全部撤至防突門外新鮮風流處。此次突出煤量約148t，突出瓦斯11323m3。由于人員撤離及時，幸免了一場大難。第二節(jié) 煤與瓦斯突出的分類一、按突出動力現(xiàn)象的力學特征分類煤礦井下的動力現(xiàn)象指的是發(fā)生在巷道周圍的一切具有運動和聲響特征的現(xiàn)象。煤礦井下動力現(xiàn)象的種類繁多，對所有的動力現(xiàn)象進行籠統(tǒng)的分類是困難的，必須對這些動力現(xiàn)象按其性質(zhì)進行準確的分類，將具有相同屬性的現(xiàn)象放在一起進行研究，這將有利于揭示各種動力現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。突出由于動力現(xiàn)象的特征不同，而又分為幾種不同的類型，根據(jù)我國煤礦中發(fā)生的動力現(xiàn)象，分為下列四種類型。煤與瓦斯突出煤與瓦斯（沼氣或二氧化碳）突出是指煤與瓦斯在一個很短的時間內(nèi)突然地連續(xù)地自煤壁暴露面拋向巷道空間所引起的動力現(xiàn)象。根據(jù)目前的研究成果，引起煤與瓦斯突出的作用力有地應力和瓦斯壓力，通常以地應力為主，瓦斯壓力為輔，重力不起決定作用，作用介質(zhì)為軟煤和瓦斯。這種煤與瓦斯具有強大的動力效應，可使井巷設(shè)施和通風系統(tǒng)受到破壞。煤與瓦斯突出的主要特征是（1）突出的煤可拋出一定距離，其遠近取決于強度的大小，有數(shù)米到數(shù)百米不等，有時突出的煤還有拐彎拋出一定距離的現(xiàn)象。（2）突出的煤堆積坡度小于煤的自然安息角，并有明顯的分選現(xiàn)象。（3）突出煤破碎程度較高，有大量的粉煤和極細的粉塵。（4）突出時伴隨有大量瓦斯急劇的涌出，使采區(qū)或總回風流的瓦斯?jié)舛容^長時間超限，甚至會出現(xiàn)瓦斯逆流現(xiàn)象，逆流距離視突出強度和礦井通風能力的大小可達數(shù)十米乃至千米以上，瓦斯的波及范圍可達幾個采區(qū)乃至全井。（5）有明顯的動力效應，破壞支架，推倒礦車，破壞和拋出安裝在巷道內(nèi)的設(shè)施。（6）突出后的孔隙多數(shù)位于巷道上方或上隅角，形狀多為口小腔大的梨形、倒瓶型等。煤的突然壓出煤與瓦斯壓出，簡稱壓出，發(fā)動與實現(xiàn)壓出的主要作用力是地應力，瓦斯壓力與煤的自重是次要因素，壓出的基本能源是煤巖所積蓄的彈性變形能。煤的突然壓出主要特征是：（1）壓出的煤拋出距離很近，一般為2～3m，堆積坡度較小，有時煤壁整體位移，使工作面煤壁鼓出或巷道底部煤體鼓起。（2）壓出的煤多為大塊或破碎狀，無分選現(xiàn)象。（3）發(fā)生壓出前工作面壓力顯現(xiàn)較為明顯，支架折斷、工作面掉渣、響煤炮等。（4）壓出時的瓦斯涌出量不大，不至于引起采區(qū)回風瓦斯超限，但工作面回風瓦斯?jié)舛瓤啥虝r增高或超限，再正常通風情況下，很快就能恢復正常，只有在個別情況下會出現(xiàn)大量瓦斯涌出或從頂板裂隙中噴出瓦斯現(xiàn)象。（5）壓出時動力現(xiàn)象明顯，如打到或折斷支架、推走采掘工作面的設(shè)備。（6）除煤壁整體位移外，壓出后所形成的空間不規(guī)則，有袋狀的，也有契形或縫形的。煤的突然傾出煤與瓦斯傾出。簡稱傾出，發(fā)生傾出的主要因素是地應力，即結(jié)構(gòu)松軟、含有瓦斯致使內(nèi)聚力降低的煤，在較高地應力作用下，突然破壞、失去平衡，為其位能的釋放創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)傾出的主要力是失穩(wěn)煤的自重。煤的傾出的主要特征是：（1）傾出的煤按自然安息角堆積，并無分選現(xiàn)象。（2）傾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞軸線沿煤層傾斜或鉛垂（厚煤層）方向發(fā)展。（3）無明顯動力效應。（4）傾出常發(fā)生在煤質(zhì)松軟的急傾斜煤層中。（5）巷道瓦斯涌出量明顯增加。巖石與瓦斯突出巖石與瓦斯突出是由于在較高的地應力和外界動力的作用下，巖體瞬間被破壞并向巷道空間拋出，同時涌出大量的瓦斯（沼氣或二氧化碳）。巖石與瓦斯突出的主要特征是：（1）巖石與瓦斯突出幾乎都是由爆破引起的，它與正常爆破崩落巖石的區(qū)別在于突出的巖石量比正常爆破時要多，拋出的距離也遠，視強度的大小，其拋出的距離可達數(shù)米到數(shù)十米以上。（2）突出巖石一般為砂巖，有分選現(xiàn)象。（3）突出時的瓦斯量較大（尤其是二氧化碳參與突出時），甚至出現(xiàn)瓦斯逆流現(xiàn)象。（4）動力效應明顯，破壞支架、推到礦車、搬走巨石等。（5）突出后在巖體中形成不規(guī)則的孔洞，其位置多在巷道上方或上隅角。除了以上這些動力現(xiàn)象之外，煤礦井下還有：卸壓瓦斯的噴出、煤與二氧化碳的突出、二氧化碳與巖石的突出、巖爆、煤爆、采場沖擊地壓、煤炮、擠出、冒頂、井下透水等。二、按突出的強度分類突出強度是指每次突出的煤巖量和涌出的瓦斯量，主要以突出煤巖量作為劃分突出強度的依據(jù)。按照突出強度的大小可劃分為五類，即小型、中型、次大型、大型和特大型。（1）小型突出：強度小于50t/次（突出后，經(jīng)過幾十分鐘瓦斯?jié)舛瓤苫謴驼＃＃?）中型突出：強度為5099t/次（突出后，經(jīng)過一個工作班以上，瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼＃?。?）次大型突出：強度為100499t/次（突出后，經(jīng)過1d左右，瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼＃＃?）大型突出：強度為500999t/次（突出后，經(jīng)過幾天，瓦斯?jié)舛瓤芍鸩交謴驼＃?。?）特大型突出：強度大于1000t/次（突出后，經(jīng)過長時間排放瓦斯，回風系統(tǒng)瓦斯?jié)舛炔拍芑謴驼＃?。第三?jié) 煤與瓦斯突出的機理對突出機理的進一步研究，掌握其在內(nèi)的關(guān)系和規(guī)律，是治理突出的一個基礎(chǔ)，有利于準確地進行突出的預測預報，準確地制定有效的防突技術(shù)措施。所謂突出的機理主要是指突出的本質(zhì)原因和過程，國內(nèi)外許多專家采用突出實例的統(tǒng)計分析、實驗室研究和現(xiàn)場觀測等方法，對突出機理進行了廣泛深入的研究，提出了很多假說。綜合起來，突出機理假說大體分為以下幾類：（1）瓦斯主導說。如“瓦斯包”說、“煤粉帶”說、“煤空隙不結(jié)構(gòu)不均勻”說、“裂隙堵塞”說、“閉合孔隙瓦斯釋放”說、“瓦斯膨脹”說、“卸壓瓦斯“說、“火山瓦斯”說、“地質(zhì)破壞帶”說、“瓦斯解吸”說等。（2）地質(zhì)主導說。如“巖石變形潛能”說、“應力集中”說、“剪切應力”說、“塑性變形”說、“振動波動”說、“拉應力”說、“應力疊加”說、“沖擊移動”說、“爆破突出”說、“頂板位移不均勻”說等。（3）化學本質(zhì)說。如“瓦斯水化物”說、“爆炸的煤”說、“重煤”說、“地球化學”說、“硝基化合物”說等。上述三種假說多以推測居多，缺乏實踐或?qū)嶒炇业难芯恳罁?jù)。（4）綜合假說。多數(shù)研究人員所持有的觀點，即突出是由地應力、瓦斯與煤的物理力學性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果，由于研究的出發(fā)點與依據(jù)不同，對上述三種因素在突出中所起到的作用，看法也不盡相同。理論與實踐認為，突出是一種能量突然釋放的現(xiàn)象，從能量平衡角度分析，只要研究能量集中與釋放全過程，就能有效進行防突工作，例如，防止能量的過度集中與突然釋放，就能有效地控制突出的發(fā)生。想要達到這一點，就必須研究能量集中的條件和釋放的方式，現(xiàn)分析如下。應力在突出發(fā)生的初級階段，扮演著極其重要的角色。通常我們把工作面的應力分為三種，即垂直應力，水平應力和采掘附加應力。垂直應力是巖石自重造成的，它受控于垂深，在一個小的范圍內(nèi)，可視為常數(shù)。水平應力為構(gòu)造應力，它受控于地質(zhì)構(gòu)造的影響，在一個小的范圍內(nèi)，水平應力也可視為常數(shù)。采掘附加應力是進行采掘工作時，破壞了采掘工作點的原始應力平衡狀態(tài)，促使應力重新分布，使工作面附近形成了卸壓區(qū)、增壓區(qū)（應力集中區(qū)）和正常壓力區(qū)。這三個區(qū)域的大小和范圍與工作面附近的巖性有關(guān)。采掘工作面的煤（巖）體，由于破壞了其原始受力狀態(tài)，在靠近工作面方向的煤體，由于解除了壓力，煤（巖）體向采掘空間發(fā)生位移（彈性回復后的膨脹變形和塑性流變），促使靠近采掘工作面的煤（巖）體中的應力降低（小于垂直應力值）形成了卸壓區(qū)。其卸壓范圍的大小取決于煤（巖）體的力學性質(zhì)：強度低，卸壓范圍大；反之，則小。由壓力理論可知，采掘后，由于應力重新分布，必然會出現(xiàn)集中應力區(qū)。其集中程度同樣也取決于煤（巖）體的力學性質(zhì)和采掘工作面類型：采煤工作面大于掘進工作面，煤（巖）力學性質(zhì)好的大于差的。沒有受到采掘工作面影響的地區(qū)稱為正常壓力區(qū)。三個區(qū)域的分布通常采用鉆孔鉆屑量法確定。采掘工作面都有應力集中現(xiàn)象，但并不一定都會發(fā)生突出，它僅是發(fā)生突出的一個必要的先決條件，通過分析研究，發(fā)生突出必須滿足以下兩個基本條件：（1）集中應力峰值點必須靠近該采掘工作面。（2）必須具有形成突然卸壓的誘發(fā)條件。第一種條件是否能出現(xiàn)，取決于煤（巖）的力學性質(zhì)，煤層堅硬或煤層變薄都能滿足條件。第二種條件的形成同樣與地質(zhì)條件有關(guān)，即煤層突然變厚或變軟，除此之外，還與采掘方式和速度有關(guān)。它是應力破壞煤體不可缺少的條件，了解這些，就為防治突出工作指出了技術(shù)途徑。瓦斯也是突出過程中的一個重要因素，瓦斯的壓力梯度用于破碎煤體。煤層快速解吸出來的瓦斯所形成的瓦斯氣流，將被破碎的煤搬運出工作面，其搬運距離取決于煤層瓦斯含量的多少和解吸速度的高低。煤的物理性質(zhì)是指煤層對瓦斯的吸附能力和解吸速度，而力學性質(zhì)是指煤層的強度。瓦斯解吸速度低，瓦斯含量小，煤的強度高的煤層顯然是不利于突出的。綜合上述，突出的內(nèi)在因素是應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)。而外在因素是形成集中應力和造成突然卸載的條件。為了防突，必須改善其內(nèi)在因素和消除其形成集中應力和突然卸載，這是防突的主要理論依據(jù)。第四節(jié) 煤與瓦斯突出的一般規(guī)律所謂突出的一般規(guī)律主要是指突出與開采深度、巷道類型、地質(zhì)構(gòu)造、作業(yè)方式、突出預兆、煤層厚度等因素之間的關(guān)系。目前認為，雖然對突出的預測和防治還沒有百分之百的把握，但是經(jīng)大量的突出資料統(tǒng)計和分析，突出有以下基本規(guī)律：（1）突出危險性隨開采深度增加而增大。突出強度和次數(shù)隨開采深度增加而增大：開采深度愈小，突出的危險愈小；反之，愈大。且每個礦井和煤層都有一個發(fā)生的最小深度，當小于這個深度時就不會發(fā)生突出，該深度稱為始突深度。（2）突出大都發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶。地質(zhì)構(gòu)造帶包括向斜軸部、頂板沖刷帶、斷層等。（3）突出煤層厚度特別厚度是軟分層厚度愈大，突出的危險性愈大。同一煤層的煤層厚度分布不同，煤層厚度愈大，突出的危險性愈大，其軟煤的厚度也分布不同，軟分層厚度愈大，突出的危險性愈大。（4）煤的機械強度愈小，突出的危險性愈大。煤的破壞類型愈大，煤的機械強度愈小，其f值愈?。ǎ?，突出危險性愈大。（5）采掘工作面瓦斯突然增大，突出危險性增大，采掘工作面在生產(chǎn)過程中，瓦斯頻繁超限，瓦斯涌出量增大，突出危險性增大。（6）突出區(qū)域具有不均衡性。同一礦井的不同煤層突出危險性不同，同一煤層的不同采區(qū)突出危險性不同。（7）采掘的作業(yè)方式和生產(chǎn)工序不同，其突出危險性不同。如爆破易誘導突出；采掘工作面控頂距愈大或時間愈長，愈易發(fā)生瓦斯突出。（8）瓦斯壓力愈大，瓦斯含量愈大，煤的透氣性愈低，其突出的危險性愈高。（9）圍巖愈堅硬、致密，突出危險性愈大。若煤層頂?shù)装鍨閳杂捕旅艿膸r層且厚度較大時，其集中應力較大，瓦斯不易排放，故突出危險性愈大；反之則小。若頂?shù)装逯芯哂腥菀罪L化和遇水變軟的巖層時，將減少突出危險性。（10）采掘工作面煤層傾解變大，突出危險性增大。（11）煤層含水量愈大，突出危險性愈小。煤層比較濕潤，礦井涌水量較大，則突出危險性較小。這是由于地下水流動，可帶走部分瓦斯，溶解某些礦物，給瓦期流動創(chuàng)造了條件。（12）具有滯后突出危險性。滯后突出是指爆破后沒有立即誘導突出，而上隔一段時間后才發(fā)生突出。其延遲時間從幾分鐘到幾小時不等。第三章 區(qū)域綜合防突措施區(qū)域綜合防突措施就是針對突出危險煤層采用的能夠較大范圍、較大幅度、較長時間降低或消除突出危險性的綜合防突措施。在以往的防突工作中，很多礦井主要以局部防突技術(shù)措施為主。但隨著礦井深度的增加、瓦斯含量的增大，很多煤礦的突出災害越來越嚴重，以至于在工作面打鉆孔這樣的對煤體輕微的擾動往往就能誘發(fā)突出。近幾年頻繁出現(xiàn)在實施局部防突措施的作業(yè)過程中發(fā)生突出傷人的事故，因此，僅靠局部防突措施已經(jīng)不能滿足當前突出危險程度日趨嚴重的深部礦井突出煤層的防突需要。而區(qū)域防突措施則能夠?qū)⒏蠓秶拿簩哟蠓冉档突蛳怀鑫ｋU，使采掘作業(yè)和實施局部防突措施的作業(yè)人員能夠運離嚴重突出煤層，保障作業(yè)人員安全