【學(xué)員問題】煤和礦井瓦斯突出？

　　【解答】煤礦在地下采掘過程中，在短瞬之間，從煤（巖石）壁內(nèi)向采掘工作面突然噴出大量煤（巖）粉和瓦斯（CH4、CO2）的現(xiàn)象，稱為煤和瓦斯突出，簡稱瓦斯突出。它是一種由地壓、瓦斯壓綜合作用的常常伴有聲響和猛烈力能效應(yīng)的動力現(xiàn)象。煤與瓦斯突出能摧毀井巷設(shè)施，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，使井巷充滿瓦斯與大量煤粉，造成人員窒息、煤流埋人，甚至可引起井下火災(zāi)和瓦斯爆炸。因此，煤和瓦斯突出是礦山中嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)災(zāi)害。

　　1.煤與瓦斯（CH4或CO2）突出

　　簡稱突出。發(fā)生突出的主要因素是地壓（或稱地應(yīng)力）和瓦斯壓力的聯(lián)合作用，通常以地應(yīng)力為主，瓦斯壓力的作用為輔，煤與瓦斯的重力不起決定作用。實現(xiàn)突出的基本能源是煤內(nèi)蓄積的高壓瓦斯能。因此，突出現(xiàn)象的基本特征是：

　�。�1）突出的固體物質(zhì)具有氣力運輸?shù)奶卣�，顆粒呈分選性堆積；煤、巖被瓦斯流拋至遠(yuǎn)處，可隨巷道拐彎，亦能向上拋至一定的高度；煤堆積的坡度小于煤的自然安息角。

　�。�2）突出的固體物質(zhì)具有被高壓氣體粉碎的特征。大量的極細(xì)的微塵是突出時煤被高壓瓦斯膨脹粉碎的結(jié)果。但也有突出物被高壓壓實，需要用鎬來清理的少數(shù)情況。

　　（3）突出時有大量瓦斯（CH4或CO2）噴出，由于瓦斯壓力大于巷道內(nèi)通風(fēng)壓力，而且大得多，所以噴出的瓦斯逆風(fēng)流前進(jìn)。100t以下的中型突出，瓦斯逆流為數(shù)十米；1000t以下的大型突出，瓦斯逆流為數(shù)百米；超過千噸的特大型突出，瓦斯逆流達(dá)千米以上。突出能夠嚴(yán)重破壞礦井通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)施。

　�。�4）突出孔洞的口小而肚大，呈梨形或倒瓶形，其軸線往往沿煤層傾斜向上伸延或與傾斜線組成不大的夾角，長數(shù)米至數(shù)十米，有時孔洞被碎煤充填，不易直接看到。

　　（5）突出有明顯的動力效應(yīng)，如搬運巨石、推翻礦車和毀壞設(shè)備、破壞井巷支護等設(shè)施。

　　2.煤突然壓出并涌出大量瓦斯

　　簡稱壓出。發(fā)動與實現(xiàn)壓出的主要動力是受采動影響所產(chǎn)生的地壓，即地應(yīng)力。瓦斯壓力和煤的自重是次要的因素。壓出的基本能源是煤層受地壓影響所積蓄的彈性能。因此，壓出的基本特征是：

　�。�1）壓出的固體物按彈性能釋放的方向堆積，是堆積在原處位置的對面，壓出的煤拋出不遠(yuǎn)，或在自重的參與下偏向鉛垂方向；煤堆積坡度小于自然安息角。

　�。�2）壓出的煤無分選現(xiàn)象，大小不同的碎塊雜亂無章；有時煤被整體位移，向外鼓出。

　　（3）壓出時瓦斯涌出量不大，極少情況下從壓裂的縫隙噴出瓦斯，但極少見到瓦斯逆流的現(xiàn)象。

　�。�4）壓出時動力效應(yīng)較突出為小，但亦能推倒支架，推移工作面設(shè)備。

　�。�5）壓出后形成的空洞不規(guī)則，往往形成袋狀、楔形、縫形不等，但空洞多為口大而肚小，外寬內(nèi)窄，深度長的達(dá)幾米，不少壓出看不到空洞。

　　3.煤的傾出并涌出瓦斯

　　簡稱傾出。發(fā)生傾出的主要動力是地應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)松軟、飽含瓦斯、內(nèi)聚力小的煤，在較高的地應(yīng)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。突出傾出的能源主要是失穩(wěn)煤體的自身重力。因此，傾出的基本特征是：

　�。�1）當(dāng)煤體自重超過煤層的凝聚力而傾出時，按重力方向堆積，即堆積在原處位置的下方，就近堆積在采掘工作面的下方近處。堆積的坡度等于自然安息角。

　�。�2）傾出的煤呈大小不同的塊狀，無分選現(xiàn)象，無粉末狀細(xì)粒。

　�。�3）傾出伴隨有瓦斯涌出，但影響范圍和瓦斯量均較突出為小，且無瓦斯逆流現(xiàn)象。

　�。�4）傾出后形成空洞有舌形、袋形，孔洞軸線沿煤傾斜方向延伸，傾角大于45°，位于原集中應(yīng)力帶以內(nèi)，孔洞深達(dá)幾米。

　�。�5）傾出的動力效應(yīng)較小，僅能破壞附近的支架。

　　以上三種；即突出、壓出、傾出三種動力現(xiàn)象的發(fā)動力都以地壓為主，所以它們的預(yù)兆相似，對震動以及引起應(yīng)力集中的因素都非常敏感。在地壓應(yīng)力集中地帶、地質(zhì)構(gòu)造帶、松軟煤帶等都易發(fā)生。凡能使地應(yīng)力得到緩和及衰減的措施，例如開采解放層等，都可以減弱甚至消除這一災(zāi)害。由于實現(xiàn)突出、壓出、傾出的能源不完全相同，根據(jù)動力現(xiàn)象的力學(xué)特征，一般不難區(qū)分，從而采取各自適應(yīng)的預(yù)防措施。

　　突出危險煤層內(nèi)，地應(yīng)力和瓦斯壓力同時存在，而且相輔相成。實驗證明，地應(yīng)力增大區(qū)，瓦斯壓力亦增大；煤中瓦斯含量高，瓦斯壓力增大地區(qū)，地應(yīng)力亦隨之增大。

　　瓦斯突出，發(fā)生的條件與特征有如下規(guī)律：

　　（1）突出災(zāi)害隨采掘深度的增加而增加。

　　各礦發(fā)生突出地點的深度因地質(zhì)條件、地壓狀況、煤質(zhì)松軟與堅硬、煤層傾角、厚度等的不同而各異。但總的說來，深度大，則突出的次數(shù)多、強度大。

　�。�2）突出的次數(shù)、強度，隨煤層的厚度，特別是軟分層的厚度的增加而增多。突出最嚴(yán)重的煤層一般都是最厚的主采煤層。

　�。�3）突出可以發(fā)生在各類巷道中和各種作業(yè)時，但以石門揭穿煤層和放炮落煤時最容易發(fā)生。掘進(jìn)平巷和采煤工作面次之。

　�。�4）回采工作面和鄰近層煤柱區(qū)的突出，大多表現(xiàn)為地壓顯現(xiàn)作用的結(jié)果，即地壓起主導(dǎo)作用；石門揭煤、上山和下山的突出，地壓和瓦斯聯(lián)合作用；鉆孔突出大多為瓦斯壓力起主導(dǎo)作用。

　　（5）突出多發(fā)生在高瓦斯礦井內(nèi)，同一煤層，其瓦斯壓力越高，突出危險性越大；不同煤層，其瓦斯壓力與突出危險性之間無直接關(guān)系。這是因為決定突出的主要因素除瓦斯外還有地應(yīng)力、煤結(jié)構(gòu)強度等。

　�。�6）突出煤層的特點是煤的力學(xué)強度低、變化大、透氣性差，瓦斯擴散速度高、濕度小、層理紊亂、遭地質(zhì)構(gòu)造力破壞嚴(yán)重。

　�。�7）煤自重的影響。由煤壁上前方往巷道內(nèi)突出占大多數(shù)，由下方向巷道突出占極少數(shù)，突出次數(shù)有隨著煤層傾角的增大而增多的趨勢。

　�。�8）突出危險區(qū)呈帶狀分布。這是因為地壓、瓦斯壓力、煤的力學(xué)強度和結(jié)構(gòu)等異常往往呈帶狀分布。因此，突出與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系。圍巖硬而厚時突出危險性增大。

　　在采掘形成的地應(yīng)力集中地區(qū)，如鄰近層的煤柱上下、相向采掘接近區(qū)、巷道開口、兩巷貫通前煤柱內(nèi)、采煤工作面集中應(yīng)力處及上山掘進(jìn)等突出危險性大，次數(shù)多且強度大。

　　（9）絕大多數(shù)突出，發(fā)生在落煤工序，尤其是爆破落煤時。突出的危險性隨對煤體震動增強而增加。

　　（10）大多數(shù)突出，事先都有預(yù)兆。煤與瓦斯突出預(yù)兆表現(xiàn)在三個方面：

　　1）地壓顯現(xiàn)方面的預(yù)兆

　　發(fā)出煤炮聲、支架響聲以及出現(xiàn)巖煤開裂、掉碴、底鼓、巖煤自行剝落、煤壁顫動、鉆孔變形、垮孔頂鉆、夾釬桿、鉆機過負(fù)荷等。

　　2）瓦斯涌出方面的預(yù)兆

　　瓦斯涌出異常，瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂�，煤塵增加，氣溫、氣味異常，打鉆時噴瓦斯、噴煤粉以及出現(xiàn)哨聲、風(fēng)聲、蜂鳴聲等。

　　3）煤層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造方面的預(yù)兆

　　層理紊亂，煤變軟變松或不均勻，煤變暗淡無光澤，增大煤層厚度，傾角變陡，擠壓褶曲，波狀隆起，煤體干燥，頂?shù)装咫A梯狀凸起，斷層破碎帶擴大等。

　　預(yù)防煤與瓦斯突出的技術(shù)措施

　　（1）開采解放層

　　在有煤與瓦斯突出危險的礦井中，在開采煤層群的條件下，礦工們首先開采沒有突出危險，或突出危險較小的煤層。由于受采動影響，距離它一定范圍內(nèi)的突出危險煤層便會失去突出的危險。這個先采的煤層稱為解放層，位于突出危險層的上方，稱為上解放層，位于下方的稱為下解放層。

　　凡是有解放層的所有發(fā)生煤與瓦斯突出的國家，如法國、原蘇聯(lián)、德國、波蘭、匈牙利、比利時等國，都采用這種措施。我國從1958年起成功地推廣了這一技術(shù)。目前開采解放層的礦井占全國有煤和瓦斯突出危險礦井的26%.這是一種有效的區(qū)域性防治突出的措施。

　�。�2）預(yù)先抽放突出危險煤層的瓦斯

　　我國采用預(yù)抽瓦斯的礦井占有突出危險礦井總數(shù)的21%.在煤層開采之前用均勻布置在突出危險煤層內(nèi)的大量鉆孔來進(jìn)行幾個月至十幾個月的預(yù)抽瓦斯，不僅降低了瓦斯壓力與瓦斯含量，而且使地應(yīng)力下降，煤層的強度增加。我國的實踐證明，只要能預(yù)先抽出20%～30%的瓦斯，即可防止煤與瓦斯突出。

　�。�3）煤層注水

　　近年國外研究成功在回采工作面注水可防止煤與瓦斯突出。

　　我國山西陽泉一礦北頭嘴礦井在綜采工作面進(jìn)行淺孔煤體注水，使工作面煤壓出的次數(shù)減少82%，瓦斯涌出量減少28%，煤塵減少了49%.

　　（4）超前鉆孔

　　在工作面前方一定距離的煤體內(nèi)，在開采以前始終保有一定數(shù)量的較大直徑的鉆孔，用以預(yù)防突出的發(fā)生。

　　我國有近40%的突出危險礦井使用這種措施。我國超前鉆孔的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為：孔徑不少于120mm，超前距離不少于5m，孔數(shù)不少于4～5個。南桐魚田堡礦孔徑為300mm.

　　（5）水力沖孔

　　利用鉆機打鉆時噴射的水射流，在突出煤層內(nèi)沖出煤炭和瓦斯，或誘導(dǎo)可以控制的小型突出，以造成煤體卸壓，排放瓦斯，消除采掘突出危險的方法。此法最早在南桐礦務(wù)局試驗成功。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，應(yīng)用此法在我國已經(jīng)安全地揭開突出危險煤層（指石門掘進(jìn)揭穿突出層）100多次，掘進(jìn)煤巷1萬多米，水沖區(qū)采出煤炭100萬噸。

　　（6）震動放炮

　　用比普通爆破多的炸藥量和炮眼數(shù)，一次炸出巷道全斷面的爆破，稱為震動放炮。

　　震動放炮用強大的震動力和深揭作用使地應(yīng)力作用下的高壓瓦斯煤體突然暴露，造成人為最有利的可控制的發(fā)生突出的條件。所以，它是一種誘導(dǎo)突出的方法，也是在人員不在現(xiàn)場的條件下完成最危險的落煤或揭開煤層工序的一種安全措施。

　　震動放炮時揭蓋的炮眼數(shù)比一般爆破約多2倍；煤眼和巖眼的比例為1：2；煤、巖眼交錯排列，毫秒爆破時，先爆巖眼，后爆煤眼，最大延遲時間應(yīng)在100ms以內(nèi)。

　　以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。