煤与瓦斯突出研究与实践

吴小朋

【摘 要】某矿为高瓦斯矿井，所采煤层有自燃发火倾向和煤尘爆炸危险性，矿井原设计生产能力为300万吨。11煤层为主采煤层，具有突出危险性，该文通过对该矿煤与瓦斯异常涌出动力现象的分析，提出了有针对性的预防煤与瓦斯突出措施，为类似条件的矿井提供借鉴。

【关键词】矿井；煤与瓦斯；突出规律

1.某矿煤与瓦斯突出规律

某矿为高瓦斯矿井，所采煤层有自燃发火倾向和煤尘爆炸危险性，矿井原设计生产能力为300万吨。11煤层为主采煤层，具有突出危险性，2006年11月～2007年5月共发生4起瓦斯异常涌出动力现象（压出型小型突出）随着开采水平的延深，煤与瓦斯的动力现象出现频率会有所增强。

1.1该矿煤与瓦斯突出的特点

（1）已发生的几起煤与瓦斯突出均发生在11煤层中，而且都发生在掘进工作面。11煤为主采煤层，上部有一厚度0.3～0.1m的软煤，煤层坚固性系数 f=0.17，节理发育，断口参差多角，瓦斯异常涌出量远远大于30m3/min。

（2）突出危险性随开采深度的增加而增大。主要表现在突出次数增多，强度增大，其突出的瓦斯涌出量由最初的448m3增加到1222 m3。

（3）突出危险性随煤层厚度增加而增大，尤其是在煤体较为松软时，煤体破坏越严重，强度越小，突出的危险性也越大。

（4）突出多发生在地质构造地带，掘进工作面受断层影响或煤层变厚，而发生突出占有很大的比例，所有的突出地点都有煤层赋存状态如厚度，倾角，走向，层理变化。

（5）瓦斯异常涌出通常都发生在巷道底部煤割完后，开始割上部煤体时，原因是造成了上部煤体悬空，煤体在自重力的作用下片帮，诱导瓦斯涌出。

（6）在瓦斯富集区施工，煤与瓦斯异常涌出的频率明显增加。

（7）发生突出的煤尘顶底板多为泥岩，细粉砂岩，页岩等透气性较差的岩层，该类岩石为瓦斯的封闭及赋存提供了较好的条件。

（8）上山作业施工，突出危险性加大，除自燃因素外，对于突出来说，采掘作业是一个诱导因素，但上山施工远比平巷及下山施工导致突出的威胁要大的多。

1.2煤与瓦斯的突出预兆

煤与瓦斯突出预兆现场发现主要有：

无声预兆：掘进时出现片帮、掉碴、支架来压、煤层开裂、外鼓、底鼓、煤层层理紊乱、煤变松软、暗淡无光泽、煤变干燥、煤尘增大、打钻时顶钻、喷煤、喷瓦斯、钻头冰泠、吸钻、有时钻屑量增多，钻孔变形、风流中的瓦斯忽大忽小、有时在突出前还会出现煤壁和工作面迎头温度降低、有特殊气味等。

有声预兆：煤体中发出闷雷声，似从很远处传来；爆竹声，特别是响声连成一片时易发生突出，可缩性支架摩擦声，煤层断裂声。

当然每次突出这些征兆不尽相同。现场也正是依据这些征兆及时采取措施从而避免了人员伤亡事故的发生。

2.煤与瓦斯突出球壳失稳机理[1]

煤与瓦斯突出球壳失稳机理：每一个煤体质点在突出过程中共经历了6个不同的变化过程，这就是应力集中过程；地应力破坏过程；瓦斯撕裂裂纹过程；煤壳失稳抛出过程；煤体搬运过程和静止解吸过程，由此认识到突出过程的实质是地应力首先破坏煤体，在煤体内产生“I”型裂纹，煤体内的瓦斯向这个“I”型裂纹释放，致使“I”型裂纹扩展，形成一个个球盖状的煤壳，然后这些球盖状的煤壳又在瓦斯压力的作用下抛出，推动地应力峰移向煤体深部，继续破坏煤体，形成连续的突出现象。当煤体内部残余应力集中煤体原生状态受到破坏，次生断层发育，有充分的“裂纹”富存可解吸释放高能量的瓦斯。煤体受地应力遭到破坏后能立刻释放出大量的瓦斯，使煤体内的裂隙扩展沟通并使之形成煤壳失稳抛出。在煤与瓦斯突出的过程中，地应力未参与煤体的抛出过程。地应力的作用仅是破坏煤体，而煤体的破碎又是发生突出的必要条件。

3.煤与瓦斯突出的治理

依据煤与瓦斯突出球壳失稳理论通过增加巷道中的大气压，阻碍煤体裂纹扩展和形成的球形煤壳向外抛，可使突出停止或不发生。这种增压（爆破）破煤，为采掘现场快速、安全地通过突出煤层提供了一条新的技术途径。

3.1确定该矿防突预测预报的敏感指标及临界值

经现场测定，突出危险性煤层11-2煤突出危险性综合指标最大值 K=82.3>15，D=0.6732>0.25，煤层坚固性系数f=0.17，属松软煤层，瓦斯放散初速度？p=14，煤体瓦斯压力达到2.2MPa，其破坏类型在III-IV 之间，四项综合指标均大于临界指标值。

3.2实施“四位一体”的防突措施

进行突出危险性预测，每天进行一次并下达进尺通知单，指导施工；经预测如具有突出危险性，则必须采取防突措施，施工超前卸压钻孔，无突出危险时，施工超前探放孔。孔径均为91mm使用QFZ-22轻便型防突钻机施工，“一防两掘”循环作业，超前钻孔尽量布置在软分层中，探孔超前掘进距离大于或等于5m。

3.3掘进工作面双局扇供风，强排瓦斯

在研究煤与瓦斯突出规律基础上，对131105机巷，131105中巷等掘进工作面掘进采用“双局扇、双电源、双风筒”供风，安装同等型号BDJ（15KW×2）或BDJ（18.5KW×2）弯掠组合正交型大功率、高效节能轴流通风机，Φ600抗静电阻燃风筒供风，一路局扇风筒出口距迎头距离不超过5m，以保证迎头供风量，另一路风口距迎头15～20m，对瓦斯进行二次稀释，降低后路瓦斯超限，整个掘进巷道内瓦斯浓度保证均不超过0.8%。

4.瓦斯抽放技术的应用

4.1本层抽放

我们在131105掘进工作面进行安装了瓦斯抽排系统，采用顺煤层交错耳巷抽放掘进迎头瓦斯，实现先抽后掘、边抽边掘，发展到现在的顺煤层长钻孔120m“先抽后掘”的瓦斯治理方法，以释放瓦斯的压力，减少掘进突出的发生；由井下移动瓦斯泵站抽放发展到现在的地面瓦斯泵集中抽放，综合开发利用；为防止煤与瓦斯突出，掘进工作面迎头采用长孔，顺煤层抽放瓦斯，兼作超前卸压孔。

4.2高位抽放

在采煤工作面采用风巷高位钻孔以及顺层钻孔抽放等预排措施进一步治理瓦斯。高位钻孔主要布置形式为“三高两低”，“三高”钻孔用语抽放被保护层的卸压瓦斯，终孔距煤层顶板20～30m，“两低”钻孔用语抽放本煤层采空区遗留的瓦斯以及过钻场时提前解决上隅角的瓦斯。终孔距煤层顶板8～15m，钻孔终孔直径为94mm，长度为钻场间距加上40m的压茬。见附图1。

图1 高位钻场钻孔布置平剖面示意图

4.3采空区埋管抽放

对于采空区的瓦斯，我们提前在工作面的上隅角安设一个“T”形三通，管子四周均匀钻￠20mm圆孔，处于站立位。在工作面向前推进时，将三通埋进采空区，三通距工作面10m以上时开始抽放瓦斯，每20m埋一组，交替抽放，同时积极改进钻孔抽放参数并提高抽放负压以提高瓦斯抽放率，取得了较好的效果。

5.综合防治

技术上保证防突，从设计就树立“先抽后掘”防治煤与瓦斯突出理念，一切为防突开绿灯，加强职工教育，强化全员防突意识，从源头上为煤与瓦斯突出综合治理打好基础。不断加大防治煤与瓦斯突出的投入，积极与科研院校合作进行煤与瓦斯突出、瓦斯突出地质的研究，建立科学的瓦斯测控和煤与瓦斯突出预测系统。

6.结论

煤与瓦斯的突出的发生取决与多方面的因数，如地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等，矿井应该根据本矿的具体情况进行有针对性的研究找出规律以及预测预报的临界值指标，并采取行之有效的防突措施，才能确保安全生产。

【参考文献】

[1]蒋承林.俞启香.煤与瓦斯突出球壳失稳机理及防治技术.徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[2]陈伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术.徐州：中国矿业大学出版社，2003.