防治煤与瓦斯突出浅谈

马海武 马统师

摘要：有煤、岩和瓦斯参与的动力现象我们称为煤与瓦斯突出，这也是煤矿中较为严重的自然灾害之一。本文通过分析煤矿中煤与瓦斯突出规律，有效的防突措施，为矿井煤与瓦斯的治理提供借鉴经验。

关键词：煤与瓦斯  突出  防治措施

1 矿井基本概况

阿拉善盟天荣煤炭公司（以下简称天荣公司）为神华集团乌海能源公司子公司，位于阿拉善盟阿拉善左旗宗别立镇，主要开发二道岭矿区的无烟煤资源。

天荣公司属于煤与瓦斯突出矿井，矿井各煤层瓦斯含量、瓦斯压力较大，天荣公司一矿可采各煤层瓦斯测定最大含量分别为：一煤15.969m3/t、二1煤14.78m3/t、二2煤14.877m3/t、四煤17.064m3/t，瓦斯压力分别为1.2MPa、1.1MPa、1.04MPa、1.2MPa。

对于矿井的煤层瓦斯，一般都是采取井下钻孔的方式来实现卸压瓦斯抽放的目的。在采掘过程中，对于瓦斯突出的问题，特别是瓦斯超限的问题，直接影响着煤矿资源的开采，威胁着开采人员的安全，因此，如何降低甚至消除瓦斯的威胁，合理采集煤层气资源，想方设法使瓦斯含量大大减少，最大限度减轻瓦斯压力，保证工作面能够进行安全生产，是摆在我们面前的重要问题。

2 煤与瓦斯突出的机理、规律

2.1 煤与瓦斯突出的机理

许多国家都非常重视对于煤和瓦斯突出机理的研究，许多国通过长时间的努力在这方面也取得了相应的成就。但就目前对突出机理的研究和认识来说，这些还只是处于假说阶段。究其根本是煤与瓦斯突出机理具有复杂性并且突出现象具有多样性，所以在研究过程中掌握和了解其内部的原理并非易事。就目前的研究成果来说，地应力假说和瓦斯作用假说、化学本质假说以及综合作用的假说等等，是国外对煤与瓦斯突出机理的基本认识。

其中，中心扩张学说、流变假说与二相液体假说、固流耦合失稳理论和球壳失稳理论等是我国在这方面的研究。另外，突出破坏过程及瓦斯渗流的机制方程是我国科学院力学研究所从力学角度对突出过程的研究成果。

煤与瓦斯突出的机理有很多种假说，得到大家公认的比较有权威的假说是煤与瓦斯突出主要是由地应力、煤与瓦斯的物理力学性质等三者综合的结果。这也是目前最有影响力的说法。

2.2 煤与瓦斯突出的基本规律

①突出与地质构造之间的关系，在地质构造带的内部一般会较多的发生突出，如断层、褶曲和火成岩侵入区域的附近。②突出与瓦斯之间的关系，概括来说，影响突出发生的最重要的因素是煤层中瓦斯的压力与含量。大体来说，瓦斯压力和瓦斯含量与突出的危险性成正比。虽然多种因素综合作用形成突出，但是煤层的瓦斯含量和压力与突出之间，没有特别固定的关系。③突出与地压之间的关系，地压越大，突出的危险性越大，即这两者成正比关系。④突出与煤层构造之间的关系，一般情况下煤的破坏类型愈高强度愈小，突出的危险性愈大。因此在软煤层或软分层中突出的发生较多。⑤突出与围岩性质之间的关系，突出危险性会随着煤层顶底板坚硬而致密的岩层且厚度的变大，其集中应力就会较大，瓦斯不容易排放，反之就会小。⑥突出与水文地质之间的关系，研究表明，矿井中水的涌出量会随着湿润度的改变而改变。由于地下水的流动可以溶解某些矿物，给瓦斯流动创造了条件，因此突出的危险性也会降低。⑦突出具有延期性，我们所说的突出的延期性变化是震动放炮后没有立刻诱发突出的发生，而相隔一段时间后才发生。延迟时间会从几分钟到几个小时。

3 煤与瓦斯突出预兆与预测

3.1 煤与瓦斯突出预兆

研究表明，发生突出是因为从震源传出震波（或声波）的强度和频率增加到一定程度时，就可能出现煤的突然破坏。引起突出的最主要也是最重要的原因是连续的多起断裂，而且异常的微震发射通常在断裂之前5～45s内产生，所以作为常用的突出预报方法的微震法有很广阔的前景及应用。煤层温度状况可以预测出突出的危险性。根据温度状况预测突出危险性的理论我们可以得到“瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低”。

3.2 煤与瓦斯突出的预测

区域预测和工作面预测组成煤与瓦斯突出预测的两大类。

3.2.1 区域性预测

确定井田、煤层和煤层区域的危险性是区域性预测的主要任务，在地质勘探、新井建设和新水平开拓时进行。区域性预测主要有以下几种方法：

①单向指标法。预测指标以煤的破坏类型、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力为依据，各种指标的突出危险临界值应根据实测资料确定。②按照煤的变质程度。煤层的突出危险程度与其挥发分之间是紧密相关的：没有突出危险的，烟煤的挥发分大于35%和无烟煤的比电阻的对数值小于3.3;但挥发分在18%～22%时，突出危险性最高。③地质统计法。根据已开采区域突出点分布与地质构造之间的关系，然后结合未采区域的地质构造条件大致可以预测突出可能发生的范围。

3.2.2 工作面预测。工作面预测也称日常预测，其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即工作面继续向前推进时有无突出危险。

①石门揭煤突出危险性预测。石门揭煤突出危险性预测的方法大体可以分为以下几种：a综合指标法。在石门向煤层至少打两个测压孔，测定煤层瓦斯压力，并在打钻过程中采样，测定煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度，按综合指标进行预测。b钻屑指标法。在距煤层最小垂距3～5m时至少向煤层打两个预测钻孔，用1～3mm的筛子冲洗液中钻屑，测定其瓦斯解吸指标。c钻孔瓦斯涌出初速度结合瓦斯涌出衰减系数。当石门距煤层3m以外时，至少打两个穿透煤层全厚的预测钻孔，打钻结束后马上用充气式胶囊封孔器封孔，充气压力0.5MPa。打钻结束到开始测量的时间一般不应超过5min。封孔后应先测第1min的瓦斯涌出初速度，第2min测定解吸瓦斯压力，一旦瓦斯涌出初速度超过预定的工作指标，还应测定第5min的钻孔涌出时的速度，以便算出瓦斯涌出衰减系数。②煤巷突出危险性预测。煤巷突出危险性预测的方法主要有：a钻孔瓦斯涌出初速度法。在距巷道两帮0.5m处，各打一个平行于巷道掘进方向的钻孔，用充气式胶囊封孔器封孔，测定钻孔瓦斯涌出初速度，从打钻结束到开始测量的时间不应超过2min。b钻屑指标法。在工作面打2个或3个钻孔。钻孔每打1m测定一次钻屑量，每打2m测一次。根据每个钻孔沿孔深每米的最大钻屑量和钻屑解吸指标预测工作面突出危险性。

3.3 神经网络方法进行突出预测

地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体结构及围岩特征等等这些因素所共同作用是形成煤与瓦斯突出的发生的主要因素。在各种力学作用和之前所讲到的这些影响因素的共同作用下，突出灾害的发生都是很不规则的，且处于一个不断变化的系统，呈现出了复杂而又难以判断的非线性状态。

形成煤与瓦斯突出的发生的主要因素是地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体结构及围岩特征等等这些因素所共同作用。在各种力学作用和之前所讲到的这些影响因素的共同作用下，突出灾害的发生都是很不规则的，且处于一个不断变化的系统，呈现出了复杂而又难以判断的非线性状态。

人工神经网络对其进行预测和判定是人们为了解决这一问题所用的方法。神经网络可以通过样本来“学习”，一方面它与传统的各种预测方法区别开来，另一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值（只要训练数据足够多）。与传统方法不同的是该方法能够抽提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，特别是那些尚未被人类认识和发现的规律。研究表明，在地震之前有氡和氦的反常涌出现象。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标进行实验和加以判定。

4 煤与瓦斯突出的预防措施

煤与瓦斯突出作为一种极其复杂的动力现象，既要搞清楚它发生的地区、范围，以便更好的采取防治措施，改变其发生突出时应具备的基本条件，又要使其不发生或降低其突出强度，并采取必要的安全防护措施以便将来更好的防治突出，所以要抓好以下工作很重要。

4.1 揭煤防突

目前国内采用揭开煤层的方法基本上都是远距离震动放炮，把好“七关”是揭煤防突最主要的方法。分别为设计关、施工关、验收关、封孔关、抽放卸压关、检验关、二次卸压关。

4.2 煤巷掘进防突

各国实践证明，煤巷掘进过程中会较多的有煤与瓦斯突出的发生。超前排放钻孔、浅孔松动爆破、深孔控制爆破、预抽瓦斯及上述措施与边掘边抽相结合的综合防突措施，可以有效地防治煤巷掘进突出。采取打少数超前卸压钻孔是一般和中等程度突出危险区域解突方法;超前钻孔、煤体固化和金属骨架等多种措施综合防治是严重突出危险区域大都采用的方法。

4.3 大倾角不稳定煤层防突

大倾角不稳定煤层中比较常用的方法有超前密集钻孔和煤层注水防突措施。超前密集钻孔利用煤体前方的钻孔使煤体应力得以释放和转移，释放煤体前方的高压瓦斯，以使掘进头前方一定范围内形成低应力、低瓦斯区，以达到防突或降低突出强度。

应用煤层注水措施来降低或消除瓦斯突出危险性是目前国内外采用的较为普遍的方法，实验测试结果表明：当煤样含水量达到饱和程度时，干煤相比干湿煤来说，其透气系数要上升一个数量级，研究表明，湿润煤的瓦斯解吸量可达常压下煤的瓦斯解吸量的17%～27%。国内外不少矿井煤层注入充足的水后再打开钻孔时几乎就不会再有瓦斯涌出现象，而且注水后再进行采掘时，瓦斯涌出量也会明显下降，并且放炮后的瓦斯涌出量也会相对比较均匀。

4.4 防治突出的技术措施

区域性措施和局部性措施是防治突出的技术措施的两大类。针对大面积范围消除突出危险性的措施是区域性措施，在采掘工作面执行的主要是局部性措施，它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。预留开采保护层、大面积瓦斯预抽放和控制预裂爆破，是目前主要的区域性措施;卸压排放钻孔、深孔或浅孔松动爆破、卸压槽、固化剂、水力冲孔等是局部措施的种类。

4.5 “四位一体”综合防治突出措施

所谓“四位一体”综合防治突出措施，就是说首先应对开采煤层及其对开采煤层形成影响的邻近煤层进行突出危险性预测。对确认的突出危险性区域，应采取区域性防治突出技术措施，对确认的突出危险工作面，一定要采取局部性防治突出技术措施。采取防治突出技术措施之后，务必对防治突出技术措施和消除突出危险性的效果进行检验，一旦检验有效，则采取安全防护措施的前提下进行采掘作业;如果检验无效，必须补充防治突出技术措施，直至再次检验为有效时方可在采取安全防护措施前提下进行采掘作业。否则，必须继续补充技术措施。

4.6 安全防护措施

控制突出危害程度的措施是安全防护措施，也就是说即使发生突出，也要使突出强度降低，对现场人员进行保护不致危及人身安全。如震动性放炮、远距离放炮、反向防突风门、压风自救器、个体自救器等。

5 解决瓦斯涌出异常问题的措施

通过对矿井瓦斯涌出的原因及异常形成的分析，我们可以从以下几方面去采取措施，解决矿井瓦斯涌出异常问题：

5.1 加强通风、设备、设施管理

①在瓦斯涌出异常的施工巷道、工作地点安装风电闭锁、瓦斯电闭锁装置，并调试确保灵敏可靠和正常监控。②每天对瓦斯涌出异常的区域或巷道中的所有电气设备进行防爆检查，杜绝设备失爆。开关等电气设备出现故障需检修时，严禁施工人员擅自拆卸，必须经瓦斯检查员检查瓦斯，确定可以实施检修后由机电专职检修人员检修。③在瓦斯涌出异常的区域或工作面、巷道中安设瓦斯传感器，随时监测瓦斯变化情况。④及时校验瓦斯检测仪，最大限度降低误差，对该地点实行有效监测。⑤应在瓦斯涌出异常区域回风巷内成组安设隔爆水幕，并保持水幕中有足够水量。

5.2 加强瓦斯检测管理

①选配责任心较强的瓦斯检查员对瓦斯涌出的区域，特别是有瓦斯涌出异常的掘进施工巷道、地点和地段，要进行专人、专头、专职检测，并随时确保正常通风。②在瓦斯涌出异常地点进行专职检测的瓦斯检查员，入井必须随身携带光学式瓦斯检查仪和便携式瓦斯检查仪，两种仪器配合使用，确保检测无误。③严格执行瓦斯检查员现场交接班制度，严禁瓦检员脱岗、串岗。④每天、每班必须有专人对有瓦斯涌出异常的区域和施工地点进行巡查，实行现场重点监管，及时解决存在的“一通三防”问题。

6 结束语

综上所述，煤与瓦斯突出作为一种极为复杂的动力现象，主要是由于其突发性和不完全的可知性而闻名的。我们很难完全避免它的发生，所以，防治煤与瓦斯的工作的重中之重是有一套综合而全方位的防治煤与瓦斯突出的系统工程，主要合理的采掘部署、预测突出的危险性以及正确地、有措施性的防治效果和通风及抽放瓦斯等综合防突措施等。这就需要我们了解煤与瓦斯突出的突发过程及演化机理对提高矿井产量，减少财产损失和人员伤亡具有重大的科学意义，虽然目前突出机理还未有统一的定论，但通过我们对煤与瓦斯的现有认识，加深对煤与瓦斯突出的理性思考，积极做好防御工作，就可以减少甚至避免这种灾难性事故的发生。

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