淺析煤與瓦斯突出預測及防治措施

淺析煤與瓦斯突出的預測及防治措施

作者：顏文星 2012-4-25

引言

　　煤與瓦斯突出是一個能量釋放過程，在這一過程中，首先是能量的積聚，這個能量包括瓦斯、地應力等。煤層內的瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力隨地質構造複雜程度的不同存在著較大的差異。由於地質構造帶存在著一定的構造應力，所以，在構造帶儲存有較高的煤岩彈性應變能，突出危險性較大；並且在這些區域，煤層裂隙較為發育，瓦斯含量和壓力往往較高，所以瓦斯內能較大，突出危險性較大。同時，在地質構造帶，由於煤岩層受到不同程度的破壞，煤層的堅固性係數往往較低，軟分層較為發育，相對而言抵抗突出破壞的能力較差，所以成為突出的多發區域。江西建新煤礦（90萬噸/年）為高瓦斯突出礦井，9#煤層為高瓦斯威脅煤層，2916工作麵屬於地質構造複雜區域，所以在該區域中的瓦斯預測、防突技術和防突管理，是礦井安全掘進的重要保障。

摘　要　煤（岩）與瓦斯（二氧化碳）突出是煤礦井下最重的自然災害之一,它嚴重製約著煤炭的正常生產,同時也危及工作人員的生命安全。煤與瓦斯突出預測是煤礦瓦斯安全管理的前提和基礎。開展煤與瓦斯突出方麵的研究能有效地加強瓦斯危機預警和防治工作的針對性,從而減少瓦斯災害的發生。在總結03manbetx 煤與瓦斯突出機理、突出類型、突出條件、突出一般規律和影響因素的基礎上，重點03manbetx 了煤與瓦斯突出預測的各種方法及針對性防治措施，神經網絡是預測煤與瓦斯突出非線性問題是最有前景的方法。

關鍵詞　煤（岩）與瓦斯（二氧化碳）突出　預測　防治措施

一、煤與瓦斯突出的機理、類型與一般規律

1、煤與瓦斯突出的機理

世界國對煤與瓦斯突出機理的研究都很重視，也取得了一定成果，但由於突出機理的複雜性及突出現象的多樣性，目前對突出機理的認識仍處於假說階段。一般對煤與瓦斯突出機理的認識可歸納為四種：地應力論、瓦斯作用論、化學本質論和綜合作用論。

我國從60年代起就對突出煤層的應力狀態、瓦斯賦存狀態、煤的物理力學性能等開展了一係列的研究，根據現場資料和實驗研究對突出機理進行了探討，提出了新的見解和觀點，概括起來主要有中心擴張學說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩理論、球殼失穩理論等。此外中國科學院力學研究所從力學角度對突出過程做了大量的研究工作，並提出了突出破壞過程及瓦斯滲流的機製方程。

2、煤與瓦斯突出的類型

煤與瓦斯的突出包括：煤與瓦斯突出、岩石與瓦斯突出、煤與CO₂突出、岩石與CO₂突出等。由於突出時的原動力和所表現現象的不同，煤與瓦斯突出可分為突然湧出、急速傾出、較慢壓出三種情況。除壓出主要是瓦斯或CO₂氣體外，前二種為煤塵固體和瓦斯或CO₂氣體同時湧出。

3、煤與瓦斯突出的一般規律

1）、突出的次數和強度隨開采的深度增加而增加；
2）、突出多發生在地質構造地區，如褶曲、斷層處及岩漿侵入地區；
3）、煤體破壞程度越嚴重，煤的強度越小，突出危險性越大；
4）、煤層厚度大、傾角大或其厚度和傾角發生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區，容易發生突出；
5）、掘進工作麵應力集中的地區易發生突出；
6）、在外力衝擊作用下，如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動，誘導瓦斯發生突出；
7）、圍岩的透氣性越差、致密的岩層越厚，煤層的瓦斯含量越高，其突出的危險性也就越大；
8）、突出多發生在揭煤和煤層掘進工作麵；
9）、在突出前大多數都會出現預兆。

二、煤與瓦斯突出的預測

1、突出預測方法的分類

按預測預報範圍和時間的不同，預測方法可分為3類：第一是區域性預測，主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區域性的突出危險性；第二是局部預測，它是在區域性的基礎上，根據鑽探、采掘工程等資料，進一步對局部地區或要點的突出危險性作出判斷；第三是日常預測，它是在區域性預測、局部預測的基礎上，根據突出預兆的各種異常效應，對突出危險發出警告。

2、目前對煤與瓦斯突出的預測方法

1）、微震技術預測突出危險性

研究表明，煤和圍岩受力破壞過程中發生破裂和震動，當從震源傳出震波或聲波的強度和頻率增加到一定數值時，可能出現煤的突然破壞，發生突出。突出是由連續的多起斷裂引起的，而且異常的微震發射通常在斷裂之前5～45s內產生，故微震法作為突出預報方法，有其廣闊的應用前景。俄羅斯在地震聲學預測方法中取得了較好的研究成果。

2）、煤層溫度狀況預測突出的危險性

溫度狀況預測突出危險性的理論根據是：瓦斯解吸時吸熱，導致煤層溫度降低。溫度降低越多，說明煤層瓦斯解吸能力越強，則突出危險性越大。

國外對采掘工作麵近工作麵地段的煤體溫度狀況進行了考察研究，用於突出危險性日常預測，並對掘進中發生的6次突出全部作出了預報。原蘇聯學者，采用近工作麵地帶的溫度與煤體原始溫度之差作為突出預測指標，該預測方法被原蘇聯防突委員會推薦使用。

3）、煤層中湧出的氦或氡濃度的變化預測突出

研究表明在地震之前不僅有氡的反常湧出現象，而且有氦的反常湧出。前蘇聯學者考察了頓涅茨煤田中2個不突出煤層和4個突出煤層的氦含量後指出：自由釋放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯壓力也相應的高。煤中湧出的氦可以作為預測突出的一個指標，該項目正在繼續進行。

4）、電磁輻射強度預測突出危險

電磁輻射(EME)是煤岩體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現象，與煤岩體的受載狀況及變形破裂過程密切相關。采用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出的優點是：電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災害動力現象的主要影響因素；可實現真正的非接觸預測，無需打鑽，對生產影響小，易於實現定向及區域性預測，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實現動態連續監測及預報，能夠反映含瓦斯煤體的動態變化過程；既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位，又能檢驗防突措施的效果。

目前岩石破裂電磁輻射效應的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤岩層受力變形破壞過程中會產生電磁輻射，電磁輻射強度取決於所受力的大小和煤岩層的物理力學性質。煤炭科學研究總院重慶分院利用這一原理研製的煤與瓦斯突出危險探測儀，在四川芙蓉礦務局進行了實際應用，取得了較好的效果。

5）、神經網絡方法進行突出預測

煤與瓦斯突出，其發生是由地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍岩特征諸多因素決定的。突出災害的發生是極不規則的，其所處的係統是一個不斷變化的係統，各種力學作用與這些作用所形成的地質體，大多數都處於複雜的非線性狀態。

人工神經網絡方法的出現，為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經網絡具有通過樣本來“學習”的能力，一方麵區別於傳統的各種預測方法，實際應用時無須做出因素與突出相關關係的任何假設，隻需將實際數據直接提供給網絡來訓練；另一方麵訓練完成後的網絡能以任何精度逼近真值(隻要訓練數據足夠多)，能夠抽提、捕捉隱藏在曆史數據中的規律，尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規律，這些優點是傳統方法無法比擬的。

三、煤與瓦斯突出預兆及其防治

1、煤與瓦斯突出預兆

煤與瓦斯突出前一般都有預兆，沒有預兆的突出是極少數的。突出預兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個階段”：一是突出前瓦斯在煤（岩）體內能量聚集階段；二是大突出前的少量瓦斯壓出階段，此時工作麵瓦斯濃度急劇升高；三是若能量夠大就發生大量瓦斯與煤塵湧出。各階段的顯現程度和處理原則各不相同。

2、煤與瓦斯突出的防治措施

煤與瓦斯突出是一種極其複雜的動力現象，因其具有突發性、不完全的可知性，很難完全防止它的產生。但是如果開展突出預測並采取行之有效的防治措施，仍可做到不發生或減少傷亡02manbetx.com 的發生。目前防治煤與瓦斯突出工作，已不是單一的技術措施，而是一套完整的綜合防治突出的係統工程。

防治突出首先要摸清楚它發生的地區、範圍，采取必要的防治措施，改變其發生突出應具備的基本條件，使其不發生或降低其突出強度，並采取必要的安全防護措施，重點要抓好以下幾點工作。

1）、揭煤防突

目前大都采用遠距離震動放炮的方法揭開煤層，揭煤防突主要是把好“七關”。

設計關：進行煤巷道的設計時，要避開地質構造帶和應力集中區；
施工關：巷道和抽放鑽孔必須按設計施工，落實到實處；
驗收關：巷道和抽放鑽孔必須有專人驗收，確保質量；
封孔關：凡有礦井係統抽放和局部抽放係統的礦井，應采用新設備、新技術、新工藝、新材料，確保封孔質量，提高抽放效果；
抽放卸壓關：應按表計算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數；
檢驗關：必須按照頒發的防突細則的有關規定進行效果檢驗，符合要求後方準揭煤；
二次卸壓關：揭煤前可再打一組卸壓孔，進行二次卸壓。

2）、煤巷掘進防突

實踐證明，煤與瓦斯突出多發生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出，應用超前排放鑽孔、淺孔鬆動爆破、深孔控製爆破、預抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結合的綜合防突措施。在一般和中等程度突出危險區域，大部分采取打少數超前卸壓鑽孔的方法解突；在嚴重突出危險區域，大都采用超前鑽孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

3）、大傾角不穩定煤層防突

在大傾角不穩定煤層中，重點采取超前密集鑽孔和煤層注水防突措施。超前密集鑽孔是通過煤體前方的鑽孔使煤體應力釋放和轉移，鑽孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放，使掘進頭前方一定範圍內形成低應力、低瓦斯區，達到防突或降低突出強度的目的。

目前都不同程度地應用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性，實驗測試結果表明：濕潤煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%，當煤樣吸水飽和後，濕煤較幹煤的透氣係數要下降一個數量級。國內外不少礦井煤層注水後的實際結果表明，注水結束後打開鑽孔時幾乎沒有瓦斯湧出現象，在注水進行采掘時，瓦斯湧出量明顯下降，並且放炮後的瓦斯湧出量比較均勻。

四、采麵防突實例

1、試驗區域情況

　　建新煤礦2916工作麵位於井田西翼二水平一采區，標高一302—397m，工作麵全長1030m，傾向寬120m，沿走向布置。東以二采區中部運輸上山為界，西(2916切眼)靠近F₁₂礦井邊界斷層，風巷與設計2944工作麵為界，機巷靠近2948采空區。工作麵平均煤厚2．2m，煤層厚度變化較大，靠近斷層處煤層有拉薄現象，變異係數20％；煤層結構較複雜，含1～2層夾矸，夾矸為灰黑色泥岩，平均厚度0．1m。本工作麵構造較複雜。煤層產狀局部有起伏，受區域構造力作用，小斷層較為發育。2916工作麵煤層瓦斯含量為26m³／t,煤層含有二層軟分層。煤層傾角22°左右。

2、防突技術

　　建新煤礦2916煤層為高瓦斯突出威脅煤層，根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，並結合礦井施工區域的特殊性在2916煤層掘進及回采期間，采用“超前鑽孔預抽瓦斯加四位一體”綜合防突措施，工作流程如圖所示：

2．1突出預測及效檢

突出預測及效檢技術以《防治煤與瓦斯突出規定》為原則，結合礦井煤層的實際情況，以鑽屑量S和瓦斯解吸指標K₁為主要預測及效檢指標；輔助指標為各種動力現象、地質構造發育及變化程度、構造煤變異程度、瓦斯湧出異常現象等。當上述主要指標超限時，即認為工作麵具有突出危險性；當輔助指標異常時，需要03manbetx 其異常的原因，在確認為與突出危險無關時，方可排除輔助指標預測突出危險的結論。

　　在2916煤層掘進工作麵進行防突預測時，布置3個預測鑽孔，鑽孔的深度按規定要求布置。鑽孔盡量布置在軟分層，中間一個鑽孔位於巷道中部與掘進方向一致，另外兩個鑽孔開孔於工作麵兩側巷幫內0．5m處，終孔於巷道前方預計輪廓線外2～4m。采煤工作麵進行防突預測時，每隔10m布置一個防突預測鑽孔。鑽屑量的測定從鑽孔第1m開始，每施工1m用專用容器收集孔口鑽屑，並用彈簧秤稱量，鑽屑量的臨界值采用《規定》規定的So=6k~m；K值的測定在鑽每2m、4m、6m、8m時用WTC防突測定儀進行測定，K值的臨界值K=0．5mL／gmin；瓦斯湧出初速度口的測定從鑽孔第2m開始用TwY防突測定儀測定，q的臨界值q=4L／min。掘進過程遇到下列情況時，均視為有突出危險：地質構造破壞帶，如斷層、褶曲等構造；煤層傾角、厚度、走向或傾向等賦存條件急劇變化以及軟分層增厚地帶(軟分層厚度≥0-3m)；打鑽過程出現噴孔、卡鑽、頂鑽、吸鑽等動力現象；工作麵出現明顯的突出預兆：頂板來壓、支架斷裂、煤壁片幫、掉渣與外鼓，煤壁光澤暗淡、層理紊亂，瓦斯湧出忽大忽小、工作麵溫度降低，煤壁前方附近出現煤炮聲等；采掘應力迭加區域。

2．2預測及效檢工藝要求

　　為了提高預測及校檢數據的可靠性，對打鑽工藝及防突儀器的操作做了以下要求：①鑽孔施工、指標測定由專人負責，以消除由於施工與測定技術差異引起的操作誤差；②施工鑽孔前要仔細觀察巷幫支護情況、頂板受力情況、煤壁特征等，並作詳細記錄；③在測定K。值和鑽孔瓦斯湧出初速度時，應當盡可能減少人為因素對測量造成的誤差；④測量鑽屑量時，盡可能多的收集到鑽屑，以提高鑽屑量的準確度；⑤預測效檢測過程中要具有高度的責任心，詳細記錄預測及校檢過程中的各種動力現象，不能敷衍了事。

2．3工作麵消突措施

　　當預測及校檢有突出危險時，應該及時采取消突措施，不能盲目進尺。根據礦井瓦斯自然排放半徑0．5m的經驗數據和2916煤層的實際厚度，采取的主要防突措施是在工作麵施工9個18～19m深，9lmm大直徑瓦斯排放及卸壓鑽孔。鑽孔的布置綜合考慮煤體狀況，主要布置在分層及構造煤層中，同時，通過觀察煤層延伸方向，從三維空間的角度設計最少的鑽孔達到最好的消突目的。在消突鑽孔施工過程中，要詳細記錄動力現象，如噴孔、卡鑽、響煤炮等，發現有異常情況及時通知相關部門處理。

　　當掘進工作麵遇褶曲構造，即煤層彎曲變形的構成形式，除掘進方向沿煤層走向不變，加強轉彎巷道處的支護外，防突在保留5m安全屏障的工作麵，盡可能利用小型煤電鑽向前方煤層多打孔，然後用大型液壓鑽機打部分岩孔進入褶曲轉折端煤層並過全煤層，再對轉折端煤層排放孔檢驗，有效後方可掘進。

　　當掘進工作麵遇壓薄帶與增厚帶的伴生構造形式，如由煤層增厚帶進入壓薄帶，防突措施可以適當減少鑽孔；如由煤層壓薄帶進入增厚帶，防突措施可以適當增加鑽孔，加強排放孔工作，在效檢有效後方可進入厚煤帶掘進。

3、采煤工作麵瓦斯抽采

根據2916工作麵煤層賦存條件和瓦斯湧出來源03manbetx ，在回采期間采用本煤層順層超前鑽孔抽采（高負壓）和采空區埋管抽采（低負壓）措施。封孔長度為10m。

2916工作麵瓦斯抽采設計如圖所示：

4、煤巷掘進工作麵防突預測

采用鑽屑指標法預測煤巷掘進工作麵突出危險性，工作麵向前方煤體施工3個直徑42mm、孔深10m的鑽孔，測定鑽屑瓦斯解吸指標和鑽屑量。

鑽孔布置在軟分層中，一個鑽孔位於掘進巷道斷麵中部，並平行於掘進方向，其他鑽孔的終孔點應位於巷道斷麵兩側輪廓線外4m處。

鑽孔每鑽進1m測定該1m段的全部鑽屑量S，每鑽進2m至少測定一次鑽屑瓦斯解吸指標K1或△h2值。

突出危險性的參考臨界值

鑽屑瓦斯解吸指標Δh2

Pa鑽屑瓦斯解吸指標K1

mL/g•min12鑽屑量S（kg/m）（L/m）2000.565.4如果實測得到的S、K1或△h2的所有測定值均小於臨界值，並且未發現其他異常情況，則該工作麵預測為無突出危險工作麵；否則，為突出危險工作麵。

預測鑽孔布置圖(平剖麵圖)

5、防突管理

地質構造複雜區域高瓦斯煤層的防突與瓦斯治理工作中，首先是思想上必須高度重視，組織管理要全麵，技術措施要嚴密，防突職責要落實，現場嚴格執行“先抽後掘采，抽采須達標”的原則，確保在安全的前提下，完成地質構造複雜區域高瓦斯突出煤層的采掘工作。

　　防突及瓦斯治理管理上在吸取了本礦及其他若幹煤礦突出02manbetx.com 教訓後，礦領導加強管理，建立了一套較為完善的防突管理規範。由於在嚴格落實綜合防突技術及瓦斯綜合治理措施過程中涉及的部門較多(包括通風、抽排、掘進、回采等)，為了協調這種複雜的工作環節，建立了以總工程師為直接領導、調度室為核心的指揮網絡管理體係，各單位領導負技術責任，工作責任落實到人。這種管理體係不僅提高了工作效率、加強了信息溝通及反饋，而且避免了管理脫節現象、工作推委現象、施工延誤現象等，為礦井的防突及瓦斯治理工作順利開展作出了極大的貢獻。

6、結語

　　在深井地質構造複雜區域采取“超前鑽孔預抽瓦斯+四位一體”的綜合防突技術防治煤與瓦斯突，即根據2916煤層厚度和預測效檢情況，施工掘進循環超前預排瓦斯鑽孔和防突措施孔。通過預排瓦斯鑽孔或防突措施孔，降低地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量，相應增加構造煤強度，同時提高巷道支護強度，保證發生突出的阻力大於動力，防治煤與瓦斯突出故事。工作麵回采期間采取的順層超前鑽孔抽采、采空區埋管抽采措施，有效的解決了回采工作麵的瓦斯超限等02manbetx.com 。

　　在2916煤層采掘中采取綜合防突技術、瓦斯綜合治理措施和規範化的管理體係以來未發生動力現象和瓦斯超限02manbetx.com ，保證了采掘工作的順利進行，實現了安全生產。

淺析煤與瓦斯突出的預測及防治措施

作者：顏文星 2012-4-25

引言

　　煤與瓦斯突出是一個能量釋放過程，在這一過程中，首先是能量的積聚，這個能量包括瓦斯、地應力等。煤層內的瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力隨地質構造複雜程度的不同存在著較大的差異。由於地質構造帶存在著一定的構造應力，所以，在構造帶儲存有較高的煤岩彈性應變能，突出危險性較大；並且在這些區域，煤層裂隙較為發育，瓦斯含量和壓力往往較高，所以瓦斯內能較大，突出危險性較大。同時，在地質構造帶，由於煤岩層受到不同程度的破壞，煤層的堅固性係數往往較低，軟分層較為發育，相對而言抵抗突出破壞的能力較差，所以成為突出的多發區域。江西建新煤礦（90萬噸/年）為高瓦斯突出礦井，9#煤層為高瓦斯威脅煤層，2916工作麵屬於地質構造複雜區域，所以在該區域中的瓦斯預測、防突技術和防突管理，是礦井安全掘進的重要保障。

摘　要　煤（岩）與瓦斯（二氧化碳）突出是煤礦井下最重的自然災害之一,它嚴重製約著煤炭的正常生產,同時也危及工作人員的生命安全。煤與瓦斯突出預測是煤礦瓦斯安全管理的前提和基礎。開展煤與瓦斯突出方麵的研究能有效地加強瓦斯危機預警和防治工作的針對性,從而減少瓦斯災害的發生。在總結分析煤與瓦斯突出機理、突出類型、突出條件、突出一般規律和影響因素的基礎上，重點分析了煤與瓦斯突出預測的各種方法及針對性防治措施，神經網絡是預測煤與瓦斯突出非線性問題是最有前景的方法。

關鍵詞　煤（岩）與瓦斯（二氧化碳）突出　預測　防治措施

一、煤與瓦斯突出的機理、類型與一般規律

1、煤與瓦斯突出的機理

世界國對煤與瓦斯突出機理的研究都很重視，也取得了一定成果，但由於突出機理的複雜性及突出現象的多樣性，目前對突出機理的認識仍處於假說階段。一般對煤與瓦斯突出機理的認識可歸納為四種：地應力論、瓦斯作用論、化學本質論和綜合作用論。

我國從60年代起就對突出煤層的應力狀態、瓦斯賦存狀態、煤的物理力學性能等開展了一係列的研究，根據現場資料和實驗研究對突出機理進行了探討，提出了新的見解和觀點，概括起來主要有中心擴張學說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩理論、球殼失穩理論等。此外中國科學院力學研究所從力學角度對突出過程做了大量的研究工作，並提出了突出破壞過程及瓦斯滲流的機製方程。

2、煤與瓦斯突出的類型

煤與瓦斯的突出包括：煤與瓦斯突出、岩石與瓦斯突出、煤與CO₂突出、岩石與CO₂突出等。由於突出時的原動力和所表現現象的不同，煤與瓦斯突出可分為突然湧出、急速傾出、較慢壓出三種情況。除壓出主要是瓦斯或CO₂氣體外，前二種為煤塵固體和瓦斯或CO₂氣體同時湧出。

3、煤與瓦斯突出的一般規律

1）、突出的次數和強度隨開采的深度增加而增加；
2）、突出多發生在地質構造地區，如褶曲、斷層處及岩漿侵入地區；
3）、煤體破壞程度越嚴重，煤的強度越小，突出危險性越大；
4）、煤層厚度大、傾角大或其厚度和傾角發生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區，容易發生突出；
5）、掘進工作麵應力集中的地區易發生突出；
6）、在外力衝擊作用下，如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動，誘導瓦斯發生突出；
7）、圍岩的透氣性越差、致密的岩層越厚，煤層的瓦斯含量越高，其突出的危險性也就越大；
8）、突出多發生在揭煤和煤層掘進工作麵；
9）、在突出前大多數都會出現預兆。

二、煤與瓦斯突出的預測

1、突出預測方法的分類

按預測預報範圍和時間的不同，預測方法可分為3類：第一是區域性預測，主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區域性的突出危險性；第二是局部預測，它是在區域性的基礎上，根據鑽探、采掘工程等資料，進一步對局部地區或要點的突出危險性作出判斷；第三是日常預測，它是在區域性預測、局部預測的基礎上，根據突出預兆的各種異常效應，對突出危險發出警告。

2、目前對煤與瓦斯突出的預測方法

1）、微震技術預測突出危險性

研究表明，煤和圍岩受力破壞過程中發生破裂和震動，當從震源傳出震波或聲波的強度和頻率增加到一定數值時，可能出現煤的突然破壞，發生突出。突出是由連續的多起斷裂引起的，而且異常的微震發射通常在斷裂之前5～45s內產生，故微震法作為突出預報方法，有其廣闊的應用前景。俄羅斯在地震聲學預測方法中取得了較好的研究成果。

2）、煤層溫度狀況預測突出的危險性

溫度狀況預測突出危險性的理論根據是：瓦斯解吸時吸熱，導致煤層溫度降低。溫度降低越多，說明煤層瓦斯解吸能力越強，則突出危險性越大。

國外對采掘工作麵近工作麵地段的煤體溫度狀況進行了考察研究，用於突出危險性日常預測，並對掘進中發生的6次突出全部作出了預報。原蘇聯學者，采用近工作麵地帶的溫度與煤體原始溫度之差作為突出預測指標，該預測方法被原蘇聯防突委員會推薦使用。

3）、煤層中湧出的氦或氡濃度的變化預測突出

研究表明在地震之前不僅有氡的反常湧出現象，而且有氦的反常湧出。前蘇聯學者考察了頓涅茨煤田中2個不突出煤層和4個突出煤層的氦含量後指出：自由釋放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯壓力也相應的高。煤中湧出的氦可以作為預測突出的一個指標，該項目正在繼續進行。

4）、電磁輻射強度預測突出危險

電磁輻射(EME)是煤岩體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現象，與煤岩體的受載狀況及變形破裂過程密切相關。采用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出的優點是：電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災害動力現象的主要影響因素；可實現真正的非接觸預測，無需打鑽，對生產影響小，易於實現定向及區域性預測，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實現動態連續監測及預報，能夠反映含瓦斯煤體的動態變化過程；既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位，又能檢驗防突措施的效果。

目前岩石破裂電磁輻射效應的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤岩層受力變形破壞過程中會產生電磁輻射，電磁輻射強度取決於所受力的大小和煤岩層的物理力學性質。煤炭科學研究總院重慶分院利用這一原理研製的煤與瓦斯突出危險探測儀，在四川芙蓉礦務局進行了實際應用，取得了較好的效果。

5）、神經網絡方法進行突出預測

煤與瓦斯突出，其發生是由地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍岩特征諸多因素決定的。突出災害的發生是極不規則的，其所處的係統是一個不斷變化的係統，各種力學作用與這些作用所形成的地質體，大多數都處於複雜的非線性狀態。

人工神經網絡方法的出現，為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經網絡具有通過樣本來“學習”的能力，一方麵區別於傳統的各種預測方法，實際應用時無須做出因素與突出相關關係的任何假設，隻需將實際數據直接提供給網絡來訓練；另一方麵訓練完成後的網絡能以任何精度逼近真值(隻要訓練數據足夠多)，能夠抽提、捕捉隱藏在曆史數據中的規律，尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規律，這些優點是傳統方法無法比擬的。

三、煤與瓦斯突出預兆及其防治

1、煤與瓦斯突出預兆

煤與瓦斯突出前一般都有預兆，沒有預兆的突出是極少數的。突出預兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個階段”：一是突出前瓦斯在煤（岩）體內能量聚集階段；二是大突出前的少量瓦斯壓出階段，此時工作麵瓦斯濃度急劇升高；三是若能量夠大就發生大量瓦斯與煤塵湧出。各階段的顯現程度和處理原則各不相同。

2、煤與瓦斯突出的防治措施

煤與瓦斯突出是一種極其複雜的動力現象，因其具有突發性、不完全的可知性，很難完全防止它的產生。但是如果開展突出預測並采取行之有效的防治措施，仍可做到不發生或減少傷亡事故的發生。目前防治煤與瓦斯突出工作，已不是單一的技術措施，而是一套完整的綜合防治突出的係統工程。

防治突出首先要摸清楚它發生的地區、範圍，采取必要的防治措施，改變其發生突出應具備的基本條件，使其不發生或降低其突出強度，並采取必要的安全防護措施，重點要抓好以下幾點工作。

1）、揭煤防突

目前大都采用遠距離震動放炮的方法揭開煤層，揭煤防突主要是把好“七關”。

設計關：進行煤巷道的設計時，要避開地質構造帶和應力集中區；
施工關：巷道和抽放鑽孔必須按設計施工，落實到實處；
驗收關：巷道和抽放鑽孔必須有專人驗收，確保質量；
封孔關：凡有礦井係統抽放和局部抽放係統的礦井，應采用新設備、新技術、新工藝、新材料，確保封孔質量，提高抽放效果；
抽放卸壓關：應按表計算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數；
檢驗關：必須按照頒發的防突細則的有關規定進行效果檢驗，符合要求後方準揭煤；
二次卸壓關：揭煤前可再打一組卸壓孔，進行二次卸壓。

2）、煤巷掘進防突

實踐證明，煤與瓦斯突出多發生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出，應用超前排放鑽孔、淺孔鬆動爆破、深孔控製爆破、預抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結合的綜合防突措施。在一般和中等程度突出危險區域，大部分采取打少數超前卸壓鑽孔的方法解突；在嚴重突出危險區域，大都采用超前鑽孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

3）、大傾角不穩定煤層防突

在大傾角不穩定煤層中，重點采取超前密集鑽孔和煤層注水防突措施。超前密集鑽孔是通過煤體前方的鑽孔使煤體應力釋放和轉移，鑽孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放，使掘進頭前方一定範圍內形成低應力、低瓦斯區，達到防突或降低突出強度的目的。

目前都不同程度地應用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性，實驗測試結果表明：濕潤煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%，當煤樣吸水飽和後，濕煤較幹煤的透氣係數要下降一個數量級。國內外不少礦井煤層注水後的實際結果表明，注水結束後打開鑽孔時幾乎沒有瓦斯湧出現象，在注水進行采掘時，瓦斯湧出量明顯下降，並且放炮後的瓦斯湧出量比較均勻。

四、采麵防突實例

1、試驗區域情況

　　建新煤礦2916工作麵位於井田西翼二水平一采區，標高一302—397m，工作麵全長1030m，傾向寬120m，沿走向布置。東以二采區中部運輸上山為界，西(2916切眼)靠近F₁₂礦井邊界斷層，風巷與設計2944工作麵為界，機巷靠近2948采空區。工作麵平均煤厚2．2m，煤層厚度變化較大，靠近斷層處煤層有拉薄現象，變異係數20％；煤層結構較複雜，含1～2層夾矸，夾矸為灰黑色泥岩，平均厚度0．1m。本工作麵構造較複雜。煤層產狀局部有起伏，受區域構造力作用，小斷層較為發育。2916工作麵煤層瓦斯含量為26m³／t,煤層含有二層軟分層。煤層傾角22°左右。

2、防突技術

　　建新煤礦2916煤層為高瓦斯突出威脅煤層，根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，並結合礦井施工區域的特殊性在2916煤層掘進及回采期間，采用“超前鑽孔預抽瓦斯加四位一體”綜合防突措施，工作流程如圖所示：

2．1突出預測及效檢

突出預測及效檢技術以《防治煤與瓦斯突出規定》為原則，結合礦井煤層的實際情況，以鑽屑量S和瓦斯解吸指標K₁為主要預測及效檢指標；輔助指標為各種動力現象、地質構造發育及變化程度、構造煤變異程度、瓦斯湧出異常現象等。當上述主要指標超限時，即認為工作麵具有突出危險性；當輔助指標異常時，需要分析其異常的原因，在確認為與突出危險無關時，方可排除輔助指標預測突出危險的結論。

　　在2916煤層掘進工作麵進行防突預測時，布置3個預測鑽孔，鑽孔的深度按規定要求布置。鑽孔盡量布置在軟分層，中間一個鑽孔位於巷道中部與掘進方向一致，另外兩個鑽孔開孔於工作麵兩側巷幫內0．5m處，終孔於巷道前方預計輪廓線外2～4m。采煤工作麵進行防突預測時，每隔10m布置一個防突預測鑽孔。鑽屑量的測定從鑽孔第1m開始，每施工1m用專用容器收集孔口鑽屑，並用彈簧秤稱量，鑽屑量的臨界值采用《規定》規定的So=6k~m；K值的測定在鑽每2m、4m、6m、8m時用WTC防突測定儀進行測定，K值的臨界值K=0．5mL／gmin；瓦斯湧出初速度口的測定從鑽孔第2m開始用TwY防突測定儀測定，q的臨界值q=4L／min。掘進過程遇到下列情況時，均視為有突出危險：地質構造破壞帶，如斷層、褶曲等構造；煤層傾角、厚度、走向或傾向等賦存條件急劇變化以及軟分層增厚地帶(軟分層厚度≥0-3m)；打鑽過程出現噴孔、卡鑽、頂鑽、吸鑽等動力現象；工作麵出現明顯的突出預兆：頂板來壓、支架斷裂、煤壁片幫、掉渣與外鼓，煤壁光澤暗淡、層理紊亂，瓦斯湧出忽大忽小、工作麵溫度降低，煤壁前方附近出現煤炮聲等；采掘應力迭加區域。

2．2預測及效檢工藝要求

　　為了提高預測及校檢數據的可靠性，對打鑽工藝及防突儀器的操作做了以下要求：①鑽孔施工、指標測定由專人負責，以消除由於施工與測定技術差異引起的操作誤差；②施工鑽孔前要仔細觀察巷幫支護情況、頂板受力情況、煤壁特征等，並作詳細記錄；③在測定K。值和鑽孔瓦斯湧出初速度時，應當盡可能減少人為因素對測量造成的誤差；④測量鑽屑量時，盡可能多的收集到鑽屑，以提高鑽屑量的準確度；⑤預測效檢測過程中要具有高度的責任心，詳細記錄預測及校檢過程中的各種動力現象，不能敷衍了事。

2．3工作麵消突措施

　　當預測及校檢有突出危險時，應該及時采取消突措施，不能盲目進尺。根據礦井瓦斯自然排放半徑0．5m的經驗數據和2916煤層的實際厚度，采取的主要防突措施是在工作麵施工9個18～19m深，9lmm大直徑瓦斯排放及卸壓鑽孔。鑽孔的布置綜合考慮煤體狀況，主要布置在分層及構造煤層中，同時，通過觀察煤層延伸方向，從三維空間的角度設計最少的鑽孔達到最好的消突目的。在消突鑽孔施工過程中，要詳細記錄動力現象，如噴孔、卡鑽、響煤炮等，發現有異常情況及時通知相關部門處理。

　　當掘進工作麵遇褶曲構造，即煤層彎曲變形的構成形式，除掘進方向沿煤層走向不變，加強轉彎巷道處的支護外，防突在保留5m安全屏障的工作麵，盡可能利用小型煤電鑽向前方煤層多打孔，然後用大型液壓鑽機打部分岩孔進入褶曲轉折端煤層並過全煤層，再對轉折端煤層排放孔檢驗，有效後方可掘進。

　　當掘進工作麵遇壓薄帶與增厚帶的伴生構造形式，如由煤層增厚帶進入壓薄帶，防突措施可以適當減少鑽孔；如由煤層壓薄帶進入增厚帶，防突措施可以適當增加鑽孔，加強排放孔工作，在效檢有效後方可進入厚煤帶掘進。

3、采煤工作麵瓦斯抽采

根據2916工作麵煤層賦存條件和瓦斯湧出來源分析，在回采期間采用本煤層順層超前鑽孔抽采（高負壓）和采空區埋管抽采（低負壓）措施。封孔長度為10m。

2916工作麵瓦斯抽采設計如圖所示：

4、煤巷掘進工作麵防突預測

采用鑽屑指標法預測煤巷掘進工作麵突出危險性，工作麵向前方煤體施工3個直徑42mm、孔深10m的鑽孔，測定鑽屑瓦斯解吸指標和鑽屑量。

鑽孔布置在軟分層中，一個鑽孔位於掘進巷道斷麵中部，並平行於掘進方向，其他鑽孔的終孔點應位於巷道斷麵兩側輪廓線外4m處。

鑽孔每鑽進1m測定該1m段的全部鑽屑量S，每鑽進2m至少測定一次鑽屑瓦斯解吸指標K1或△h2值。

突出危險性的參考臨界值

鑽屑瓦斯解吸指標Δh2

Pa鑽屑瓦斯解吸指標K1

mL/g•min12鑽屑量S（kg/m）（L/m）2000.565.4如果實測得到的S、K1或△h2的所有測定值均小於臨界值，並且未發現其他異常情況，則該工作麵預測為無突出危險工作麵；否則，為突出危險工作麵。

預測鑽孔布置圖(平剖麵圖)

5、防突管理

地質構造複雜區域高瓦斯煤層的防突與瓦斯治理工作中，首先是思想上必須高度重視，組織管理要全麵，技術措施要嚴密，防突職責要落實，現場嚴格執行“先抽後掘采，抽采須達標”的原則，確保在安全的前提下，完成地質構造複雜區域高瓦斯突出煤層的采掘工作。

　　防突及瓦斯治理管理上在吸取了本礦及其他若幹煤礦突出事故教訓後，礦領導加強管理，建立了一套較為完善的防突管理規範。由於在嚴格落實綜合防突技術及瓦斯綜合治理措施過程中涉及的部門較多(包括通風、抽排、掘進、回采等)，為了協調這種複雜的工作環節，建立了以總工程師為直接領導、調度室為核心的指揮網絡管理體係，各單位領導負技術責任，工作責任落實到人。這種管理體係不僅提高了工作效率、加強了信息溝通及反饋，而且避免了管理脫節現象、工作推委現象、施工延誤現象等，為礦井的防突及瓦斯治理工作順利開展作出了極大的貢獻。

6、結語

　　在深井地質構造複雜區域采取“超前鑽孔預抽瓦斯+四位一體”的綜合防突技術防治煤與瓦斯突，即根據2916煤層厚度和預測效檢情況，施工掘進循環超前預排瓦斯鑽孔和防突措施孔。通過預排瓦斯鑽孔或防突措施孔，降低地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量，相應增加構造煤強度，同時提高巷道支護強度，保證發生突出的阻力大於動力，防治煤與瓦斯突出故事。工作麵回采期間采取的順層超前鑽孔抽采、采空區埋管抽采措施，有效的解決了回采工作麵的瓦斯超限等事故。

　　在2916煤層采掘中采取綜合防突技術、瓦斯綜合治理措施和規範化的管理體係以來未發生動力現象和瓦斯超限事故，保證了采掘工作的順利進行，實現了安全生產。