浅析煤与瓦斯突出防治方法
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摘要：我国煤与瓦斯突出灾害严重威胁着煤矿安全生产。但是煤与瓦斯突出机理还没有被完全认识，煤与瓦斯突出现象还没有得到完全控制。目前，我国煤炭生产规模日益扩大，开采水平不断加深，煤与瓦斯突出的危险性在增大。因此必须加大科研力度，加强对煤与瓦斯突出的认识，提高煤矿安全水平。
关键词：煤与瓦斯突出；突出机理；防突措施
中图分类号：TD76 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）0014(C)-0212-02
引言：煤矿地下采掘过程中，在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。它是矿井瓦斯特殊涌出的一种形式，是煤矿严重的自然灾害之一。它是煤体在地应力和高压瓦斯的共同作用下发生的一种异常动力现象，表现为几顿至数千吨、甚至达数万吨以上的破碎煤在数秒至几十秒的极短时间内由煤体向巷道、工作面等采掘空间抛出，并伴有大量瓦斯涌出。
一、煤与瓦斯突出机理假说
煤与瓦斯突出机理是解释突出原因和描述突出发生、发展过程的理论。对于开展瓦斯突出预测预报和正确的采取有效防突措施均具有重要的理论和实际意义。突出发生的突然性和危险性使得直接观测突出的发生和发展过程极为困难。目前对突出机理的研究，只能是根据突出统计资料、突出后的现场观测数据以及采用实验室模拟方法，通过对不同的实验结果分析进行。国内外关于煤与瓦斯突出机理的研究很广泛，由于突出的区域性和复杂性，已对突出机理形成众多假说。目前，综合作用假说较具有代表性。
综合作用假说认为，煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及媒体自身物理力学性质三者综合作用的结果。虽然支持综合作用假说的学者都认为煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果，但对各种因素在突出中所起的作用却持不同观点。目前，具有代表性的综合作用假说主要有
（一）振动说
煤与瓦斯突出的形成不是一个单独的过程，而是由围岩对煤层的振动作用有关的三个连续阶段做成的：第一阶段，煤受到来自围岩方面的压力作用而破坏，煤的体积缩小，游离瓦斯压力增大，并有一部分转化为吸附瓦斯；第二阶段，卸压，煤层体积膨胀，瓦斯压力降低，瓦斯解吸；第三阶段，包含粉碎煤和大量游离瓦斯的煤层又再次受压，瓦斯压力再次增大。当巷道工作面接近上述破坏带时，处于高压的粉煤和瓦斯混合物就有可能冲破煤壁而发生突出。因此该假说认为：瓦斯是造成突出的主体。而煤粉碎、瓦斯解吸和粉煤瓦斯混合物的喷出所需的能量是由围岩通过振动来传递的。
（二）分层分离说
突出是由地应力和瓦斯共同作用的结果，突出过程分为三个阶段：准备阶段。工作面附近的煤层始终处于地应力的作用下，造成了发生突出的条件，增加了瓦斯向巷道方向渗透的阻力，促使煤层保持高的瓦斯压力，煤体强度降低，煤易于从煤体中分离；颗粒分离波的传播阶段。突出时，颗粒的分离过程是一层一层进行的。当突出危险带表面急剧暴露时由于瓦斯压力梯度作用使分层承受拉力，当拉力大于分层强度时，即发生分层从煤体上的分离。分层分离是一切突出的重要组成部分，影响着突出的主要特征，但并没有全面反映突出过程的多种形式；瓦斯和颗粒混合物的运动阶段。从煤体分离的煤颗粒和瓦斯急速冲向巷道，随着混合物运动，瓦斯进一步膨胀，速度继续加快，但其遇到阻碍时，速度降低而压力升高，直到增高的压力不能超过破坏条件时过程才停止。
（三）破坏区说
典型的冲击地压是由于集中毅力所造成的破坏现象，典型的瓦斯突出是瓦斯作用的结果。介于两者之间的现象，称为冲击地压式突出。它是瓦斯压力和地应力共同作用的结果。不论是突出还是冲击地压，首先必须破坏煤体。而煤体得破碎过程是一致的。在不均质的煤内，各点的强度不同，在高压力的作用下，由强度最低的点先发生破坏，并在其周围造成应力集中，如邻点的强度小于这个集中应力就会破坏成破坏区。在这种破坏区中，煤的强度显著下降，变成弱应力区。此区内的吸附瓦斯由于煤体破坏时释放的弹性能供给热量而解吸，煤粒子间的瓦斯使煤的内摩擦力下降，变成易流动的状态。当这种粉碎的煤流喷射出时，便形成了突出。
（四）游离瓦斯压力说
突出时煤质、地应力、瓦斯压力综合作用的结果，但瓦斯因素是主要的，煤体内游离瓦斯压力是发动突出的主要力量，解吸的瓦斯仅参与突出煤的搬运过程。如果工作面在突出危险区是逐渐推进的，则工作面前方煤体处于匀速流动的状态。如果工作面前方的过载应力区得围岩突然变化，将出现加速的动态而突出。游离的突出条件是：煤的结构紊乱，瓦斯压力高，煤和围岩的应力大。
二、防治煤与瓦斯突出的技术措施
防突措施一般分为两类：区域性防突措施和局部防突措施。
（一）区域性防突措施
区域性防突措施的作用在于使煤层一定区域消除突出危险。属于该类措施的有开采保护层。预抽煤层瓦斯和煤层注水等措施。区域性防突措施的优点是在突出煤层采掘工作开展前，预先采取防突措施，措施施工与采掘作业互不干扰，且其防突效果较好。
1、开采保护层。在突出矿井开采煤层群时，必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层中受到保护的地区按无突出煤层进行采掘工作，在未受到保护的地区必须采取防治突出措施。开采保护层之前，选择保护层是一项关键工作，一般应首先选择无突出危险的煤层作为保护层。当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，应根据安全、技术和经济的合理性，综合比较分析，择优选定。当矿井中所有煤层都有突出危险时，应选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，但在此保护层中进行采掘工作时，必须采取防治突出措施。开采保护层时，采空区内不得留有煤（岩）柱，特殊情况需留煤（岩）柱时，必须将煤岩柱的位置和尺寸准确的标在采掘平面图上。每个被保护层得瓦斯地质图上，应标出煤（岩）柱的影响范围，在这个范围内进行采掘工作时，必须采取防治突出措施。当保护层内非留煤柱不可时，必须按照其最外缘的轮廓画出平直轮廓线，并根据保护层与被保护层之间的层间距变化确定其有效影响范围。在被保护层中进行采掘工作时，还应根据采掘瓦斯动态及时修改。开采厚度等于或小于0.5米得保护层时必须检验实际保护效果。如果保护层的实际保护效果不好，在开采被保护层时还必须采取防治突出的补充措施。在有抽放瓦斯系统的矿井开采保护层时，应同时抽放被保护层的瓦斯。开采近距离保护层时，必须采取措施严防被保护层初期卸压的瓦斯突然涌入保护层采掘工作面或误穿突出煤层。
2、预抽煤层瓦斯。一个采煤工作面的瓦斯涌出量每分钟大于5m3时，或一个掘进工作面每分钟大于3m3，采用通风方法解决瓦斯问题不合理，应采取抽放瓦斯措施。瓦斯抽放方法主要有四类：开采层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放。单一的突出危险煤层和无保护层可采的突出煤层群，可采用预抽煤层瓦斯防治突出的措施，钻孔应控制整个预抽区域并均匀布置。预抽煤层瓦斯防治突出措施的有效性指标，应根据矿井实测资料确定。在未达到预抽有效性指标的区段进行采掘作业时，必须采取补充的防治突出措施。预抽煤层瓦斯钻孔可采用沿煤层或穿层布置方式。采用预抽煤层瓦斯措施防止突出时，钻孔封堵必须严密，穿层钻孔的封孔深度应不小于3m，沿层钻孔的封孔深度应不小于5m，钻孔孔口抽放负压不应小于13KPa，并应使波动范围尽可能的降低，采用预抽煤层瓦斯防治突出措施的有效性指标，应根据矿井实测资料确定。如果无实测数据，可参考下列方法确定：（1）预抽煤层瓦斯后，突出煤层残存瓦斯含量应小于该煤层始突深度的原始煤层瓦斯含量。（2）煤层瓦斯预抽率应大于25%。煤层瓦斯预抽率应用钻孔控制范围内煤层瓦斯储量与抽出瓦斯量（包括打钻时钻孔喷出的瓦斯量、自燃排放量）来计算。达不到上述预抽指标的区域，在进行采掘工作时，都必须采取防治突出的补充措施。采用煤层瓦斯抽出率作为有效性指标的突出煤层，在进行采掘作业时，必须按照《细则》所规定的方法对预抽效果进行经常复查。
（二）局部性防突措施
局部防突措施的作用在于使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性。属于该类措施的有超前钻孔、水力冲孔、松动爆破、金属骨架等措施。但局部防突措施中措施施工与采掘工艺相互干扰，且防突效果受地质开采条件变化影响较大。因此，在局部防突措施执行后，要对防突效果进行检验。
作者单位：中国矿业大学安全工程学院
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