1、1煤与瓦斯突出治理技术的现状及分析摘要：简要的总结了煤与瓦斯突出的概况，评述了目前防治突出工作的现状及面临的主要问题，在此基础上，提出进一步提高突出预测预报质量，及对防治技术的展望。关键词：突出矿井；煤与瓦斯突出；防止突出技术；综合防突措施；瓦斯抽放技术。Present situation and analysis of control technology of coal and gas outburstAbstract: briefly summarizes the general situation of coal and gas outburst, reviewed the statu
2、s quo of outburst prevention work and facing major problems, on the basis of this proposed to further improve the outburst prediction quality, and to control technology prospect.Key words: outburst mine; coal and gas outburst; outburst prevention technology; comprehensive outburst prevention measure
3、s; gas drainage technology.1 我国煤与瓦斯突出事故的历史概况我国在世界上煤与瓦斯突出事故是最严重的国家之一，突出矿井具有数量多、分布广、增长快的特点;突出事故起数多、伤亡人数多、特大型突出事故不断。从 1950年 5 月 2 日吉林省辽源矿务局富国二矿发生我国首次有记载的突出事故以来，据不完全统计和估算，至 2010 年底，全国先后共发生约 2 万起突出，其中，强度在千吨级以上的特大型突出有 100 多起，突出强度最大的一起事故发生在原天府矿务局三汇坝一矿，突出煤(岩)1. 278 万 t，喷出瓦斯 140 万 m3。同瓦斯爆炸事故一样，煤与瓦斯突出也是经常引起群死
4、群伤的事故，我国曾发生过多起因煤与瓦斯突出引起的上百人死亡事故。建国以来，我国煤与瓦斯突出事故发展总体变化特点是上升迅速，下降平缓且有起伏，主要可划分为 4 个阶段:1)上升阶段(1950-1980 年)。煤炭工业发展迅速，突出矿井的数量增长迅速，很快由 1 个增加到 205 个，每年发生突出从 2 起增加到 1151 起。22)稳定下降阶段(1981-2000 年)。随着防突措施研究与实施的加强，突出起数逐年下降，20 世纪 80 年代全国每年突出事故基本控制在 500-600 起。特别是颁布防治煤与瓦斯突出细则以来，全面推行“四位一体”综合防突措施，防治突出成效明显。在 1992 年后的
5、4 年中，国有重点煤矿年均突出控制在 300 起以内，平均为 252 起/a，突出死亡人数控制在 50 人/a 以内。 3)回升抬头阶段(2001-2005 年)。伴随国民经济的迅速增长，煤炭产量增长快，矿井开采强度和开采深度持续增大，各矿区突出危险性越来越严重，而矿井超出自身能力开掘较普遍，突出事故的起数维持在一个颇高的水平。4)下降和稳定阶段(2006-2010 年)。国家大力整治下，突出事故起数逐渐下降。在矿井开采深度、突出矿井数量和全国煤炭产量逐年增加的情况下，仍保持突出伤亡事故起数和死亡人数的基本稳定，突出伤亡事故 40-50 起/a，造成的死亡人数约 250-320 人/a。煤与瓦
6、斯突出是在煤矿井下的一种非常复杂的动力现象。在很短暂的时间内，有煤体向巷道（包括采场）中急速喷出大量瓦斯及煤渣，同时在煤碳体中形成特殊的空洞，喷出的粉煤伴随瓦斯运动，形成一定的动力效力，如矿车推倒、支架破坏等类似现象被称为煤与瓦斯突出。在煤与瓦斯突出的过程中，喷出的煤体有的仅仅几吨、几十吨，但有的高达几百吨，特大型的突出高达几千吨以上，同时涌出大量瓦斯将巷道空间充满，喷出的瓦斯粉煤流通常会具有暴风般的性质，逆风流将数千米长的巷道充满。1834 年 3 月 22 日在法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次有记载的突出，突出强度 420t 煤，瓦斯 5105m3以上
7、。起初瓦斯喷出量 2000m3/min 以上，瓦斯逆风流从提升井冲至地面，据该井口 23m 处的绞车房周围的火炉将瓦斯引燃，火焰达 50m 高，井口周围烧成一片废墟，在 2 小时后火焰要熄灭时，连续又发生 7 次瓦斯爆炸，井下 209 人，死亡 121 人，地面 3 人烧死，11 人烧伤。迄今为止，世界上约有 20 多个国家和地区发生过煤与瓦斯突出，总共发生突出达 3 万多次，突出千次以上的国家有中国、原苏联、法国、波兰和日本。世界最大的一次突出发生在 1969 年 7 月 13 日原苏联顿巴斯矿区的加加宁矿井一 710m 水平主石门揭穿厚仅 1.03m 的煤层，其突出煤量为 14000t，瓦
8、斯 2.5106m3以上。32 煤与瓦斯突出矿井的分布特点我国的突出矿井呈现出数量多、分布广、增长快的特点。目前，1 000 多个突出矿井分布于全国 26 个产煤省(自治区、直辖市)中的 20 个，见图 1，主要分布在我国西南和中东部。图 1 全国突出矿井个数分布图凭据煤矿瓦斯等级鉴定资料，我国突出矿井的数量显示快速增加走向:2000 年以前突出矿井数量不超过 300 个，2007 年为 647 个，2010 年为 1044 个。新疆之前无突出矿井，2010 年已有 8 个突出矿井;山西以前仅有 2 个突出矿井，但 2010 年已增至 20 多个。2010 年全国突出矿井数量约占矿井总数百分之
9、七。我国突出矿井分布具有以下特点。1）突出矿井区域分布特点突出矿井区域分布不均衡，呈现南方多、北方少的特点，个别省份突出矿井颇为集中。突出矿井主要集中在湖南、贵州、重庆、四川、云南、山西、河南、安徽等省市，共有 961 个，占据全国突出矿井总数的 92%。当中，湖南和贵州突出矿井数量最多，两省突出矿井和达到全国总数的 60%。各省的突出矿井在全省矿井中的比例也不同，安徽、湖南和贵州相对较高，见图 242）突出矿井企业属性分布特点乡镇煤矿的突出矿井的总数多，国有重点煤矿中突出矿井占据的比例高(见图 30)。2010 年在全国 1044 个突出矿井中，国有重点煤矿有 235 个(占 22.5%)乡
10、镇煤矿 708个(占 67.8%。国有重点煤矿中 19.3%的矿井属于突出矿井，个别煤炭公司所属矿井全为突出矿井;乡镇煤矿 6.1%的矿井属于突出矿井。3)突出煤层的地质年代特点我国煤矿赋存条件多样，煤层生成的地质年代主要为石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白玺系等。突出煤层主要分布于二叠系中，有 978 个突出矿井(占 93.7%)开采的突出煤层属于二叠系，仅少数突出矿井(66 个，占 6. 3%)的煤层为侏罗系、石炭系、三叠系、白玺系、第三系煤层。4)突出矿井井型分布特点突出矿井为主是小型矿井。全国的突出矿井中，井型为 30 万 t 以下的突出矿井最多，占 72.1 %，其中 6 万 t 以
11、下的矿井 297 个，占 28.5 %。5)突出矿井产量分布特点突出矿井总体产量所占比例偏低，小煤矿产量比例更小。2010 年全国突出矿井总产煤量约 3. 8 亿 t 占全国产煤总量的 11.8%，当中，30 万 t 以下突出矿井的产煤量占全国产量的 1.9%。6)突出矿井的煤层开采条件与瓦斯参数特点突出矿井开采深度通常较大。根据部分突出矿井资料，突出矿井开采深度为 90-1400m，平均达到 592m。安徽、江苏、河南等省突出矿井平均开采深度较大。突出矿井每年延深 475m，均为 24 m。有近一半的突出矿井没有保护层开采条件。突出煤层瓦斯5压力与瓦斯含量较大。各省突出矿井的最大瓦斯压力为
12、2.0-7.83MPa，重庆天府矿区测到高达 13.6MPa 的瓦斯压力。突出煤层平均瓦斯含量为 14.6m3/t，最高达38.49m3/t。3 煤与瓦斯突出危害煤与瓦斯突出是煤与瓦斯突然运动的一种极其复杂的动力现象，多数伴有强大的动力效应，危害性极大，是煤矿严重的自然灾害之一。煤与瓦斯突出危害主要表现在以下几方面：（1）造成瓦斯窒息，煤流埋人事故。例如：2002 年 4 月 7 号，安徽省淮北矿业集团公司芦岭煤矿发生煤与瓦斯突出，突出煤量 5000 多吨，涌出瓦斯 30 余万立方米。突出的煤充填巷道 700 多米，其中 400多米巷道被填实，13 人死亡。（2）引起瓦斯燃烧和瓦斯爆炸，造成人
13、员伤亡。例如： 21 岩石下山掘进工作面爆破，揭穿一个落差 10m 的逆断层，发生了煤与瓦斯突出。突出的瓦斯逆流进入西大巷，遇到架线式电机车的火花，引发了特大瓦斯爆炸事故。（3）摧毁巷道设施和设备，破坏通风系统，给煤炭企业造成巨大的经济损失。例如：南桐矿务局鱼田堡煤矿，1988 年 10 月 16 日发生突出，突出煤量 8765t、岩石 61.4t、瓦斯 201 万 m3，煤岩堵塞巷道 1388m，瓦斯逆流 1846m，波及 3 个采煤工作面，5 个掘进工作面，造成停工停产。4 煤与瓦斯突出发生的一般规律（1）突出发生在一定的深度上，随着深度的增加，突出的危险性增高，表现在突出的次数增加，突出
14、强度增大，突出煤层数增加，突出危险区域扩大。（2）突出危险区呈带状分布这是因为影响突出的主要因素受地质构造控制的缘故，而地质构造具有带状分布的特征。（3）突出的气体种类主要是甲烷，个别矿井突出二氧化碳，突出煤层的含量、开采时的相对瓦斯涌出量都在 10m3/t 以上，即突出都发生在高瓦斯矿井内。（4）采掘工作往往可激发突出，特别是落煤与震动作业，不仅可引起应力状态的变化，而且可使动载荷作用在新暴露煤体上造成煤的突然破碎。（5）受煤自重影响，由上前方向巷道方向的突出占大多数，从下方向巷道的突6出为极少。突出的次数有随着煤层倾角增大而增多的趋势。（6）绝大多数突出都有预兆。5 煤与瓦斯突出事故的原因
15、5. 1 直接原因经过统计和分析，我国煤与瓦斯突出事故的直接原因主要有:1)不落实防突工作、不执行防突措施。一些矿井发生瓦斯动力现象后不鉴定、不设置防突机构，不制订或不执行“四位一体”的综合防突措施。在近 6 年发生的突出事故中，有 22.2%的属于矿井没有执行防突措施。2)防突措施落实不到位。在 275 起突出事故中，有 150 起采取的防突措施不到位，占 54.5 %。主要表现为:未采取区域性防突措施;瓦斯抽采钻孔少、抽采时间短，抽采效果不达标;防突措施设计不符合要求，在地质构造带和应力集中区未加强防突措施;防突措施施工参数不符合设计要求，钻孔控制范围不足或存在空白带，未进行效果检验，效果
16、检验超标不采取补充防突措施;不采取安全防护措施或安全防护措施不充分等。3)防突管理不到位、违章指挥和违规作业。统计表明，有 40. 7%的突出事故暴露出防突管理不到位，20.1%的突出事故存在违章行为。主要表现在:a.防突管理制度不科学，管理程序不完善，一些重要的技术管理环节缺失。有些矿井没有突出预测仪器的管理要求，缺乏防突工序操作规程，防突管理制度不利于增强防突人员责任心，不利于调动防突人员积极性;防突措施签字程序不规范，防突措施参数更改没有程序要求，缺乏防突措施实施的监督环节;不进行防突措施竣工图的绘制，没有进行矿井突出预测敏感指标及其临界值考察等。b.现场管理不规范，有违章指挥或违规作业
17、现象。防突措施现场施工无指挥、无监督、无验收，或监督不认真，验收参数及资料记录不完整;预测过程操作不规范，忽视突出预兆;超掘超采、违规作业等;爆破作业时撤人不到位、不佩带自救器，压风自救装置安设和使用不符合规定;工作面作业时回风系统有大量人员存在等。4)对地质构造的探测程度低、分析不够准确。有些矿井对地质构造的探测和分析不够，未能及时发现和准确掌握地质构造情况，防突措施缺乏针对h。一些新建矿井7的地质勘探程度低，地质构造分布和煤层瓦斯赋存条件不明。通风系统不可靠，抗灾能力差，安全防护措施不健全。不少矿井的通风系统抗灾能力差，没有安设反向风门或反向风门安设与管理不规范，容易造成瓦斯逆流;一些矿井
18、未设置井下避难酮室、压风自救系统，甚至连隔离式自救器也配备不足等。5. 2 间接原因1)防突认识不到位。矿井管理和技术人员特别是领导干部对防突的认识不到位，重生产、轻防突，防突措施不到位、防突投入不足等。2)防突技术基础薄弱。很多突出矿井尤其是乡镇煤矿，其生产系统、人员、技术、装备和管理基础薄弱，总体达不到防突的要求;不少矿井地质勘探程度不足，缺乏煤层瓦斯基本参数，瓦斯赋存规律不清;入井人员缺乏培训，技术人员和防突设备设施配备严重不足。3)采掘部署不合理。开采顺序、保护层选择、采煤方法、采掘巷道部署、瓦斯抽采配套工程、通风系统等部署不合理，矿井生产压力大，接替紧张，开拓、抽采、准备和回采的平衡
19、关系失调，没有足够的采取区域性防突措施的时间和空间，在瓦斯治理不到位。6 煤与瓦斯突出预测技术现状6.1 静态(不连续)预测静态预测的根据就是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标。这些指标主要包括瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标或它们的综合指标，预测则是考察其中的单个或同时多个指标是否超过临界值。具体说来，目前较多采用的指标有钻屑量 s、钻孔瓦斯涌出初速度 q、瓦斯放散指数却、煤体坚固性系数 f、瓦斯压力 P。6.1.1 D,K 综合指标法煤炭科学研究总院抚顺分院与一些突出矿区合作，根据我国十余个矿区的突出煤层资料，提出了突出预测综合指标 D 和 K:8式中，H开采深度;f煤层软分层的平
20、均坚固性系数;P煤层瓦斯压力;P煤层软分层煤的瓦斯放散初速度指标。D, K 综合指标法适于煤层的区域预测或石门揭煤工作面突出危险性预测。它们被列入我国的防突细则，并得到广泛应用。6.1.2 R 指标法R 指标法是前苏联东方煤研所 1969 年提出的，1970 一 1974 年在库兹巴斯、沃尔库特和帕尔占斯克等煤田进行了试验。其指标是式中，S max每米钻孔钻屑量的最大值;imax每米钻孔瓦斯涌出初速度的最大值。钻孔瓦斯涌出初速度 9 法和钻屑瓦斯解吸指标(h2)法该法是前苏联运用最广泛的日常预测法，已被列入前苏联的有煤、岩石和瓦斯突出倾向煤层安全采掘规程中。钻孔瓦斯涌出初速度被认为是一个反映煤
21、体物理力学性质、煤层瓦斯和煤层应力状态的综合指标，已被列入我国防治煤与瓦斯突出细则。这两个指标被广泛应用在我国煤与瓦斯突出矿井的突出预测中。6.1.3 钻屑量法和钻屑倍率法钻屑量被认为是反映地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者 Noack 等提出并得到了广泛的应用。在我国，煤炭科学研究总院抚顺研究所对北票等局矿及 17 个石门进行了钻屑量测量。初步结果表明，钻屑倍率 n 可作为突出预测指标，当 n 大于 4时有突出危险。煤炭科学研究总院重庆分院在南桐和梅田对煤巷进行了试验，认为钻9粉量为正常量的 3 倍时最易倾出或压出，如果瓦斯压力大就会发生较大的突出。钻屑量指标 Snx 为每米钻孔钻屑量
22、的最大值，其在我国也被广泛采用。6.1.4 钻屑综合指标法该法是通过综合考虑每米钻孔最大钻屑量 Snx，钻屑瓦斯解吸指数 K，钻屑瓦斯解吸衰减系数 C 和启动解吸仪 2min 时的解吸仪读数hz，来预测工作面的突出危险性。6.2 动态(连续)预测当前所采用的静态工作面突出危险预测方法，都是通过钻孔来实现的，因此又可称为静态的钻孔法。静态法打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量很大，预测作业时间也较长，对生产有一定的影响，预测所需费用也较高。并且这种静态法的准确性也不是很高，易受人工影响。近几年来出现了 l00 多次预测指标未超过临界值而发生突出的事故，如芙蓉矿务局白皎煤矿 1993 年 3
23、 月 27 日发生的重大恶性事故就是一例，死亡人数 11 人，直接经济损失数百万元。究其原因，煤层或煤体及其内部所含有的瓦斯并非均匀分布，是不稳定的。在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期内的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。目前，突出的连续预测有 3 条途径:声发射监测技术;利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分析瓦斯涌出与突出的关系从而预测突出;电磁辐射监测技术。6.2.1 声发射技术煤和岩石内部存
24、在大量的裂隙等缺陷。煤岩变形及破坏的结果就是裂隙的产生、扩展、汇合贯通。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性波的形式产生能量辐射，这就是声发射。声发射技术可以对破裂源进行定位。早在 20 世纪 40 年代初，美国就利用声发射技术监测金属矿井的岩爆。随着计算机技术的应用，该项技术在矿井中的应用更加广泛。近年来，加拿大的研究人员研究了多种声发射监测系统，用于岩爆预10测。法国的研究人员也做了很多这方面的研究工作。前苏联的顿巴斯煤田对声发射用于煤与瓦斯突出预测进行了较多研究工作，早在 1974 年，突出严重的中央区已有 121个工作面采用了这项技术。20 世纪 80 年代初，澳大利亚研究了一种双声道
25、声发射突出预测系统;英国的声发射突出预测系统从 1983 到 1987 年在南威尔士煤田的 Cyn-heidre矿进行了试验，但在试验过程中没有发生过突出。其他国家如美国、德国、日本和波兰等在这方面也有不同程度的研究。前苏联用记录噪声脉冲数的方法预报煤与瓦斯突出并在顿巴斯煤田进行了推广应用。我国的研究起步较晚，在现场应用也较少。平顶山矿务局从俄罗斯引进了声发射监测系统，并用于煤与瓦斯突出预报试验研究。我国重庆煤科分院生产了声发射监测系统， “九五”攻关期间在平顶山矿区进行了应用。煤炭科学研究总院西安分院也研制了 MJY-1 型声发射实时监测系统，并在平顶山十矿进行了现场实验。声发射方法虽然能够
26、连续较有效地评估煤层边缘的突出危险性，但存在许多缺点，主要是仪器结构及信号接收、转换都很复杂，且要求压电传感器与煤壁能够很好地祸合，这在实际上是非常困难的。声发射技术用于矿井已有几十年的历史，其在岩爆监测方面已取得一些成果，尽管很多人认为声发射突出预测系统是一种很有发展前途的预测方法，各国都投入了大量的人力物力进行了广泛的研究，但目前其突出预测的可靠程度与生产实际的需要还有差距。随着大容量、高速度计算机系统的引入和声接收技术的发展，用声发射技术进行突出预测可望获得突破。6.2.2 瓦斯涌出动态指标根据瓦斯涌出量预测突出的思路可能和德国学者提出的姚。指标有关。姚。是掘进工作面放炮后 30 分钟内
27、的瓦斯涌出量与落煤量的比值。德国使用的临界值是 40%的可解吸瓦斯含量。抚顺煤科分院对我国北票局的初步研究表明，其突出临界值为9m3/t。重庆煤科分院在芙蓉矿务局白皎煤矿的试验研究表明 9m3/t 或瓦斯涌出变动系数 Kv0.7 时，在工作面前方 2-5m 范围内有突出危险。涟邵矿务局洪山煤矿利用 A-1 矿井环境监测系统对炮掘工作面放炮前后瓦斯涌出进行了连续监测，分析认为。9m3/t 或放炮以外的其他作业过程中瓦斯涌出量增减幅 Q0.21m3/min 时，工作面前方不远有突出危险。根据国内外的研究，综合分析认为 v3 和 Kv 两指标分别反映了工作面单位落煤量瓦斯涌出量的上升幅值和工作面瓦斯涌出量增大、减小的变化幅度，它们与工作面前方的突出危险性密切相关，可作为瓦斯涌出动态预测法的两项主要指标，而用 Kv
