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1、秦波涛秦波涛安全工程学院安全工程学院矿井通风与安全矿井通风与安全 Mine Ventilation and Safety中国矿业大学教学多媒体课件中国矿业大学教学多媒体课件19.1 概述9.2 矿井瓦斯的生成及赋存9.3 矿井瓦斯涌出9.4 矿井瓦斯的喷出及预防9.5 煤和瓦斯突出及其预防煤和瓦斯突出及其预防9.6 矿井瓦斯爆炸及其预防矿井瓦斯爆炸及其预防9.7 矿井瓦斯检测及监测矿井瓦斯检测及监测9.8 矿井瓦斯抽放矿井瓦斯抽放第9章 矿井瓦斯防治29.1 概述9.1.1.矿井瓦斯的概念 广义：井下有害气体的总称。来源：煤岩内赋存的气体 生产过程中产生的气体 井下空气与矿物及其他材料反应产生
2、的气体 放射性物质衰变产生的惰性气体氡（放射性）和 氦 狭义：由于煤层中的瓦斯一般以甲烷为主，所以在煤矿中矿井瓦斯专指甲烷39.1.2.甲烷的性质 无色、无味，微溶于水，标准状况下100L水可溶解5.56L甲烷；可燃性、爆炸性、窒息性；密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍；分子直径0.41nm，扩散速度是空气的1.34倍；高热值：55.67MJ/kg；低热值：50.17 MJ/kg热导率：0.0306W/mC（在20C时0.0328 W/m C）；动力粘度：（10.26+0.0305t）10.6Pas（温度t0100C）；49.2 矿井瓦斯的生成及赋存9.2.1 煤层瓦斯的生成
3、 煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，主要可以划分为两个生成阶段第一阶段：生物化学成气时期 在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。5第二阶段：煤化变质作用时期 随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进人变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2 9.2.2 煤层瓦斯赋存1、煤的孔隙特征煤的孔隙分类：微孔：直径100m，构成层流及紊流混合渗透的 区间渗透容积：小孔至可见孔的孔隙体积之和煤的孔隙率：吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙
4、体积，总孔隙体积占煤的体积的百分比成为煤的孔隙率62、煤层瓦斯垂向分带：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层瓦斯呈现出垂直分带特征 表表9-1 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分 气带名称（从上往下）气带成因瓦斯成分 N2CO2CH4CO2N2 生物化学空气 2080 2080 80102020N2-CH4变质成因2080 1020 2080 CH4变质成因20 80 7瓦斯风化带：“CO2N2”、“N2”、“N2-CH4”三带统称瓦斯风化带。瓦斯风化带内的井、区为低瓦斯井、区。甲烷带：位于瓦斯风化
5、带下边界以下的瓦斯带。甲烷带内煤层瓦斯压力、含量随埋藏深度的增加而增长，存在特殊瓦斯涌出形式：瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。3、瓦斯在煤体内存在的状态 游离瓦斯：以自由气体形式存在；吸附瓦斯：分为吸着状态与吸收状态；在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总量的10左右 84、煤层瓦斯压力概念：煤层裂隙和孔隙内由于气体分子热运动撞击所产生的作用力 意义：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数 测量原理：打一穿透待测煤层(或直接打在煤层中)的钻孔，插入一根测压管(5mm一12mm的铜管或10mm13mm的镀锌铁管)后再把钻孔封堵好，在测
6、压管的外端接上压力表，待压力稳定后就可以读取瓦斯压力值 95、煤层瓦斯含量1）概念：单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量(标准状态下的瓦斯体积)，包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分2）影响因素煤岩结构(如透气性)和物理化学特性(如吸附性能)；成煤后的地质运动和地质构造；煤层的赋存条件。103）煤的瓦斯含量确定 煤内游离瓦斯含量Xy(m3/t煤)式中 V煤的渗透容积，m3/t煤；P瓦斯压力，kPa；T0标准状况下的绝对温度(273K)；T瓦斯的绝对温度；P0标准状况下的压力，等于101.3kPa；瓦斯的压缩系数11煤的吸附瓦斯含量 煤的表面积是很大的，每每克克煤煤有有数数十十至至二二百百m2，
7、其中微孔表面积占绝大多数，吸附瓦斯量主要取决于微孔隙表面积、瓦斯压力与温度。而煤的吸附瓦斯不服从气体定律，而服从朗缪尔吸附方程。按朗缪尔方程计算并考虑煤中水分、可燃物的百分比，温度的影响：式中 p瓦斯压力，MPa；a在该温度下，极限吸附量，m3/t可燃物；b取决于温度和煤的吸附性能常数，kPa-1。12 A,W煤中的灰分与水分，%；t0实测室测定吸附常数时的实验温度 t煤层温度，n系数，无因次，按下式确定煤层瓦斯含量等于吸附含量与游离含量之和：XXyXx 实测表明，在目前开采深度(10002000m以内)煤层的吸附瓦斯占7095%，而游离瓦斯占530%。139.3 矿井瓦斯涌出9.3.1 煤层
8、瓦斯流动的基本规律 煤层与围岩属于孔隙裂隙结构体，不同煤层和岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及发育程度等的差别式很大，并且对地应力的作用很敏感。1、煤层瓦斯流场分类 概念：煤层内瓦斯流动的空间称为煤层瓦斯流场，在流场内瓦斯具有流向、流速和压力梯度和浓度梯度141）按流场的流向分类：单向流场：在x、y、z三维空间中，只有一个方向有流速；径向流场：在x、y、z三维空间中，在两个方向有分速度，可以用柱坐标系描述；球向流场：在x、y、z三维空间中，三个方向都有分速度，可以用球坐标系描述。2）按流场的稳定性分类：定常流场：流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力均不随时间变化。非定常流场；流场中的流速、流向
9、或瓦斯压力中至少有一参数随时间变化。2、扩散流与渗透流 瓦斯在孔隙裂隙内的运移基本上可以分为两类：1）扩散流动：瓦斯在小孔（1m）和微孔（1m）以上的孔隙或裂隙中的运移，可能有两种形式：层流和紊流层流：层流又可以分为线性层流和非线性层流线性层流：Re110，粘滞力占优势，符合达西定律非线性层流：Re100，惯性力占优势，流动阻力与流速的平方成正比。16达西定律：流体的流速与其压力梯度成正比，即 u瓦斯流速（m/s）k渗透率（m2）动态粘滞度（Pam）气压梯度（Pa/m）9.3.2 瓦斯涌出量及主要影响因素 矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产建设过程中涌进巷道或管道的瓦斯量。其表达的方法有两种：绝对瓦
10、斯涌出量单位时间内涌入巷道的瓦斯量，以体积表示，单位为m3/min 或m3/d；相对瓦斯涌出量每采一吨煤平均涌出的瓦斯量，单位是m3/t。两者的关系为：17 qe相对瓦斯涌出量，m3/t；qa绝对瓦斯涌出量，m3/d；A单位时间内采掘地区的产煤量，t/d。影响瓦斯涌出量的因素主要有：1)煤层和围岩的瓦斯含量 在甲烷带内，开采越深、规模越大，绝对、相对瓦斯涌出量越高。2)开采顺序与回采方法 先开采的煤层或分层，其相对瓦斯涌出量大，后开采的瓦斯涌出量小。瓦斯工作面开始回采初期瓦斯涌出量小，当顶板第一次冒落以后，由于围岩及邻近层的瓦斯涌入开采层，所以涌出量增加。183)生产工艺过程 从暴露面采落煤炭
11、和钻孔涌出的瓦斯量，一般都是随着时间的增长而逐渐下降。所以，落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序，老顶来压冒落时涌出量高于其它时期。落煤时瓦斯涌出量与煤的瓦斯含量、落煤速度、煤的粉碎程度等有关。风镐落煤时，瓦斯涌出量可增大1.11.3倍，打眼放炮时1.42.0倍，采煤机采煤时，1.31.6倍，水枪落煤时，24倍等，其增加的倍数与工作面瓦斯来源的构成有关。开采单一中厚煤层，落煤时增加的倍数比开采有邻近层的煤层要大些。194)通风压力与通风系统 抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚积瓦斯。采用U型加尾巷的通风系统，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口。Y形与W型
12、通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。209.3.3 瓦斯涌出不均系数 在正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响，其数值在一段时间内围绕平均值上下波动，我们把其峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。在确定矿井总风量选取风量备用系数时，要考虑矿井瓦斯涌出不均系数。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3min。任何矿井的瓦斯涌出在时间上与空间上都是不均匀的。在生产过程中要有针对性地采
13、取措施，使瓦斯涌出比较均匀稳定。例如尽可能均衡生产，错开相邻工作面的落煤、放顶时间等。219.3.4 矿井瓦斯等级 为了便于对瓦斯矿井进行分级管理，按照瓦斯涌出的形式和涌出量的大小，将矿井分成不同的瓦斯等级，这对于矿井设计和日常通风管理都十分必要。1、矿井瓦斯等级划分 规程规定：一个矿井中，只要有一个煤(岩)层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理，矿井瓦斯等级，按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井：10m3、及其以下；高瓦斯矿井：10m3以上；煤与瓦斯突出矿井:矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井煤层定为突
14、出煤层。截止1991年的统计，我国有334个产煤矿区，1982处国有煤矿。其中高瓦斯矿区149个，低瓦斯矿区185个，有煤与瓦斯突出和煤岩与二氧化碳突出矿区79个，高瓦斯矿井825处，低瓦斯矿井1157处。222、矿井瓦斯等级鉴定 新矿井设计前，地质勘探部门根据各煤层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为算风量的依据。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级的鉴定工作，同时还应进行矿井二氧化碳涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。1)鉴定时间和基本条件 矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。根据当地气候条件，选择矿井绝对瓦斯涌出量较大的月份进行，一般在七月或八月。在鉴定月的上、中、下旬中各
15、取一天(间隔10天)，分三个班(或四个班)进行测定工作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60。测定前必须做好组织分工和仪表校正等准备工作。2)测点选择和测定内容及要求 确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值(而不是全矿井的平均值)。所以测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风峒、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的一段平直巷道做测点。23 测定内容为风量和风流中瓦斯浓度。如果进风流中含有瓦斯时，还应在进风流中测风量和瓦斯浓度。进、回风流的
16、瓦斯涌出量之差，就是鉴定地区的瓦斯涌出量。抽放瓦斯的矿井，在鉴定月内应在相应的地区测定抽出的瓦斯量，矿井瓦斯等级划分时，必须包括抽放的瓦斯量。每一测定班的测定时间应选在生产正常时刻，并尽可能在同一时刻进行测定工作。3)矿井瓦斯等级的确定 矿井瓦斯等级以最大的相对瓦斯涌出量和有、无煤与瓦斯突出，按分级标准确定。并附以必要的文字说明，如产量、采掘比例、地质构造等因素和瓦斯喷出、煤与瓦斯突出等情况，报上级审批。正在建设中的矿井，也应进行瓦斯等级的鉴定，如果鉴定结果，特别是在煤层揭开以后，实际的瓦斯涌出量超过原设计确定的等级时，应提出修改矿井瓦斯等级的专门报告，报原设计审批单位批准。249.3.5 矿
17、井瓦斯涌出量预测 设计矿井或生产矿井的新区(新采区、深部水平)，需要预先掌握其瓦斯等级和瓦斯涌出量，作为矿井、水平和采区设计的依据。根据某些巳知数据，按照一定的方法预先测算出设计区域瓦斯涌出量的数值，称作矿井瓦斯涌出量预测。预测相对瓦斯涌出量的方法：矿山统计法矿山统计法（多用于生产矿井）（多用于生产矿井）瓦斯含量法瓦斯含量法 （用于新矿井）（用于新矿井）1)矿山统计法 矿山统计法是根据已往矿井生产中的相对瓦斯涌出量与开采深度的统计规律，外推未来深部水平相对瓦斯涌出量的预测方法。25实际使用这种方法时，一般分为两步：首先将矿井历年生产过程中积累的实际相对瓦斯涌出量按其对应的开采深度，计算出相对瓦
18、斯涌出量的梯度a；式中,H1、H2分别为甲烷带内的两个开采深度，m q1、q2对应于H1、H2深度的相对瓦斯涌出量，m3/t：n指数，在现代开采深度条件下，一般为1；第二步根据相对瓦斯涌出量梯度a，计算出煤层深部开采时的相对瓦斯涌出量值。式中 q0甲烷带上边界的相对瓦斯涌出量，一般定为23m3/t；H0甲烷带上边界的深度，m。26注意事项：1)此法只适用于甲烷带内，外推的深度不应超过100200m，a值越小，外推的深度也应越小，否则可能有较大的误差。2)预测精度决定于原始统计资料的精度与数量以及预测区域同已采区域在地质条件和开采技术条件上的相似程度。27 为了比较精确地预测相对瓦斯涌出量，应该
19、在矿井开采层面图上标出各个已采区段的相对瓦斯涌出量，把相对瓦斯涌出量相同的点连成等相对瓦斯涌出量线。对于外推的区域，根据对应地点的瓦斯涌出量梯度与底板等高线的深度，用虚线画出预测的等相对瓦斯涌出量线，如图2-14所示。这种等瓦斯涌出量线图清晰简明，不仅反映出倾斜方向上瓦斯涌出量变化，而且也反映出走向方向上的变化。282）煤层瓦斯含量法 采区相对瓦斯涌出量等于平平平平均均均均开开开开采采采采一一一一吨吨吨吨煤煤煤煤各各各各瓦瓦瓦瓦斯斯斯斯源源源源涌涌涌涌出出出出的的的的瓦瓦瓦瓦斯斯斯斯量之和量之和量之和量之和。预测公式为：式中 n围岩涌出瓦斯量占回采煤层瓦斯涌出的比例系数，应实测得出，无实测值时
20、，对于全部陷落法管理顶板，可考虑，n0.2，局部充填法，n0.15,全部充填法，n0.1；m1、m分别为残留分层、回采分层的厚度，m；29 1，分别为残留分层、回采分层煤的容重tm3；Z煤柱煤量占回采煤量的百分比，K采空区残留浮煤占回采煤量的百分比，X开采层原始瓦斯含量，m3t，X1运出采区的煤残留的瓦斯含量，m3/t，需实测；X2煤柱残留瓦斯含量，m3/t。X3 采空区残留煤的残余瓦斯含量，m3/t。n向开采层采空区涌出瓦斯的邻近层的数目，ml第l邻近层(或煤线)的厚度，m，hl第l邻近层距开采层的法线距离，m，30Xl邻近层煤层的瓦斯含量，m3/t，需实测Xl1邻近层煤若运出采区的残留瓦斯
21、含量，m3/t，hj邻近层向开采层采空区涌出瓦斯的极限距离，无实测值时，可按下式近似求得；hjNm(DCOS)式中 N与D分别决定于顶板管理方法、层间岩性结构的系数；对于采厚m2.5m条件下：使用全部陷落法管理顶板时，N60，局部充填法管理顶板时，N45，D1.2；对于m2.5m，必须根据试验资料来确定；煤层倾角，适用于上邻近层，适用于下邻近层。319.4矿井瓦斯喷出及其预防9.4.1 概念：概念：瓦斯喷出是指大量承压状态的瓦斯从瓦斯喷出是指大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象煤、岩裂缝中快速喷出的现象。它是瓦斯特殊涌。它是瓦斯特殊涌出中的一种形式。出中的一种形式。9.4.2 特点：
22、是瓦斯在短时间内从煤、岩层的某一特点：是瓦斯在短时间内从煤、岩层的某一特定地点突然涌向采矿空间，而且涌出量可能很特定地点突然涌向采矿空间，而且涌出量可能很大，风流中的瓦斯突然增加。由于喷出瓦斯在时大，风流中的瓦斯突然增加。由于喷出瓦斯在时间上的突然性和空间上的集中性，可能导致喷出间上的突然性和空间上的集中性，可能导致喷出地点人员的窒息、高浓度瓦斯在流动过程中遇高地点人员的窒息、高浓度瓦斯在流动过程中遇高温热源有可能发生爆炸、有时强大的喷出还可以温热源有可能发生爆炸、有时强大的喷出还可以产生动力效应并导致破坏作用。产生动力效应并导致破坏作用。329.4.3 瓦斯喷出的分类：瓦斯喷出的分类：瓦斯喷
23、出原因瓦斯喷出原因：天然的或因采掘工作形成的孔洞、裂隙：天然的或因采掘工作形成的孔洞、裂隙内，积存着内，积存着大量高压游离瓦斯大量高压游离瓦斯，当采掘工作接近或沟通，当采掘工作接近或沟通这样的地区时，高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出，如同喷这样的地区时，高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出，如同喷泉一样。根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷泉一样。根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成出分成地质来源地质来源和和采掘卸压采掘卸压形成的两大类。形成的两大类。1、地质来源地质来源 这类喷出大多数发生在地质破坏带、石灰岩溶洞裂缝区、背斜或这类喷出大多数发生在地质破坏带、石灰岩溶洞裂缝区、背斜或向斜轴部储瓦
24、斯区以及其它储瓦斯构造与原始洞缝相通的区域。向斜轴部储瓦斯区以及其它储瓦斯构造与原始洞缝相通的区域。例如，四川中梁山煤矿南井在例如，四川中梁山煤矿南井在+390水平茅口石灰岩中掘进运输大水平茅口石灰岩中掘进运输大巷时，当掘进工作接近一处积聚着大量游离瓦斯的溶洞时，放炮巷时，当掘进工作接近一处积聚着大量游离瓦斯的溶洞时，放炮时与连通溶洞的裂隙时与连通溶洞的裂隙(两条各宽两条各宽10100 mm)沟通引发了瓦斯喷出。沟通引发了瓦斯喷出。当时，随炮声响起一轰鸣声，像压气管破裂似地从裂缝中大量喷当时，随炮声响起一轰鸣声，像压气管破裂似地从裂缝中大量喷出瓦斯出瓦斯(甲烷甲烷)，“雾雾”气弥漫，充满整个回
25、风巷，两小时后测得气弥漫，充满整个回风巷，两小时后测得瓦斯流量为瓦斯流量为486m3min，喷出时间持续两周，共喷出瓦斯，喷出时间持续两周，共喷出瓦斯3.6105 m3。332、采掘卸压采掘卸压 在在各各种种地地质质构构造造破破坏坏区区内内，原原来来处处于于封封闭闭状状态态的的构构造造裂裂隙隙容容易易被被利利用用，即即在在采采掘掘地地压压和和瓦瓦斯斯压压力力联联合合作作用用下下会会突突然然张张开开，成成为为瓦瓦斯喷出的通道。斯喷出的通道。如如南南桐桐煤煤矿矿三三号号层层(层层厚厚0.4m，倾倾角角27，距距地地表表310m)0307工工作作面面回回采采了了346m2时时出出现现瓦瓦斯斯涌涌出出
26、的的“嘶嘶嘶嘶”声声，随随后后出出现现底底板板破破裂裂，裂裂缝缝宽宽达达100mm，底底板板上上鼓鼓最最高高达达0.6m，支支柱柱折折断断，瓦瓦斯斯突突然然大大量量喷喷出出。喷喷出出的的瓦瓦斯斯使使供供风风量量为为200m3min的的风风流流逆逆转转距距离离达达180 m，瓦瓦斯斯浓浓度度在在50以以上上，估估计计初初期期的的瓦瓦斯斯喷喷出出量量为为500 m3min，4小小时时后后为为26m3min，喷喷出出持持续续109小小时时，总总喷喷出出量量为为75100m3。这这是是典典型型的的由由卸卸压压产产生生裂裂隙隙及及原原有有构构造造裂裂隙隙张张开开，形成卸压瓦斯喷出的通道而引发的瓦斯喷出。
27、形成卸压瓦斯喷出的通道而引发的瓦斯喷出。喷喷出出的的瓦瓦斯斯量量和和持持续续时时间间，决决定定于于积积存存瓦瓦斯斯量量和和瓦瓦斯斯压压力力，从几，从几m3到几十万到几十万m3，几分钟到几年，甚至几十年。，几分钟到几年，甚至几十年。瓦瓦斯斯喷喷出出的的预预兆兆，如如风风流流中中的的瓦瓦斯斯浓浓度度增增加加，或或忽忽大大忽忽小小，嘶嘶嘶嘶的的喷喷出出声声，顶顶底底板板来来压压的的轰轰鸣鸣声声，煤煤层层变变湿湿、变软等。变软等。349.4.4 瓦速喷出的防治瓦速喷出的防治1、原始洞缝中瓦斯喷出的防治原始洞缝中瓦斯喷出的防治1)加加强强地地质质工工作作。施施工工前前一一定定要要通通过过前前探探钻钻孔孔
28、探探明明采采掘掘区区域域与与岩岩巷巷(井井)前前方方的的地地质质构构造造，溶溶洞洞裂裂缝缝的的位位置置分分布布以以及及瓦瓦斯斯的的储储量量。预预先先制制订订好好防防治治喷喷出出的设计与安全措施的设计与安全措施。2)利利用用封封堵堵、引引排排、抽抽放放等等综综合合方方法法处处理理瓦瓦斯斯。如如果果通通风风的的方方法法解解决决不不了了喷喷出出的的瓦瓦斯斯，则则可可用用罩罩子子或或其其它它设设施施将将喷喷出出裂裂隙隙封封盖盖好好，并并利利用用管管路路把把瓦瓦斯斯引引排排到到回回风风巷巷或或地地面面。或或设设置置引引排排罩罩，利利用用管管路路将将瓦瓦斯斯排排出出或或抽抽出出。不不能能使使用用引引排排罩
29、罩时时，可可以以打打钻钻孔孔抽抽放放。当当瓦瓦斯斯喷喷出出十十分分强强烈烈不不能能采采用用上上述述方法时，必须把喷出瓦斯巷道密闭。方法时，必须把喷出瓦斯巷道密闭。3)搞好通风和严格瓦斯检查制度、防止瓦斯超限。搞好通风和严格瓦斯检查制度、防止瓦斯超限。35前探钻孔的要求：前探钻孔的要求：(1)10 m1)10 m外，打钻外，打钻75mm75mm，3 3个个(2)(2)边掘边打超前钻，超前边掘边打超前钻，超前5 m5 m，不少，不少3 3个孔；个孔；(3)(3)裂隙、溶洞、破坏带打超前钻裂隙、溶洞、破坏带打超前钻,75mm,2,75mm,2个，超个，超5m5m36372、采掘地压形成裂缝中瓦斯喷出
30、的防治采掘地压形成裂缝中瓦斯喷出的防治 开开采采近近距距离离煤煤层层时时，必必须须防防止止被被解解放放层层初初期期卸卸压压的的瓦瓦斯斯突然涌入解放层的采掘工作面。突然涌入解放层的采掘工作面。1)搞搞好好地地质质工工作作，掌掌握握层层间间岩岩石石性性质质与与厚厚度度的的变变化化，了了解解邻邻近近层层的的瓦瓦斯斯压压力力和和瓦瓦斯斯含含量量，地地压压的的大小等。大小等。2)根根据据初初期期卸卸压压面面积积计计算算卸卸压压瓦瓦斯斯量量。确确定定预预排排初初期期卸卸压压瓦瓦斯斯钻钻孔孔的的数数量量及及孔孔位位。尽尽可可能能提提高高抽抽放瓦斯负压，以求增大预排瓦斯量。放瓦斯负压，以求增大预排瓦斯量。3)
31、加加强强职职工工安安全全教教育育，人人人人掌掌握握瓦瓦斯斯喷喷出出预预兆兆，配备隔绝式自救器，熟悉避灾路线配备隔绝式自救器，熟悉避灾路线 4)搞搞好好顶顶板板管管理理，加加强强支支架架质质量量检检查查，必必要要时时采采取人工卸压措施，以防大面积突然卸压。取人工卸压措施，以防大面积突然卸压。5)搞搞好好工工作作面面通通风风，加加强强瓦瓦斯斯检检查查，掌掌握握瓦瓦斯斯涌涌出动态与抽放动态，以便预报瓦斯喷出。出动态与抽放动态，以便预报瓦斯喷出。38399.5 煤与瓦斯突出及其预防9.5.1 煤矿井下动力现象及分类煤矿井下动力现象及分类 1、煤煤矿矿井井下下的的动动力力现现象象，指指的的是是发发生生在
32、在巷巷道道周周围围的的一一切切具具有有运运动动和和声声响响特特征的现象。征的现象。2、任任何何一一种种井井下下动动力力现现象象的的发发生生都都离离不不开开“力力”和和“介介质质”。因因此此，对对井井下下动动力力现现象象的的分分类类应应该该从从“力力”和和“介质介质”两个方面进行。两个方面进行。403、动力现象分类的结果41煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出 在采掘过程中，在很短时间内在采掘过程中，在很短时间内,从煤（岩）壁内部向采从煤（岩）壁内部向采掘空间突然喷出煤岩和瓦斯的动力现象，称为煤与瓦斯掘空间突然喷出煤岩和瓦斯的动力现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。
33、突出，简称突出。自行冲破岩柱突出实例自行冲破岩柱突出实例42突出概况 1834年年3月月22日日，法法国国伊伊萨萨克克矿矿井井发发生生了了世世界界上上第第一一次次有有记记载载的的突突出出。支支架架工工架架棚棚子子时时，发发现现煤煤壁壁外外移移，三三个个工工人人立立即即撤撤离离，但但煤煤炭炭冲冲入入巷巷道道13m，巷巷道道煤煤尘尘弥弥漫漫，一一人人被被煤煤流流埋埋没没，一一人人窒窒息息牺牺牲牲，一人幸免于难。一人幸免于难。迄迄今今为为止止，世世界界各各主主要要产产煤煤国国家家都都发发生生过过煤煤和和瓦瓦斯斯突突出出现现象象。世世界界上上最最大大的的一一次次煤煤与与瓦瓦斯斯突突出出发发生生在在19
34、69年年7月月13日日苏苏联联加加加加林林矿矿，在在710m水水平平主主石石门门揭揭穿穿厚厚仅仅1.03m煤煤层层时时，发发生生了了这这次次突突出出，突突出煤出煤14000t，瓦斯，瓦斯25万万m3：。：。我我国国记记载载的的第第一一次次突突出出是是1950年年吉吉林林省省辽辽源源矿矿务务局局富富国国西西二二坑坑，在在垂垂深深280m煤煤巷巷掘掘进进时时突突出出。目目前前我我国国突突出出矿矿井井达达到到200多多个个，突突出出次次数数一一万万多多次次。最最大大突突出出强强度度为为12780t，喷喷出出瓦瓦斯斯120万万m3，它它是是1975年年8月月8日日在在天天府府矿矿务务局局三三汇汇坝坝一
35、一矿矿主主平平峒峒放震动炮揭穿放震动炮揭穿6号煤层时发生的。号煤层时发生的。43煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t44煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t45煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t46煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t47煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量
36、突出煤量130t48煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t49煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t50煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t51煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t52煤与瓦斯突出实例及分析煤与瓦斯突出实例及分析南桐东林矿石门突出南桐东林矿石门突出突出煤量突出煤量130t53大平煤矿“10.20”特大瓦斯事故技术分
37、析图示5422时09分53秒22时12分26秒瓦斯0.1%到40%以上.大平煤矿“10.20”事故瓦斯突出及扩散过程演示22时29分22时39分瓦斯1.29%到7.3%.22时34分22时36分,瓦斯2.48%到4%.5556大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸传播过程演示579.5.2 煤与瓦斯突出概述 1 煤矿在地下采掘过程中，在极短的时间内（几秒到几分），从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间喷出煤（岩）和瓦斯（CH4、CO2）的现象。简称突出。有突出、压出、倾出三种类型。2 按突出强度分类:各煤层与煤层内各区域的突出危险程度是不同的。突出强度是指每次突出扼出的煤(岩)数量和涌出的瓦斯量。它主要以
38、煤(岩)数量作为划分强度的主要依据，可分为：1)小型突出：强度小了100t；2)中型突出：强度100(含100t)至500t;3)大型突出：强度500(含500t)至1000t;4)特大型突出：强度等于或大于：1000t。589.5.3 突出的基本特征：(1)抛出的固体物具有明显的气体搬运特征。在突出现场可以看到突出的煤和岩块从突出口搬至较远的地方，甚至拐了几个弯；煤、岩块的堆积角度小于自然安息角；堆积物中大的颗粒落在近处和下部，小的颗粒飘到远处并覆盖在突出物的上方，这种现象也称为分分选选性堆积性堆积。(2)突出物中呈现出明显的高压气体爆炸的特征。软煤被抛出后，由于其中的高压气体迅速膨胀，破碎
39、煤体，因而突出物中含有大量的极细的粉尘。有时候突出过程还对抛出的软煤进行了重新固结和捣实，需要镐刨才能运走。59(3)突出的孔洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大，孔洞的轴线往往沿煤层倾斜方向延伸或与倾斜方向成一不大的角度，突出孔洞的长度约为几米到几十米。有时候则看不到突出孔洞，抛出煤体的地方充满了松散的碎煤。(4)突出过程中伴随有大量的瓦斯涌出。在突出过程中，抛出的煤量越大，涌出的瓦斯越多。当涌出的瓦斯量十分大时，瓦斯会逆着矿井的风流而行达到几十米，甚至几百米、上千米，严重地破坏矿井的通风系统和设施。609.5.4 突出的机理 解释突出原因和突出过程的理论称为突出机理。突出是个
40、很复杂的动力现象，至今巳提出许多假说，概括起来有三大类：1）瓦斯作用说。认为煤内存储的瓦斯在突出中起着主要的作用2）地应力说。认为突出主要是地应力作用的结果，3）综合说。认为突出是地应力、瓦斯压力和煤的结构性能综合作用的结果，国内外大多数学者拥护综合说。619.5.5 瓦斯突出的一般规律1）突出发生在一定深度上。随着深度增加，突出的危险性增加，这表现为突出次数增多、突出强度增大、突出煤层数增加，突出危险区域扩大。2）突出次数和强度，随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。3）突出的气体主要是甲烷，个别矿区突出气体是CO2突出危险煤层开采时的相对瓦斯涌出量都在10m3/t以上，突出发生在高瓦
41、斯矿。同一煤层，瓦斯压力越高，突出危险性越大。不同煤层，瓦斯压力与突出危险性之间无直接关系。（突出与瓦斯、应力、煤结构强度等因素有关），突出的瓦斯压力一般要在600kPa以上。624）突出煤层的特点是煤的力学强度低、变化大，透气系数小于10m2/MPa2.d，瓦斯放散速度高，湿度小，层理紊乱，遭地质构造力严重破坏的“构造煤”。5）煤自重的影响。突出的次数有随着煤层倾角的增大而增加的趋势。6）突出危险区呈带状分布。突出与地质构造有密切关系。637）绝大多数突出发生在落煤时，尤其在爆破时。其中放炮诱导突出作用最强，此外，水力冲刷，风镐落煤,手镐落煤都引起过突出。8）大多数突出都有预兆 地压显现方面
42、的预兆：煤炮声，支架声响，岩煤开裂，掉碴，底鼓，煤岩自行剥落，煤壁颤动，钻孔变形，垮孔顶钻，夹钻杆，钻机过负荷等瓦斯涌出方面的预兆：瓦斯涌出异常，瓦斯浓度忽大忽小，煤尘增大，气温、气味异常，打钻喷瓦斯、喷煤、哨声、风声、蜂鸣声等煤层结构与构造方面的预兆，层理紊乱，煤强度松软或不均匀，煤暗淡无光泽，煤厚增大，倾角变陡，挤压褶曲，波状隆起，煤体干燥，顶底板阶梯凸起，断层等。9）突出危险性随着硬而厚的围岩(硅质灰岩、砂岩等)，存在而增高。649.5.6 突出过程：突出过程：煤与瓦斯突出的全过程，一般可划分为四个阶段：准煤与瓦斯突出的全过程，一般可划分为四个阶段：准备、发动、发展和停止阶段。备、发动、
43、发展和停止阶段。(1)突出的准备阶段突出的准备阶段 即能量的积聚阶段。由于地应力的变化、向某处运移、即能量的积聚阶段。由于地应力的变化、向某处运移、集中，形成高压瓦斯区，储存大量的弹性潜能集中，形成高压瓦斯区，储存大量的弹性潜能(2)突出的发动阶段突出的发动阶段 出于外力作用出于外力作用(如爆破或钻进等如爆破或钻进等)，煤体应力状态发，煤体应力状态发生突然变化，岩石和煤的弹性潜能迅速释放，这时生突然变化，岩石和煤的弹性潜能迅速释放，这时可听到从煤体或岩体中发出的破裂声，并观察到煤可听到从煤体或岩体中发出的破裂声，并观察到煤层发生压缩变形，还出现掉煤碴、支架压力增大，层发生压缩变形，还出现掉煤碴
44、、支架压力增大，煤中出现辟裂声等预兆。煤中出现辟裂声等预兆。65(3)突出的发展阶役突出的发展阶役 依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能，使煤体破坏并由瓦依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能，使煤体破坏并由瓦斯流把碎煤抛出。斯流把碎煤抛出。随着煤的破碎和抛出，瓦斯压力降低，随着煤的破碎和抛出，瓦斯压力降低，瓦斯解吸，解吸瓦斯的膨胀加剧了这一过程，又促使煤进一瓦斯解吸，解吸瓦斯的膨胀加剧了这一过程，又促使煤进一步破碎，如此反复进行，直到煤被粉碎为粉煤并形成粉煤瓦步破碎，如此反复进行，直到煤被粉碎为粉煤并形成粉煤瓦斯流。这种粉煤瓦斯流具有很大的能量，可以把煤抛出数十斯流。这种粉煤瓦斯流具有很大的能量，
45、可以把煤抛出数十米甚至数百米的距离，它可逆着风流运动或沿拐弯的巷道运米甚至数百米的距离，它可逆着风流运动或沿拐弯的巷道运动，能推翻矿车、搬运岩石等，造成一定的动力效应。动，能推翻矿车、搬运岩石等，造成一定的动力效应。(4)突出的停止阶段突出的停止阶段 当激起突出的能运已经耗尽，继续放出的能量不足以粉碎煤当激起突出的能运已经耗尽，继续放出的能量不足以粉碎煤体；突出孔道受到堵塞，不能继续在突出空洞壁建立高的应体；突出孔道受到堵塞，不能继续在突出空洞壁建立高的应力梯度和瓦斯压力梯度等。以上任何一种情况出现时，突出力梯度和瓦斯压力梯度等。以上任何一种情况出现时，突出立即停止。立即停止。669.5.7
46、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施1、开采有突出危险的矿井，必须采取防治突出的措施。防突措施可以分为两大类：1)区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施；2)局部性防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施。防治突出技术归纳为“四位一体”的综合性防突措施：突出危险性预测；防治突出措施；防突措施的效果检验安全防护措施。67 2、区域性防突1）开采保护层 在突出矿井中，预先开采的、并能使其他相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方的叫下保护层。68开采保护层
47、防突原理69开采保护层的作用 现以天府南井2号层(保护层)开采后，有突出危险的9号层内与突出有关的若干参数的变化，来说明保护层的作用。从上图可见，保护层(2号层)采到距离测点0m处时，被保护层(9号层)已经开始膨胀，接着是透气系数增大。采过测点20m后，瓦斯流量开始上升，采过40m后的瓦斯压力开始下降，并稳定地保持很长时间。保护层开采后，由于采空区的顶底板岩石冒落，移动，引起开采煤层周围应力的重新分布，采空区上、下形成应力降低(卸压)区，在这个区域内的未开采煤层将发生下述变化：a.地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。b.煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保
48、护层的采空区内；瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。据测定，开采保护层后，被保护层的煤硬度系数由0.30.5增加到1.01.5。702).2).保护范围保护范围 保护范围：指保护层开采后，在空间和时间上使危险层丧失突出危险保护范围：指保护层开采后，在空间和时间上使危险层丧失突出危险的有效范围。的有效范围。（1 1）垂直保护距离）垂直保护距离 保护层与被保护层间的有效垂距保护层与被保护层间的有效垂距:上：急上：急60m,60m,缓：缓：50m50m 下：急下：急80m80m，缓：缓：100m100m(2)(2)沿倾斜的保护范围沿倾斜的保护范围 确定沿倾向的保护范围就是沿
49、倾向划定被保护层的上、下边界确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界(以冒以冒落角落角)。(3)(3)沿走向的保护范围沿走向的保护范围。超前距一般不得小于两个超前距一般不得小于两个 煤层之间垂直距离的两倍，煤层之间垂直距离的两倍，至少不小于至少不小于30m30m。(4)(4)煤柱的影响煤柱的影响71开采保护层还必须注意以下几点：开采保护层还必须注意以下几点：a.如煤层群中有几个保护层时，应首先考虑上保护层。不如煤层群中有几个保护层时，应首先考虑上保护层。不但符合由上而下的开采顺序，而且突出危险层同水平的巷但符合由上而下的开采顺序，而且突出危险层同水平的巷道能位于保护范围内。如果不
50、得不开采下保护层时，要防道能位于保护范围内。如果不得不开采下保护层时，要防止采动影响而破坏未采煤层结构。止采动影响而破坏未采煤层结构。b矿井中所有煤层都有突出危险时，可选择突出危险程矿井中所有煤层都有突出危险时，可选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，但在此保护层的采掘过程中，度较小的煤层作为保护层，但在此保护层的采掘过程中，必须采取防治突出的措施。必须采取防治突出的措施。c.矿井中所有可采煤层都具有严重突出危险时，也可以选矿井中所有可采煤层都具有严重突出危险时，也可以选择不可采的煤层作为保护层。为了减小劳动强度，可使用择不可采的煤层作为保护层。为了减小劳动强度，可使用刨煤机、钢丝绳锯等采煤机