淺談煤與瓦斯突出的防治

摘 要：煤與瓦斯突出是地應力和瓦斯壓力的共同作用下的一種異常的動力現象，是制約煤礦安全生產的五大自然災害之一。防治煤與瓦斯突出的措施主要采用突出危險性預測、防治突出措施、防空措施效果檢驗和突出防護措施在內的“四位一體”的綜合防突措施。通過瓦斯抽（排）放鉆孔釋放采掘工作面及附近區域的部分瓦斯，降低采掘工作面的瓦斯壓力，達到安全生產的目的。

關鍵詞：煤與瓦斯突出 防治 預測 安全防護

中圖分類號：TD713.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0096-03

煤與瓦斯突出是由于地應力和瓦斯壓力的共同作用下，在極短的時間內，破碎的煤和瓦斯由煤體或巖體內突然向采掘空間拋出的異常動力現象。煤與瓦斯突出災害會造成重大人身傷亡事故，對煤礦安全管理造成巨大經濟損失，是煤礦安全生產工作中的重大危險源，是煤礦災害預防中的首要工作。

1 煤與瓦斯突出概念

煤與瓦斯突出是由于地應力和瓦斯壓力的共同作用下，在極短的時間內，破碎的煤和瓦斯由煤體或巖體內突然向采掘空間拋出的異常動力現象。

2 煤與瓦斯突出類型

煤與瓦斯突出按動力現象的力學特征，可分為：突出、壓出和傾出；按突出強度可分為：小型突出（強度小于100T）、中型突出（強度等于或大于100T、小于500T）、大型突出（強度等于或大于500T、小于1000T）、特大型突出（強度等于或大于1000T）。

煤與瓦斯突出一般是在工作面放炮或采掘等誘導因素出現后隨即發生的。這樣的突出稱之為正常突出。還有一種突出是在工作面放炮或采掘等誘導因素出現后延遲一定時間才發生，稱之為延期突出。延期突出由于延期時間有長有短，難以確定，不好預防。那么，煤與瓦斯突出的機理是如何的呢？討論瓦斯抽放和突出治理的資料很多，但對突出機理進行詳細描述的資料卻很少，因此了解這方面知識對于研究和治理突出顯得很有必要。

3 煤與瓦斯突出危害與突出機理：

煤與瓦斯突出系指煤礦中這樣一種煤體動力現象，即在極短時間內，由煤體向巷道（包括采場）中突然噴出巨量的瓦斯和粉碎的煤，并在煤體中形成某種特殊形狀的空洞，噴出的粉煤被瓦斯流所攜帶運動，并造成一定的動力效應（推倒礦車，巨石，破壞支架等），大突出時粉煤可以充填數百米巷道，而噴出的瓦斯-粉煤流有時帶有暴風般的性質，逆風流充滿數千米長的巷道。

因此，煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全生產的最嚴重的自然災害。自從1834年法國發生世界上第一次煤和瓦斯突出以來，40多個產煤國家發生了突出。我國的瓦斯突出極為嚴重，至今為止，已發生突出萬次以上。近年隨著煤炭開采的向地下深部延伸和開發力度的加大，煤與瓦斯突出也隨之加劇。云南東源集團的羊場煤礦，田壩煤礦，恩洪煤礦均是突出礦井，恩洪突出還很嚴重。云南在建的最大規模井工煤礦—— 白龍山煤礦也已經發生瓦斯突出。因此瓦斯突出災害的嚴重性云南已經凸現。研究和掌握治理技術已經很迫切。

人類對煤與瓦斯突出機理的研究已經近200年了，對突出機理的假說不下40種，盡管各有差別，但歸納起來有六類，主要的仍然是三大類：瓦斯主導學說；地壓主導學說；綜合作用假說。本文介紹有代表性的幾種假說。

3.1 瓦斯主導學說

該類學說認為，瓦斯是突出的主要原因和能源，而地壓和煤的物理力學性能則是為突出創造了有力條件。該類學說主要包括以下假說。

（1）“瓦斯包”說（前蘇聯貝可夫提出）。

突出的原因在于煤層中存在“瓦斯包”。該瓦斯包中的瓦斯壓力比鄰近區域要高得多，且包圍“瓦斯包”的煤體透氣性極小，使高壓瓦斯得以保存。當工作面接近這一“瓦斯包”時，高壓瓦斯破壞了煤壁，瓦斯攜帶破碎煤猛烈噴出，發生瓦斯突出。

（2）突出波說（前蘇聯赫利斯特爾維切提出）。

突出是煤層中所含潛能的顯現，每噸煤中所含瓦斯的潛能要比煤層儲蓄的彈性變形能大10倍左右。在煤強度低的區域，煤層中的瓦斯壓力大于煤的極限破壞強度，在采掘工作面接近這些區域時，在瓦斯壓力作用下，可產生連續破壞煤體的“突出波”。

（3）瓦斯膨脹說。

①煤層中存在高壓瓦斯含量地帶，吸附瓦斯引起了煤體膨脹，增加了煤層應力，且在這樣的煤層中透氣系數接近于零。當巷道接近這一區域時，使應力急劇降低，造成煤的破壞和突出。

②突出是由于含有高壓瓦斯的煤層，煤結構不均勻。透氣性低的硬煤包圍著透氣性高的軟煤，當巷道工作面接近硬煤與軟煤邊界時，運動著的高壓瓦斯就可以沖破煤壁夾帶著碎煤而噴出發生突出。

（4）瓦斯水化物說（前蘇聯學者提出）。

在一定溫度和壓力下，空隙煤體中有可能形成瓦斯的水化物CH4·6H2O。當它與水結合時，在一立方米的水中可以含有200m3的瓦斯。煤層中的瓦斯水化物以不穩定的化合物存在，儲存著巨大的潛能，受到采動影響即能迅速分解，形成高壓瓦斯，突破煤體而造成突出。

3.2 地應力為主導作用的假說

（1）巖石變形潛能說。

在地質構造帶儲藏著構造應力，在煤層頂底板的巖層中積蓄著強大的彈性能。當巷道接近厚的巖層彈性變形地區時，圍巖象彈簧一樣地伸張，破碎和粉碎煤體，瓦斯隨之大量涌出發生突出。瓦斯在突出過程中僅起輔助作用。

（2）集中應力說。

在回采工作面前方的支撐壓力帶，由于厚的堅硬頂板懸頂突然折斷而引起的附加應力，致使煤體在集中應力的作用下遭受破壞而引起突出。

（3）應力疊加說。

瓦斯突出是由于地質構造應力，自重應力，火山與巖漿活動的熱力變形應力，采礦應力和放頂動壓等應力疊加而引起的。

3.3 綜合作用假說

此假說的主要特點是：（1）除了地層重力，高壓瓦斯外，在煤層中不存在任何其他能源。突出是地應力，瓦斯壓力和煤的物理力學性能綜合作用的結果。（2）地壓破碎煤體是造成突出的首要原因，而瓦斯則起著拋出煤體和搬運煤體的作用。從突出總能量來說，瓦斯是完成突出的主要能源。（3）實驗資料表明，只有煤強度很低，與圍巖摩擦力不大時，地壓造成的煤的變形前能和圍巖功能，才能把煤體破碎形成突出。煤強度是形成突出的一個極為重要的因素。

從上面介紹的突出機理不難看出，瓦斯是突出的主要因素，沒有瓦斯就談不上瓦斯突出。沒有瓦斯的動力現象稱之為沖擊地壓；：沒有動力效應的瓦斯急劇涌出稱之為瓦斯噴出。因此可以說：治理瓦斯突出的方向是消除高壓瓦斯的存在。所以我國治理瓦斯的行政強制手段是“四位一體”防突。國家煤礦安全監察局要求：國有煤礦中的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，要嚴格按照《煤礦瓦斯抽采基本指標》的要求，制定和落實瓦斯先抽后采的措施，推進高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井加大瓦斯抽采力度，真正做到“多措并舉、應抽盡抽、抽采平衡”，實現抽、掘、采關系平衡，確保不抽不采，達不到瓦斯抽采指標要求的不采。發現達不到抽采指標要求的采掘工作面，要立即停止生產，限期達標，逾期仍不達標的，必須按瓦斯抽采達標煤量核減煤炭產量計劃；對小煤礦中的煤與瓦斯突出礦井和應進行瓦斯抽采的高瓦斯礦井，必須制定并落實瓦斯抽采規劃，建立瓦斯抽采系統，2008年底前全部裝備到位并投入使用，逾期未安裝或不投入使用的，一律停止生產。高壓的游離瓦斯是突出的根源，防治瓦斯的關鍵就是要消除煤層中的突出瓦斯。其方向是：采取開采解放層、抽放等措施，減少乃至消除煤層瓦斯，使之形不成瓦斯突出的條件；采取控制地壓新舉措，消除采掘工作面周邊應力集中，從而解除瓦斯在“應力三區”作用下運移形成突出條件。根據瓦斯運移的理念，在采掘工作面前方一定距離抽放瓦斯，可以有較好的抽放效果。

4 煤與瓦斯突出規律

煤與瓦斯突出在其孕育、發展和能量釋放的過程中，呈現出一定的規律性，一般表現如下。

（1）突出與地質構造的關系，突出多發生在地質構造帶內，如斷層、褶曲和火成巖侵入區附近。

（2）突出與瓦斯關系，煤層中的瓦斯壓力與含量是突出的重要因素之一。一般說來，瓦斯壓力和瓦斯含量越大，突出的危險性越大。但突出與煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力之間，沒有固定的關系。瓦斯壓力低、含量小的煤層可以發生突起；反之，瓦斯壓力高，含量大的煤層也可能不突出，因為突出是多種因素綜合作用的結果。

（3）突出與地壓的關系，地壓愈大，突出的危險性愈大。當深度增加時，突出的次數和強度都可能增加；在集中壓力區內突出的危險性增加。

（4）突出的煤層構造的關系，煤層構造主要指煤的破壞類型和煤的強度。一般情況下煤的破壞類型愈高強度愈小，突出的危險性愈大。故突出多發生在軟煤層或軟分層中。

（5）突出與圍巖性質的關系，若煤層頂底板為堅硬而致密的巖層且厚度較大時，其集中應力較大，瓦斯不易排放，故突出危險性愈大；反之則小。若頂底板中具有容易風化和遇水變軟的巖層時，將減少突出危險性。

（6）突出與水文地質的關系，實踐表明，煤層比較濕潤，礦井涌水量較大，則突出危險性較小；反之則大，這是由于地下水流動，可帶走瓦斯，溶解某些礦物，給瓦斯流動創造了條件。

（7）突出具有延期性突出的延期性變化就是震動放炮后沒有透異突出而相隔一段時間后才發生突出。其延遲時間從幾分鐘到幾小時。

只有掌握了煤與瓦斯突出的規律，對我們進一步研究和防治煤與瓦斯突出打下良好的基礎。

5 煤與瓦斯突出預兆

《煤礦安全規程》規定：開采突出煤層時，每個采掘工作面的專職瓦斯檢查工，必須隨時檢查工作機瓦斯，掌握突出預兆。當發現工作地點有突出預兆時，瓦斯檢查工有權停止工作面作業，并協助班組長立即組織人員按避災路線撤出，報告礦調度室。絕大多數突出有明顯的預兆，只要我們掌握了突出預兆，并能按《煤礦安全規程》的要求，及時地按避災路線撤出，在發生突出事故時，就可以將災害帶來的損失降低到最低程度。煤與瓦斯突出預兆根據其孕育、發展、能量釋放三個過程可分為：早期預兆、中期預兆和臨突預兆。

早期預兆也稱變化預兆，主要特征為：工作面煤變軟、煤的光澤變暗、節理層理混亂。這時，煤與瓦斯突出危險性增大，所以要密切觀察，加強工作面防護監控，提高防護意識。

中期預兆也稱動力預兆，主要特征為：采掘工作面鉆沫多、鉆進慢，夾鉆、頂鉆、噴孔異常。中期動力預兆在突出威脅區表現并不明顯，但在突出危險區域表顯較為強烈。“噴孔”是突出危險區的常見現象，是瓦斯卸壓的“必然結果”，是瓦斯能量釋放的具體形式。遇到這種情況，《煤礦安全規程》規定，停止工作面作業，組織人員按避災路線撤人，并匯報礦調度室，待突出危險消除后，方可繼續作業。

臨突預兆也稱異常預兆，主要特征為：工作面來壓、煤炮響、瓦斯涌出異常。通常三種現象幾乎同時發生，表現強烈。工作面來壓是指掘進面突出前夕頂板來壓、底臌、兩幫來壓、片幫掉頂、支架變形、損壞、發抖、迎頭煤體外移等劇烈現象，壓力異常，這是礦壓現象的表現。煤炮響是指與壓力異常時，出現煤炮頻發，頂板與煤體撕裂聲，瓦斯射流哧哧聲等多種聲音匯集在一起，顯現異常強烈，因此也稱“聲音異常”。瓦斯涌出異常，是指與壓力聲響異常時，瓦斯涌出忽大忽小，極值懸殊數倍，但總體趨勢涌出量增大。這時，瓦斯涌出異常導致突出與不突出兩種結果。當工作面發生煤與瓦斯突出時，現場人員快速按避災線路全部撤出危險區，并立即停止工作面供電，停風，并匯報調度室，設置警戒。這時，回風系統和相關區域也要立即撤人、停電、警戒。礦調度室接到匯報后，立即成立事故搶險指揮部進行搶險工作；當工作面未發生突出時，現場人員按《規程》要求，快速撤出后，停負荷電，并設警戒，向調度室匯報。一小時后，組織通風、安全、區隊長三人組進工作面，觀察情況，記錄分析，再向調度室匯報，當班不得復工。由礦井總工程師組織有關人員，重新分析研究施工方案和安全措施，專題處理。

6 煤與瓦斯突出防治

《煤礦安全規程》規定：礦井在采掘過程中，只要發生過一次煤與瓦斯突出，該礦井即為突出礦井，發生突出的煤層即為突出煤層。開采突出煤層時，必須采取突出危險性預測、防治突出措施、防突措施效果檢驗和突出防護措施“四位一體”的措施配套系統，它是防治突出的總的技術原則，其目的是：（1）防止突出發生。（2）避免突出造成人身傷亡事故，采取防突綜合措施更加有的放失，提高措施的有效性。

突出危險性預測是防治突出綜合措施的第一環節，目的是確定突出危險性的區域和地點，在煤礦建井初期可采用超前鉆孔、控制煤層層位、測定瓦斯壓力、煤的堅固性系數、煤層圍巖性質及厚度、地質構造、煤層賦存條件，預測方法有：綜合指標法、巖心法和預測法，這幾種預測方法的技術參數《防突規定》中有明確的指標數據，突出危險性預測確定有突出危險性時，就必須執行防突措施。

防突措施是指在突出煤層進行開采前，對突出煤層進行擴大范圍采取的防突措施，區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯兩大類。開采保護層必須按《防突規定》選擇保護層，應優先選擇上保護層，在選擇開采下保護層時，不得破壞被保護層的開采條件，在開采保護層的同時應預抽被保護層的瓦斯，預抽被保護層的瓦斯應按相關的規定進行，應做好預抽鉆孔施工的各項記錄、參數、控制的區域等綜合防突措施。

防突措施效果檢驗是防突綜合措施的第三環節，是在防突措施執行后，對其防突的有效性進行現場檢驗。如鉆孔瓦斯涌出初速度法和最大鉆屑量、瓦斯解析指標法。鉆屑解析指標應符合《煤礦安全規程》的各種數據，確認無突出危險傾向性后才能進行采掘生產并執行安全防護措施。

安全防護措施是為井下人員在煤與瓦斯突出時免遭傷害而采取的措施，是綜合防突措施的一環，井巷揭穿突出煤層時或突出煤層進行采掘作業時，采用的安全防護措施包括：震動爆破、遠距離爆破、避難硐室、防突風門、壓風自救系統和隔離式自救器。《防治煤與瓦斯突出規定》對各種安全防護措施的使用條件、要求做了規定。

（1）震動爆破用于石門或井巷揭穿突出煤層工作面，要求一次全斷面揭穿煤層，利用強大的炸藥爆破震動主動誘發突出措施，突出時人員不在現場，所以不會造成人員傷亡。

（2）井下避難硐室是當災害發生時，人員無法及時撤出，為防止突出的瓦斯和煤的侵襲而設立的避難場所，設在采掘工作面附近和放炮地點。避難硐室必須有向外開啟關閉嚴密的隔離門，硐室凈高不低于2 m，長度與寬度根據同時容納最多人數確定，每人占用面積不少于0.5m2。室內支護必須保持良好且有與調度室直通的電話，必須有壓風供給管路，每人還必須配備足夠數量的自救器。

（3）壓風自救系統安設在采掘工作面40～75 m的巷道一側，放炮、撤離人員與警戒人員所在位置，在長距離掘進的巷道中，每隔50 m設置一組急救袋，可供5～8人使用。

（4）防突反向風門設在石門掘進工作面的進風側，控制突出時的瓦斯經回風道流入回風系統，避免瓦斯逆流到進風系統。反向風門在放炮時關閉。

（5）遠距離爆破是爆破人員遠離爆破地點的爆破作業。地點設在反向風門以外或避難硐室內，爆破30 min后方可進入工作面檢查和作業，未形成負壓通風的新建礦井，必須實施井外爆破，確保作業人員的安全。

（6）自救器是一種輕便、體積小、便于攜帶的個人呼吸保護裝置，有過濾式和隔離式兩種，在突出危險區域必須佩戴隔離式自救器。

安全責任，重在落實，只要認真貫徹執行“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產方針，提高“以人為本，科學管理，技術攻堅”的原則，堅持“管理、裝備、培訓”三并重的原則，加強礦井防突安全管理工作，是可以有效地防止煤與瓦斯突出事故的發生。以上是我本人在煤與瓦斯突出防治工作的一些認識，不妥之處，請各位領導老師批評指正。

參考文獻

[1]煤礦安全規程[S].2010.

[2]煤礦安全生產管理人員安全資格培訓教材[M].