防治煤與瓦斯突出淺談

馬海武 馬統師

摘要：有煤、巖和瓦斯參與的動力現象我們稱為煤與瓦斯突出，這也是煤礦中較為嚴重的自然災害之一。本文通過分析煤礦中煤與瓦斯突出規律，有效的防突措施，為礦井煤與瓦斯的治理提供借鑒經驗。

關鍵詞：煤與瓦斯 ?突出 ?防治措施

1 礦井基本概況

阿拉善盟天榮煤炭公司（以下簡稱天榮公司）為神華集團烏海能源公司子公司，位于阿拉善盟阿拉善左旗宗別立鎮，主要開發二道嶺礦區的無煙煤資源。

天榮公司屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井各煤層瓦斯含量、瓦斯壓力較大，天榮公司一礦可采各煤層瓦斯測定最大含量分別為：一煤15.969m3/t、二1煤14.78m3/t、二2煤14.877m3/t、四煤17.064m3/t，瓦斯壓力分別為1.2MPa、1.1MPa、1.04MPa、1.2MPa。

對于礦井的煤層瓦斯，一般都是采取井下鉆孔的方式來實現卸壓瓦斯抽放的目的。在采掘過程中，對于瓦斯突出的問題，特別是瓦斯超限的問題，直接影響著煤礦資源的開采，威脅著開采人員的安全，因此，如何降低甚至消除瓦斯的威脅，合理采集煤層氣資源，想方設法使瓦斯含量大大減少，最大限度減輕瓦斯壓力，保證工作面能夠進行安全生產，是擺在我們面前的重要問題。

2 煤與瓦斯突出的機理、規律

2.1 煤與瓦斯突出的機理

許多國家都非常重視對于煤和瓦斯突出機理的研究，許多國通過長時間的努力在這方面也取得了相應的成就。但就目前對突出機理的研究和認識來說，這些還只是處于假說階段。究其根本是煤與瓦斯突出機理具有復雜性并且突出現象具有多樣性，所以在研究過程中掌握和了解其內部的原理并非易事。就目前的研究成果來說，地應力假說和瓦斯作用假說、化學本質假說以及綜合作用的假說等等，是國外對煤與瓦斯突出機理的基本認識。

其中，中心擴張學說、流變假說與二相液體假說、固流耦合失穩理論和球殼失穩理論等是我國在這方面的研究。另外，突出破壞過程及瓦斯滲流的機制方程是我國科學院力學研究所從力學角度對突出過程的研究成果。

煤與瓦斯突出的機理有很多種假說，得到大家公認的比較有權威的假說是煤與瓦斯突出主要是由地應力、煤與瓦斯的物理力學性質等三者綜合的結果。這也是目前最有影響力的說法。

2.2 煤與瓦斯突出的基本規律

①突出與地質構造之間的關系，在地質構造帶的內部一般會較多的發生突出，如斷層、褶曲和火成巖侵入區域的附近。②突出與瓦斯之間的關系，概括來說，影響突出發生的最重要的因素是煤層中瓦斯的壓力與含量。大體來說，瓦斯壓力和瓦斯含量與突出的危險性成正比。雖然多種因素綜合作用形成突出，但是煤層的瓦斯含量和壓力與突出之間，沒有特別固定的關系。③突出與地壓之間的關系，地壓越大，突出的危險性越大，即這兩者成正比關系。④突出與煤層構造之間的關系，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。因此在軟煤層或軟分層中突出的發生較多。⑤突出與圍巖性質之間的關系，突出危險性會隨著煤層頂底板堅硬而致密的巖層且厚度的變大，其集中應力就會較大，瓦斯不容易排放，反之就會小。⑥突出與水文地質之間的關系，研究表明，礦井中水的涌出量會隨著濕潤度的改變而改變。由于地下水的流動可以溶解某些礦物，給瓦斯流動創造了條件，因此突出的危險性也會降低。⑦突出具有延期性，我們所說的突出的延期性變化是震動放炮后沒有立刻誘發突出的發生，而相隔一段時間后才發生。延遲時間會從幾分鐘到幾個小時。

3 煤與瓦斯突出預兆與預測

3.1 煤與瓦斯突出預兆

研究表明，發生突出是因為從震源傳出震波（或聲波）的強度和頻率增加到一定程度時，就可能出現煤的突然破壞。引起突出的最主要也是最重要的原因是連續的多起斷裂，而且異常的微震發射通常在斷裂之前5～45s內產生，所以作為常用的突出預報方法的微震法有很廣闊的前景及應用。煤層溫度狀況可以預測出突出的危險性。根據溫度狀況預測突出危險性的理論我們可以得到“瓦斯解吸時吸熱，導致煤層溫度降低”。

3.2 煤與瓦斯突出的預測

區域預測和工作面預測組成煤與瓦斯突出預測的兩大類。

3.2.1 區域性預測

確定井田、煤層和煤層區域的危險性是區域性預測的主要任務，在地質勘探、新井建設和新水平開拓時進行。區域性預測主要有以下幾種方法：

①單向指標法。預測指標以煤的破壞類型、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數和煤層瓦斯壓力為依據，各種指標的突出危險臨界值應根據實測資料確定。②按照煤的變質程度。煤層的突出危險程度與其揮發分之間是緊密相關的：沒有突出危險的，煙煤的揮發分大于35%和無煙煤的比電阻的對數值小于3.3;但揮發分在18%～22%時，突出危險性最高。③地質統計法。根據已開采區域突出點分布與地質構造之間的關系，然后結合未采區域的地質構造條件大致可以預測突出可能發生的范圍。

3.2.2 工作面預測。工作面預測也稱日常預測，其任務是確定工作面附近煤體的突出危險性，即工作面繼續向前推進時有無突出危險。

①石門揭煤突出危險性預測。石門揭煤突出危險性預測的方法大體可以分為以下幾種：a綜合指標法。在石門向煤層至少打兩個測壓孔，測定煤層瓦斯壓力，并在打鉆過程中采樣，測定煤的堅固性系數和瓦斯放散初速度，按綜合指標進行預測。b鉆屑指標法。在距煤層最小垂距3～5m時至少向煤層打兩個預測鉆孔，用1～3mm的篩子沖洗液中鉆屑，測定其瓦斯解吸指標。c鉆孔瓦斯涌出初速度結合瓦斯涌出衰減系數。當石門距煤層3m以外時，至少打兩個穿透煤層全厚的預測鉆孔，打鉆結束后馬上用充氣式膠囊封孔器封孔，充氣壓力0.5MPa。打鉆結束到開始測量的時間一般不應超過5min。封孔后應先測第1min的瓦斯涌出初速度，第2min測定解吸瓦斯壓力，一旦瓦斯涌出初速度超過預定的工作指標，還應測定第5min的鉆孔涌出時的速度，以便算出瓦斯涌出衰減系數。②煤巷突出危險性預測。煤巷突出危險性預測的方法主要有：a鉆孔瓦斯涌出初速度法。在距巷道兩幫0.5m處，各打一個平行于巷道掘進方向的鉆孔，用充氣式膠囊封孔器封孔，測定鉆孔瓦斯涌出初速度，從打鉆結束到開始測量的時間不應超過2min。b鉆屑指標法。在工作面打2個或3個鉆孔。鉆孔每打1m測定一次鉆屑量，每打2m測一次。根據每個鉆孔沿孔深每米的最大鉆屑量和鉆屑解吸指標預測工作面突出危險性。

3.3 神經網絡方法進行突出預測

地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍巖特征等等這些因素所共同作用是形成煤與瓦斯突出的發生的主要因素。在各種力學作用和之前所講到的這些影響因素的共同作用下，突出災害的發生都是很不規則的，且處于一個不斷變化的系統，呈現出了復雜而又難以判斷的非線性狀態。

形成煤與瓦斯突出的發生的主要因素是地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍巖特征等等這些因素所共同作用。在各種力學作用和之前所講到的這些影響因素的共同作用下，突出災害的發生都是很不規則的，且處于一個不斷變化的系統，呈現出了復雜而又難以判斷的非線性狀態。

人工神經網絡對其進行預測和判定是人們為了解決這一問題所用的方法。神經網絡可以通過樣本來“學習”，一方面它與傳統的各種預測方法區別開來，另一方面訓練完成后的網絡能以任何精度逼近真值（只要訓練數據足夠多）。與傳統方法不同的是該方法能夠抽提、捕捉隱藏在歷史數據中的規律，特別是那些尚未被人類認識和發現的規律。研究表明，在地震之前有氡和氦的反常涌出現象。煤中涌出的氦可以作為預測突出的一個指標進行實驗和加以判定。

4 煤與瓦斯突出的預防措施

煤與瓦斯突出作為一種極其復雜的動力現象，既要搞清楚它發生的地區、范圍，以便更好的采取防治措施，改變其發生突出時應具備的基本條件，又要使其不發生或降低其突出強度，并采取必要的安全防護措施以便將來更好的防治突出，所以要抓好以下工作很重要。

4.1 揭煤防突

目前國內采用揭開煤層的方法基本上都是遠距離震動放炮，把好“七關”是揭煤防突最主要的方法。分別為設計關、施工關、驗收關、封孔關、抽放卸壓關、檢驗關、二次卸壓關。

4.2 煤巷掘進防突

各國實踐證明，煤巷掘進過程中會較多的有煤與瓦斯突出的發生。超前排放鉆孔、淺孔松動爆破、深孔控制爆破、預抽瓦斯及上述措施與邊掘邊抽相結合的綜合防突措施，可以有效地防治煤巷掘進突出。采取打少數超前卸壓鉆孔是一般和中等程度突出危險區域解突方法;超前鉆孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治是嚴重突出危險區域大都采用的方法。

4.3 大傾角不穩定煤層防突

大傾角不穩定煤層中比較常用的方法有超前密集鉆孔和煤層注水防突措施。超前密集鉆孔利用煤體前方的鉆孔使煤體應力得以釋放和轉移，釋放煤體前方的高壓瓦斯，以使掘進頭前方一定范圍內形成低應力、低瓦斯區，以達到防突或降低突出強度。

應用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性是目前國內外采用的較為普遍的方法，實驗測試結果表明：當煤樣含水量達到飽和程度時，干煤相比干濕煤來說，其透氣系數要上升一個數量級，研究表明，濕潤煤的瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%。國內外不少礦井煤層注入充足的水后再打開鉆孔時幾乎就不會再有瓦斯涌出現象，而且注水后再進行采掘時，瓦斯涌出量也會明顯下降，并且放炮后的瓦斯涌出量也會相對比較均勻。

4.4 防治突出的技術措施

區域性措施和局部性措施是防治突出的技術措施的兩大類。針對大面積范圍消除突出危險性的措施是區域性措施，在采掘工作面執行的主要是局部性措施，它針對采掘工作面前方煤巖體一定范圍消除突出危險性的措施。預留開采保護層、大面積瓦斯預抽放和控制預裂爆破，是目前主要的區域性措施;卸壓排放鉆孔、深孔或淺孔松動爆破、卸壓槽、固化劑、水力沖孔等是局部措施的種類。

4.5 “四位一體”綜合防治突出措施

所謂“四位一體”綜合防治突出措施，就是說首先應對開采煤層及其對開采煤層形成影響的鄰近煤層進行突出危險性預測。對確認的突出危險性區域，應采取區域性防治突出技術措施，對確認的突出危險工作面，一定要采取局部性防治突出技術措施。采取防治突出技術措施之后，務必對防治突出技術措施和消除突出危險性的效果進行檢驗，一旦檢驗有效，則采取安全防護措施的前提下進行采掘作業;如果檢驗無效，必須補充防治突出技術措施，直至再次檢驗為有效時方可在采取安全防護措施前提下進行采掘作業。否則，必須繼續補充技術措施。

4.6 安全防護措施

控制突出危害程度的措施是安全防護措施，也就是說即使發生突出，也要使突出強度降低，對現場人員進行保護不致危及人身安全。如震動性放炮、遠距離放炮、反向防突風門、壓風自救器、個體自救器等。

5 解決瓦斯涌出異常問題的措施

通過對礦井瓦斯涌出的原因及異常形成的分析，我們可以從以下幾方面去采取措施，解決礦井瓦斯涌出異常問題：

5.1 加強通風、設備、設施管理

①在瓦斯涌出異常的施工巷道、工作地點安裝風電閉鎖、瓦斯電閉鎖裝置，并調試確保靈敏可靠和正常監控。②每天對瓦斯涌出異常的區域或巷道中的所有電氣設備進行防爆檢查，杜絕設備失爆。開關等電氣設備出現故障需檢修時，嚴禁施工人員擅自拆卸，必須經瓦斯檢查員檢查瓦斯，確定可以實施檢修后由機電專職檢修人員檢修。③在瓦斯涌出異常的區域或工作面、巷道中安設瓦斯傳感器，隨時監測瓦斯變化情況。④及時校驗瓦斯檢測儀，最大限度降低誤差，對該地點實行有效監測。⑤應在瓦斯涌出異常區域回風巷內成組安設隔爆水幕，并保持水幕中有足夠水量。

5.2 加強瓦斯檢測管理

①選配責任心較強的瓦斯檢查員對瓦斯涌出的區域，特別是有瓦斯涌出異常的掘進施工巷道、地點和地段，要進行專人、專頭、專職檢測，并隨時確保正常通風。②在瓦斯涌出異常地點進行專職檢測的瓦斯檢查員，入井必須隨身攜帶光學式瓦斯檢查儀和便攜式瓦斯檢查儀，兩種儀器配合使用，確保檢測無誤。③嚴格執行瓦斯檢查員現場交接班制度，嚴禁瓦檢員脫崗、串崗。④每天、每班必須有專人對有瓦斯涌出異常的區域和施工地點進行巡查，實行現場重點監管，及時解決存在的“一通三防”問題。

6 結束語

綜上所述，煤與瓦斯突出作為一種極為復雜的動力現象，主要是由于其突發性和不完全的可知性而聞名的。我們很難完全避免它的發生，所以，防治煤與瓦斯的工作的重中之重是有一套綜合而全方位的防治煤與瓦斯突出的系統工程，主要合理的采掘部署、預測突出的危險性以及正確地、有措施性的防治效果和通風及抽放瓦斯等綜合防突措施等。這就需要我們了解煤與瓦斯突出的突發過程及演化機理對提高礦井產量，減少財產損失和人員傷亡具有重大的科學意義，雖然目前突出機理還未有統一的定論，但通過我們對煤與瓦斯的現有認識，加深對煤與瓦斯突出的理性思考，積極做好防御工作，就可以減少甚至避免這種災難性事故的發生。

參考文獻：

[1]秦汝祥.煤與瓦斯突出預報研究現狀綜述[J].能源技術與管理，2005（01）.

[2]孫培德，鮮學福，錢耀敏.煤體有效應力規律的實驗研究[J].礦業安全與環保，1999（02）.

[3]許江，鮮學福，杜云貴，張廣洋.含瓦斯煤的力學特性的實驗分析[J].重慶大學學報（自然科學版），1993（05）.

[4]劉文生，范學理，趙德深.覆巖離層充填技術的理論基礎與工程實施[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2001（02）.

[5]程遠平，俞啟香，袁亮.上覆遠程卸壓巖體移動特性與瓦斯抽采技術[J].遼寧工程技術大學學報，2003（04）.

[6]馮增朝.低滲透煤層瓦斯抽放理論與應用研究[D].太原理工大學，2005年.