煤与瓦斯突出的预测及防治措施思维导图

叹黄昏

2023-03-06

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措施

防治

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瓦斯

发生

方法

危险性

过程

进行

安全生产法

煤矿安全

摘要在总结分析了国内外煤与瓦斯突出机理、突出类型、突出条件、突出一般规律和影响因素的基础上，重点比较分析了煤与瓦斯突出预测的各种方法及针对性防治措施，指出神经网络是预测煤与瓦斯突出非线性问题的最有前景的方法。

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思维导图大纲

1.1煤与瓦斯突出的机理

许多国家对煤与瓦斯突出机理的研究都很重视，并取得了一定成果，但由于突出机理的复杂性及突出现象的多样性，目前对突出机理的认识仍处于假说阶段。国外对煤与瓦斯突出机理的认识可归纳为4种：地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说。

我国从60年代起就对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等开展了一系列的研究，根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨，提出了新的见解和观点，概括起来主要有中心扩张学说、流变假说、二相液体假说、固流耦合失稳理论、球壳失稳理论等。此外中国科学院力学研究所从力学角度对突出过程做了大量的研究工作，并提出了突出破坏过程及瓦斯渗流的机制方程。

1.2煤与瓦斯突出的类型

煤与瓦斯的突出包括：煤与甲烷突出、岩石与甲烷突出、煤与CO?2突出、岩石与CO?2突出等。由于突出时的原动力和所表现现象的不同，煤与瓦斯突出可分为突出、倾出、压出3种情况，各种情况比较见表1。

表1煤与瓦斯突出类型比较表?（略）

1.3煤与瓦斯突出的一般规律

（1）突出的次数和强度随开采的深度增加而增加；

（2）突出多发生在地质构造地区，如褶曲、断层处及岩浆侵入地区；

（3）煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，突出危险性越大；

（4）煤层中的厚度大、倾角大或其厚度和倾角发生变化以及煤层中的软分层由薄变厚的地区，容易发生突出；

（5）掘进工作面应力集中的地区易发生突出；

（6）在外力冲击作用下，如放炮或采煤机割煤时煤体受到震动，诱导瓦斯发生突出；

（7）围岩的透气性越差、致密的岩层越厚，煤层的瓦斯含量越高，其突出的危险性也就越大；

（8）突出多发生在揭煤和煤层掘进工作面；

（9）在突出前大都出现预兆。

2煤与瓦斯突出的预测

2.1突出预测方法的分类

按预测预报范围和时间的不同，预测方法可分为3类：第一是区域性预测，主要是确定煤田、井田、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测，它是在区域性的基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区或要点的突出危险性作出判断；第三是日常预测，它是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应，对突出危险发出警告。

2.2国内外煤与瓦斯突出的预测方法

2.2.1微震技术预测突出危险性

研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发生破裂和震动，当从震源传出震波或声波的强度和频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出。突出是由连续的多起断裂引起的，而且异常的微震发射通常在断裂之前5～45s内产生，故微震法作为突出预报方法，有其广阔的应用前景。俄罗斯在地震声学预测方法中取得了较好的研究成果。

2.2.2煤层温度状况预测突出的危险性

温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。

前苏联NA雷任科等学者，对采掘工作面近工作面地段的煤体温度状况进行了考察研究，用于突出危险性日常预测，并对掘进中发生的6次突出全部作出了预报。原苏联的另一些学者，采用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。

2.2.3煤层中涌出的氦或氡浓度的变化预测突出

研究表明在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。前苏联学者考察了顿涅茨煤田中2个不突出煤层和4个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯压力也相应的高。煤中涌出的氦可以作为预测突出的一个指标，该项目正在继续进行。

2.2.4电磁辐射强度预测突出危险

电磁辐射(EME)是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象，与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关。采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的优点是：电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动力现象的主要影响因素；可实现真正的非接触预测，无需打钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动态连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。

2.2.5神经网络方法进行突出预测

煤与瓦斯突出，其发生是由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、煤体结构及围岩特征诸多因素决定的。突出灾害的发生是极不规则的，其所处的系统是一个不断变化的系统，各种力学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。

人工神经网络方法的出现，为解决这一问题开辟了一条新途径。神经网络具有通过样本来“学习”的能力，一方面区别于传统的各种预测方法，实际应用时无须做出因素与突出相关关系的任何假设，只需将实际数据直接提供给网络来训练；另一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值(只要训练数据足够多)，能够抽提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，尤其是那些尚未被人类认识和揭示的规律，这些优点是传统方法无法比拟的。

3煤与瓦斯突出预兆及其防治

3.1煤与瓦斯突出预兆

煤与瓦斯突出前一般都有预兆，没有预兆的突出是极少数的。突出预兆伴随其突出过程按其主要特征大体可分为“三个阶段”，各阶段的显现程度和处理原则各不相同，见表2。

3.2煤与瓦斯突出的防治措施

表2煤与瓦斯突出预兆比较表（略）

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，因其具有突发性、不完全的可知性，很难完全防止它的产生。但是如果开展突出预测并采取行之有效的防治措施，仍可做到不发生或减少伤亡事故的发生。目前防治煤与瓦斯突出工作，已不是单一的技术措施，而是一套完整的综合防治突出的系统工程。

防治突出首先要摸清楚它发生的地区、范围，采取必要的防治措施，改变其发生突出应具备的基本条件，使其不发生或降低其突出强度，并采取必要的安全防护措施，重点要抓好以下几点工作。

3.2.1揭煤防突

目前国内大都采用远距离震动放炮的方法揭开煤层，揭煤防突主要是把好“七关”。

设计关：进行煤巷道的设计时，要避开地质构造带和应力集中区；

施工关：巷道和抽放钻孔必须按设计施工，落实到实处；

验收关：巷道和抽放钻孔必须有专人验收，确保质量；

封孔关：凡有矿井系统抽放和局部抽放系统的矿井，应采用新设备、新技术、新工艺、新材料，确保封孔质量，提高抽放效果；

抽放卸压关：应按表计算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯压力和解突安全抽放期等重要参数；

检验关：必须按照颁发的防突细则的有关规定进行效果检验，符合要求后方准揭煤；

二次卸压关：揭煤前可再打一组卸压孔，进行二次卸压。

3.2.2煤巷掘进防突

国内外实践证明，煤与瓦斯突出多发生在煤巷掘进过程中。为了有效地防治煤巷掘进突出，应用超前排放钻孔、浅孔松动爆破、深孔控制爆破、预抽瓦斯以及上述措施与边掘边抽相结合的综合防突措施。在一般和中等程度突出危险区域，大部分采取打少数超前卸压钻孔的方法解突；在严重突出危险区域，大都采用超前钻孔、煤体固化和金属骨架等多种措施综合防治。

3.2.3大倾角不稳定煤层防突

在大倾角不稳定煤层中，重点采取超前密集钻孔和煤层注水防突措施。超前密集钻孔是通过煤体前方的钻孔使煤体应力释放和转移，钻孔使煤体前方的高压瓦斯得以释放，使掘进头前方一定范围内形成低应力、低瓦斯区，达到防突或降低突出强度的目的。

目前国内外都不同程度地应用煤层注水措施来降低或消除瓦斯突出危险性，实验测试结果表明：湿润煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可达常压下煤的瓦斯解吸量的1?7%～27%，当煤样吸水饱和后，湿煤较干煤的透气系数要下降一个数量级。国内外不少矿井煤层注水后的实际结果表明，注水结束后打开钻孔时几乎没有瓦斯涌出现象，在注水进行采掘时，瓦斯涌出量明显下降，并且放炮后的瓦斯涌出量比较均匀。

第1课：中华文明的起源与早期国家思维导图