矿井瓦斯与矿尘防治技术课件第4章-.ppt
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- 矿井 瓦斯 矿尘 防治 技术 课件
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1、第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治 煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害,是世界各煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害,是世界各主要产煤国突出矿井共同面临的技术难题。主要产煤国突出矿井共同面临的技术难题。Exp:1834年年3月月22日,法国鲁阿煤田,伊萨克矿井(日,法国鲁阿煤田,伊萨克矿井(世界世界上第一次有记录的突出上第一次有记录的突出)。)。1950年,辽源富国西二井(年,辽源富国西二井(我国第一次有记录突出我国第一次有记录突出)。)。最大的突出最大的突出:前苏联前苏联(1969.7.19):加加林矿,石门揭煤,):加加林矿,石门揭煤,14200t,250万
2、万m3瓦斯瓦斯。中国中国(1975.8.8):三汇坝一井:三汇坝一井,12780t,140万万m3瓦斯瓦斯.4.1 煤与瓦斯突出概况煤与瓦斯突出概况第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治危害:危害:1、产生的高压瓦斯流,能摧毁巷道,造成风流逆转、破坏、产生的高压瓦斯流,能摧毁巷道,造成风流逆转、破坏矿井通风系统。矿井通风系统。2、井巷充满瓦斯,造成人员窒息,引起瓦斯燃烧或爆炸。、井巷充满瓦斯,造成人员窒息,引起瓦斯燃烧或爆炸。3、喷出的煤岩,造成煤流埋人。、喷出的煤岩,造成煤流埋人。4、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。
3、至至20062006年底年底,我国共发生突出,我国共发生突出1500015000余次,占世界突出余次,占世界突出总数总数40%40%。我国现有各类矿井我国现有各类矿井2800028000处处,其中,高瓦斯、煤与瓦斯,其中,高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井占矿井总数的突出矿井占矿井总数的50%50%以上以上,突出矿井大约,突出矿井大约20002000个个。定义定义:在很短时间内(数分钟),从煤(岩)壁内部向采掘在很短时间内(数分钟),从煤(岩)壁内部向采掘工作面空间突然喷出煤(岩)和瓦斯的现象。工作面空间突然喷出煤(岩)和瓦斯的现象。突出机理复杂:突出地点、突出强度、突出时间很难预测突出机理复杂:突出地
4、点、突出强度、突出时间很难预测 特点特点:伴有声响和猛烈的力能效应(:伴有声响和猛烈的力能效应(摧毁井巷设施、破摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统坏矿井通风系统),窒息、煤流埋人,可能引起瓦斯燃烧和),窒息、煤流埋人,可能引起瓦斯燃烧和爆炸。爆炸。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.2 煤与瓦斯突出的定义煤与瓦斯突出的定义4.3 煤与瓦斯突出预兆煤与瓦斯突出预兆1.1.声响预兆声响预兆 如闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声。如闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声。2.2.瓦斯预兆瓦斯预兆 如风流逆转瓦斯异常、瓦斯浓度互大互小、打钻喷孔、哨如风流逆转瓦斯异常、瓦斯浓度互大互小、打钻喷孔
5、、哨叫声、蜂鸣声。像平顶山有瓦斯忽大忽小平均突出强度最大叫声、蜂鸣声。像平顶山有瓦斯忽大忽小平均突出强度最大3.3.煤体结构预兆煤体结构预兆 层理紊乱、煤体干燥、煤体松软、色泽变暗无光泽、煤层层理紊乱、煤体干燥、煤体松软、色泽变暗无光泽、煤层产状急剧变化、煤层波状隆起、层理逆转等。产状急剧变化、煤层波状隆起、层理逆转等。4.4.矿压预兆矿压预兆 支架来压、煤壁开裂、掉砸、片帮、工作面煤墙外鼓、底支架来压、煤壁开裂、掉砸、片帮、工作面煤墙外鼓、底鼓、钻孔夹顶钻、钻孔严重变形、炮眼装不进药等。鼓、钻孔夹顶钻、钻孔严重变形、炮眼装不进药等。5.5.其它预兆其它预兆 有些工作面温度降低、煤墙发凉、特殊
6、气味等预兆。有些工作面温度降低、煤墙发凉、特殊气味等预兆。一、按力学特征分类一、按力学特征分类1 1、煤(岩)与瓦斯突然喷出、煤(岩)与瓦斯突然喷出-突出突出主要特点主要特点:v突出物的搬运特征突出物的搬运特征:形成固体与气体两相混合流,可以流动:形成固体与气体两相混合流,可以流动到很远处。到很远处。v突出物的堆积特征突出物的堆积特征:分选、沉积轮回,堆积角:分选、沉积轮回,堆积角安息角安息角(3535-40-40)v突出物的破碎特征突出物的破碎特征:产生大量手捻无颗粒的微尘。:产生大量手捻无颗粒的微尘。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井
7、瓦斯动力现象及分类4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类v瓦斯量瓦斯量:突出瓦斯量(:突出瓦斯量(m3/tm3/t煤)煤)瓦斯含量;瓦斯含量;v喷孔孔形状喷孔孔形状:口小内大的犁形,倒瓶形(与应力分布一致):口小内大的犁形,倒瓶形(与应力分布一致)v作用力作用力:地应力(弹性变形能)地应力(弹性变形能)瓦斯压力(瓦斯潜能)瓦斯压力(瓦斯潜能)重力。重力。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2、煤(岩)突然压出并涌出大量瓦斯、煤(岩)突然压出并涌出大量瓦斯-压出压出主要特点:主要特点:v突出物的搬运特征:突出物的搬运特征:煤呈整体外移,碎体抛出一定距离。煤呈整体
8、外移,碎体抛出一定距离。v突出物的堆积特征突出物的堆积特征:就地堆积(:就地堆积(oror很近距离)、无分选性、无很近距离)、无分选性、无沉积轮回,沉积轮回,安息角(安息角(3535-40-40)v突出物的破碎特征突出物的破碎特征:大小不同的块体与碎末混杂。:大小不同的块体与碎末混杂。v瓦斯量瓦斯量:瓦斯量(:瓦斯量(m m3 3/t/t煤)煤)瓦斯含量;瓦斯含量;v喷孔孔形状喷孔孔形状:口大内小、外宽内窄、楔形:口大内小、外宽内窄、楔形v作用力作用力:地应力(围岩弹性位能突然释放),开采集中压力:地应力(围岩弹性位能突然释放),开采集中压力4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类
9、第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治3、煤(岩)突然倾出并涌出大量瓦斯、煤(岩)突然倾出并涌出大量瓦斯-倾出倾出主要特点主要特点:v突出物的搬运特征突出物的搬运特征:煤沿倾斜下落,碎体抛出不远距离;煤沿倾斜下落,碎体抛出不远距离;v突出物的堆积特征突出物的堆积特征:就地堆积(就地堆积(or很近距离)、很近距离)、无分选性、无沉积轮回,无分选性、无沉积轮回,安息角(安息角(3540)v突出物的破碎特征突出物的破碎特征:大小不同的块体与碎末混杂。大小不同的块体与碎末混杂。v瓦斯量瓦斯量:瓦斯量(瓦斯量(m3/t煤)煤)瓦斯含量;瓦斯含量;4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动
10、力现象及分类第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治v喷孔孔形状喷孔孔形状:口小内大、舌形口小内大、舌形v作用力作用力:地应力(围岩弹性变形能)、重力。:地应力(围岩弹性变形能)、重力。多发生于急倾斜煤层,低强度时,易与冒落和突出混多发生于急倾斜煤层,低强度时,易与冒落和突出混淆。淆。三类动力现象的发生都以地应力为主,所以它们的预三类动力现象的发生都以地应力为主,所以它们的预兆相似,但三者的基本能源不同。兆相似,但三者的基本能源不同。人们习惯上将三类现人们习惯上将三类现象象统称为煤与瓦斯突出统称为煤与瓦斯突出。二、按强度分类二、按强度分类 强度强度-每次动力现象抛出的煤(岩每次
11、动力现象抛出的煤(岩)数量(数量(t or m3为单位)为单位)和瓦斯量和瓦斯量(m3)。1、小型突出小型突出:强度强度50t/次(次(突出后几十突出后几十min,瓦斯浓度恢瓦斯浓度恢复正常复正常););2、中型突出中型突出:5099 t/次(次(突出后几小时突出后几小时,瓦斯浓度恢复正瓦斯浓度恢复正常常););3、次大型突出次大型突出:100499 t/次(次(突出后一天突出后一天,瓦斯浓度恢复瓦斯浓度恢复正常正常););4、大型突出大型突出:500999 t/次(次(突出后几天,瓦斯浓度恢复正突出后几天,瓦斯浓度恢复正常常););5、特大型突出特大型突出:1000 t/次(次(突出后,很长
12、时间,瓦斯浓突出后,很长时间,瓦斯浓度恢复正常度恢复正常)。)。4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类三、突出危险程度划分三、突出危险程度划分 1、突出矿井和突出煤层突出矿井和突出煤层:矿井在采掘过程中,只要发生:矿井在采掘过程中,只要发生过过1次次煤(岩)与瓦斯突出(简称突出,下同),该矿井煤(岩)与瓦斯突出(简称突出,下同),该矿井即为即为突出矿井突出矿井,发生突出的煤层即为,发生突出的煤层即为突出煤层突出煤层。2、突出危险区突出危险区和和无无突出危险区突出危险区:突出煤层经区域预测可:突出煤层经区域预测可划分为划分为突出危险区突出危险区和和无突出危险区无突出危险区。3、突出
13、危险工作面突出危险工作面和和无无突出危险工作面突出危险工作面:突出危险区进:突出危险区进行工作面煤与瓦斯突出预测。行工作面煤与瓦斯突出预测。四、防突措施的规定四、防突措施的规定 在突出危险区工作前,应采取防突措施,采取措施在突出危险区工作前,应采取防突措施,采取措施之后应进行检验,有效后方可进行作业;在无突出危险之后应进行检验,有效后方可进行作业;在无突出危险区,每推进一个工作面预测循环,都必须进行工作面预区,每推进一个工作面预测循环,都必须进行工作面预测,根据预测结果采取措施。测,根据预测结果采取措施。-“四位一体四位一体”4.4 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类4.5 采掘工作
14、面瓦斯动力现象的特点采掘工作面瓦斯动力现象的特点 采掘面的类型对突出诸因素的边界条件及在煤内空间与采掘面的类型对突出诸因素的边界条件及在煤内空间与时间上的分布产生重大影响,因此各类工作面的动力现象时间上的分布产生重大影响,因此各类工作面的动力现象具有不同的特点。具有不同的特点。Exp:石门突出:突出危险性最大,突出强度大,概率高,石门突出:突出危险性最大,突出强度大,概率高,典型突出次数最多典型突出次数最多。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治一、石门突出一、石门突出 类型类型:(1)放炮揭开煤层时的突出;放炮揭开煤层时的突出;(2)过煤门时的突出;)过煤门时的突出;(3)
15、自行冲破岩柱的突出。)自行冲破岩柱的突出。其中,放炮揭开煤层时的突出所占的比例最大。其中,放炮揭开煤层时的突出所占的比例最大。1、揭煤与过煤门时的突出、揭煤与过煤门时的突出 exp1:exp2:原因原因:采掘应力叠加。:采掘应力叠加。石门石门第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治 2、自行冲破岩柱的突出、自行冲破岩柱的突出 原因:一般都存在于有利的地质构造条件。原因:一般都存在于有利的地质构造条件。例如:断层、褶曲、扭转等地质构造处。例如:断层、褶曲、扭转等地质构造处。3、延期突出、延期突出 突出过程:突出过程:准备、发动、发展、终止。准备、发动、发展、终止。延期时间:延期时
16、间:几十分钟几十分钟 几十小时几十小时 第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治延期突出的实质:延期突出的实质:v放炮后,突出的准备阶段沿未结束,在此期间煤层内发生放炮后,突出的准备阶段沿未结束,在此期间煤层内发生不稳定的蠕变,新暴露面附近煤内产生能量积累。不稳定的蠕变,新暴露面附近煤内产生能量积累。v新暴露煤壁支承能力较大,能承受爆破时已升高的载荷和新暴露煤壁支承能力较大,能承受爆破时已升高的载荷和瓦斯压力作用,并继续积蓄弹性能。瓦斯压力作用,并继续积蓄弹性能。v当震动放炮不规范时,煤壁的稳定性降低,使地应力大大当震动放炮不规范时,煤壁的稳定性降低,使地应力大大升高,直至处于
17、过载应力状态。升高,直至处于过载应力状态。v煤体突然破碎,瓦斯压力的推力也因煤体破碎裂隙增加而煤体突然破碎,瓦斯压力的推力也因煤体破碎裂隙增加而成倍增加,导致突出的发生。成倍增加,导致突出的发生。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治二、平巷突出(煤巷掘进面)二、平巷突出(煤巷掘进面)与石门突出相比,突出平均强度低。与石门突出相比,突出平均强度低。原因:原因:地应力方面地应力方面:缺少像石门那样硬岩约束条件,即无能缺少像石门那样硬岩约束条件,即无能量积累的过程条件。限制了合成量积累的过程条件。限制了合成和和 增大。增大。瓦斯方面瓦斯方面:工作面前方煤体的:工作面前方煤体的CH
18、4和平和平 远低于石门远低于石门工作面前方煤体。因为瓦斯排放时间长。工作面前方煤体。因为瓦斯排放时间长。三、上山突出三、上山突出 倾出所占比例增多。倾出所占比例增多。煤的自重在动力现象中起作用。煤的自重在动力现象中起作用。dlddldP第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治四、下山突出四、下山突出 主要是主要是突出突出和和压出压出。煤的自重在动力现象中起阻力作用。煤的自重在动力现象中起阻力作用。五、采煤工作面突出五、采煤工作面突出 煤层倾角越小,突出危险性越大。煤层倾角越小,突出危险性越大。采煤工作面突出表现出明呈的区域性,在地质构采煤工作面突出表现出明呈的区域性,在地质构造
19、上有造上有如下几种类型如下几种类型:向斜轴部附近;向斜轴部附近;地质构造交汇处;地质构造交汇处;主向斜轴部的局部隆起区域;主向斜轴部的局部隆起区域;小断层群及顶底板凹陷或凸起群区域;小断层群及顶底板凹陷或凸起群区域;煤厚及倾角突然变化区。煤厚及倾角突然变化区。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治4.6 煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出机理一、突出原因假说一、突出原因假说 怎样发生?原因何在?过程如何?怎样发生?原因何在?过程如何?1、瓦斯作用说、瓦斯作用说 认为煤内存在认为煤内存在高压瓦斯高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。是突出中起主要作用的因素。“瓦斯包瓦斯包”:“多聚甲烷多
20、聚甲烷”:CH4在煤中形成不稳定的多聚甲烷在煤中形成不稳定的多聚甲烷(CH4)n)或结晶水合物(或结晶水合物(),当煤层),当煤层揭开后,揭开后,T升高或升高或P降低降低 促使它们急剧分解,从而放出大促使它们急剧分解,从而放出大量瓦斯并夹带大量煤炭而喷出。量瓦斯并夹带大量煤炭而喷出。OHCH246第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2、地应力作用说、地应力作用说 突出主要是突出主要是高地应力高地应力作用结果。作用结果。3、综合作用说、综合作用说 突出主要是突出主要是地应力、瓦斯、煤的力学性质地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素等因素综合作用结果综合作用结果。1)能量说)能量说
21、前苏联前苏联B.B.霍多特提出,突出是霍多特提出,突出是煤的变形能煤的变形能(w)和和瓦斯内能瓦斯内能突然释放引起工作面煤体的高速破碎。突然释放引起工作面煤体的高速破碎。)集中应力(采掘面前方构造应力自重应力地应力第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治激发突出的第一条件激发突出的第一条件 对于回采对于回采 对于掘进对于掘进 对于石门揭煤对于石门揭煤式中式中 W-煤的变形能;煤的变形能;-顶板岩石动能;顶板岩石动能;Q-煤内游离瓦斯所含的内能;煤内游离瓦斯所含的内能;F-煤向巷道移动功;煤向巷道移动功;U-煤的破碎功。煤的破碎功。激发突出的第二条件激发突出的第二条件 式中式中
22、Vp-煤的破碎速度煤的破碎速度;Vx-煤裂隙中瓦斯压力下降速度。煤裂隙中瓦斯压力下降速度。UFWUFWUFQWxpVV第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治激发突出的第三条件激发突出的第三条件式中式中 P-瓦斯压力;瓦斯压力;s-煤破碎区段的横断面积;煤破碎区段的横断面积;f-煤沿某一表面移动时,该面的摩擦系数;煤沿某一表面移动时,该面的摩擦系数;-煤沿某一表面移动时,该面与水平面所成倾角;煤沿某一表面移动时,该面与水平面所成倾角;g-重力加速度;重力加速度;m-煤的质量;煤的质量;a-为了将煤抛出必须给煤的加速度;为了将煤抛出必须给煤的加速度;+,-煤移动方向,向上抛出取煤
23、移动方向,向上抛出取“+”,反之取,反之取“-”。在瓦斯矿井,激发突出的第二与三条件实际上总是可以在瓦斯矿井,激发突出的第二与三条件实际上总是可以满足,因此,第一条件便成为发生突出的主要而必需条件。满足,因此,第一条件便成为发生突出的主要而必需条件。afgsmP)sincos(第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治2)地应力分布不均说)地应力分布不均说 前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。前苏联马可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。突出机理(原因)突出机理(原因):v突出煤层的围岩具有增高的和不均匀的应力分布;突出煤层的围岩具有增高的和不均匀的应力分布;v产生围岩的不均匀位移;产
24、生围岩的不均匀位移;v顶底板接近的顶底板接近的“停滞停滞”和和“塞子塞子”的形成,产生一种的形成,产生一种脆弱的平衡;脆弱的平衡;v靠近工作面的破碎带的尺寸降低,同时在近工作面范靠近工作面的破碎带的尺寸降低,同时在近工作面范围内部保持着较高的瓦斯压力。围内部保持着较高的瓦斯压力。v采掘工作破坏围岩脆弱平衡时,造成急剧的位移和搓采掘工作破坏围岩脆弱平衡时,造成急剧的位移和搓揉,产生冲击和煤的破碎,发生突出。揉,产生冲击和煤的破碎,发生突出。第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治发生突出的条件:发生突出的条件:a、突出煤层具有不同的地质构造与煤的结构;突出煤层具有不同的地质构造与
25、煤的结构;b、突出煤与非突出煤层的特性不同;突出煤与非突出煤层的特性不同;c、突出区:瓦斯压力大,煤层透气性低,煤质松软,突出区:瓦斯压力大,煤层透气性低,煤质松软,地质构造复杂。地质构造复杂。d、突出煤层,地应力处于紧张状态;突出煤层,地应力处于紧张状态;e、突出主要发生在地质构造带内;突出主要发生在地质构造带内;f、围岩地应力不均是突出危险性的一种标志。围岩地应力不均是突出危险性的一种标志。因此,围岩的应力状态变化和能量的释放是造成因此,围岩的应力状态变化和能量的释放是造成突出的首要原因,瓦斯是突出的基本能源之一,瓦斯突出的首要原因,瓦斯是突出的基本能源之一,瓦斯压力决定了突出的强度。压力
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