[科普中国]-瓦斯突出

简介

煤矿井下生产过程中，煤层和岩层内的大量瓦斯向采掘空间突然喷射的。

地质构造控制着煤层瓦斯的赋存和构造煤分层破坏程度以及厚度分布，控制着煤与瓦斯突出；煤与瓦斯突出动力现象是一定规模的瓦斯突出煤体在临近采掘工作面煤壁时，卸载引起煤体拉张向深部扩展破坏，煤层透气性高倍增加，同时煤体内大量瓦斯因降压而快速解吸，靠近煤壁的煤体内瞬间形成高动能的气、煤颗粒混合体，类似点爆炸药包，造成煤层严重崩塌破坏，发生煤与瓦斯突出1。

瓦斯突出现象（1）突出的煤向外抛出距离较远，具有分选现象。

（2）抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角。

（3）抛出的煤破碎程度高，含有大量的块煤和手捻无粒感的煤粉。

（4）有明显的动力效应，破坏支架，推倒矿车，破坏和抛出安装在巷道内的设施。

（5）有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转。

（6）突出孔洞呈口小腔大的梨形、倒瓶形以及其它分岔形等。

喷出的瓦斯成分一般是沼气(CH4)，个别是二氧化碳。夹有煤块的瓦斯突出称煤和瓦斯突出，夹带岩石的，称岩和瓦斯突出。煤(岩)和瓦斯突出破坏巷道、设备，而且常造成人员伤亡。

瓦斯突出预兆瓦斯突出预兆主要分为无声预兆和有声预兆两类：（1）无声预兆：①煤层结构变化，层理紊乱，煤层由硬变软、由薄变厚，倾角由小变大，煤由湿变干，光泽暗淡，煤层顶、底板出现断裂，煤岩严重破坏等。②工作面煤体和支架压力增大，煤壁外鼓、掉碴、煤块进出等。③瓦斯增大或忽小忽大，煤尘增多。

（2）有声预兆：煤爆声、闷雷声、深部岩石或煤层的破裂声、支柱折断等。

多年的生产实践经验得知突出前大都有预兆，主要包括3个方面：(1)地压显现方面，如煤炮声、支架声响、煤壁外鼓等；(2)瓦斯涌出方面，如瓦斯涌出忽大忽小，打钻时顶钻、卡钻等；(3)煤的力学性能与结构方面，如层理紊乱、煤强度松软或软硬不均等。然而，现场也有相当一些地方出现了上述的突出预兆，但煤与瓦斯突出并未随之出现，这说明突出发生存在一个能量蓄积和转移的过程2。

瓦斯突出强度突出的强度与类型：煤(岩)和瓦斯突出的强度，常用一次突出的煤量或岩石量表示。 100吨以下的为一般突出，100～500吨的为严重突出，500～1000吨的为大突出，1000吨以上的为特大突出。如1975年8月8日发生在中国四川重庆三汇坝矿区，喷出甲烷1200000立方米，煤和矸石12780吨。1975年6月13日发生在吉林营城煤矿五井，喷出二氧化碳14000立方米及砂岩1005吨。两次都是少见的特大突出。

瓦斯突出分类瓦斯突出分3种：①突出，在地压和瓦斯联合作用下产生，瓦斯参与了煤岩的破碎和运搬过程。抛出的煤有明显的气流运搬特征：煤的堆积角度小于煤堆的安息角，粒度分布呈分选现象。②压出，主要由地压造成，涌出瓦斯和粉煤都较少。③倾出，煤岩倾出后，形成孔洞的轴线与水平交角大于45°，煤的堆积角度与煤堆的安息角相接近。突出最为常见，占总数的50%以上。

瓦斯突出因素瓦斯突出条件主要有3个：岩层的重力和构造应力；瓦斯的含量和压力；煤层本身的松软结构。瓦斯在煤层中的赋存状态分吸附和游离两种。煤层吸附量的多少，取决于煤的变质程度、结构和成分，同时与矿压和围岩的封闭性有关。煤与瓦斯突出提出过多种假说，主要可归为4类观点：瓦斯主导作用假说、地压主导作用假说、化学本质作用假说和综合作用假说3。

瓦斯主导作用假说这类假说认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素，包括瓦斯包说、粉煤带说、煤层透气性不均匀说、突出波说、瓦斯解吸说等假说。这类假说中“瓦斯包”说占重要地位，它认为“瓦斯包”是突出的力源。高压瓦斯突破煤壁，携带破碎煤猛烈喷出，形成突出4。

地压主导作用假说地应力对煤与瓦斯突出的控制主要体现在3个方面：一是在构造运动时使原生煤体遭受破坏，形成构造煤；二是高应力作用形成了良好的瓦斯圈闭环境；三是在突出准备过程中进一步粉碎构造煤体，为突出后续发展提供固体物质基础2。

从地质构造情况看，突出多发生在地质构造带和煤层急剧变化处；从突出地点来看，突出事故多数发生在掘进巷道，其中石门揭煤最为危险；从诱突因素来看，采掘施工是诱发突出的主要原因，其中尤以放炮诱导突出作用最强。多年的瓦斯地质研究发现所有发生突出的煤层都发育有一定厚度的构造煤，但并非所有的构造煤均具有发生突出的条件。对井下煤岩动力灾害取得基本共识的是：煤岩瓦斯动力灾害的能量来源主要是煤岩弹性势能和瓦斯内能2。

这种假说认为突出主要是高地应力作用的结果，主要有岩石变形潜能说、应力集中说、剪应力说、振动波说、盈利叠加说等。高地应力包括两个方面，一方面指自重应力和构造应力，另一方面指工作面前方存在的应力集中。突出的发生是由于积聚在煤层周围岩石的弹性变形潜能所引起的4。

化学本质作用假说这类假说认为突出是煤和瓦斯在很大的深度内发生变质时的化学反应引起的。主要有“爆炸的煤”说、重煤说、地球化学说、硝基化合物说等4。

综合作用假说综合作用假说是当前较普遍认同的一种假说，主要有能量说、应力分布不均匀说、分层分离说、破坏区说等,认为地应力、瓦斯压力和煤的结构是导致煤与瓦斯突出的三个主要因素4。

综合各种因素煤层瓦斯含量高是发生突出的基础；一定厚度的构造煤是发生突出的必要条件；构造应力相对集中地带是突出发生的主要位置；压性、压扭性构造是发生突出的有利地带。深层构造陡变带、深层活动断裂带、推覆构造带和强变形带是发生煤与瓦斯突出的敏感地带1。

煤与瓦斯突出是由于地应力、瓦斯和煤体物理力学性质3个主要因素所控制。瓦斯突出强度随着煤体内瓦斯压力的增大而增大；随着垂直地应力的增加而增大，且在垂直地应力等幅增长的条件下，突出强度的增长幅度增大；而随着煤体强度的增加，煤与瓦斯突出强度近似呈线性增加5。

其他影响因素煤与瓦斯突出的发生与多种因素有关，包括开采深度、巷道类型、作业方式、地质构造、煤体结构、煤层厚度及其变化以及突出预兆，对于这些影响因素具有一定的规律性4。

**煤与瓦斯突出与采掘深度的关系：**突出次数和强度随采掘深度的增加而增加是煤与瓦斯突出的普遍规律。对于每个突出矿井、突出煤层都有一个发生突出的最小深度，当少于该深度时不发生突出，简称为始突深度。涟邵、白沙、英岗岭、六枝、重庆等严重突出矿区的突出实例表明随着开采深度的增加，突出强度有增大的趋势。

**煤与瓦斯突出与巷道类型关系：**掘进工作面与采煤工作面所进行的工序不同，暴露煤体的受力状况以及瓦斯条件都有所不同，以及上山下山等情况下瓦斯突出的倾向是不同的，其中石门揭煤的危险性较大。我国的特大型突出事故几乎都在石门揭煤工作面发生。采煤工作面突出强度最小，而且多数为危害相对较小的压出型煤与瓦斯突出，但采煤工作面人员密集，容易造成人身伤亡事故，不可忽视。

**煤与瓦斯突出与作业方式关系：**不同的作业方式对突出的诱导作用不同。煤与瓦斯突出除应力、瓦斯、煤质个本质要素外，采掘作业是一种诱导因素。放炮、支护、落煤、打钻等作业方式都易诱导煤与瓦斯突出，其中震动放炮突出强度最大，放炮最易诱导煤与瓦斯突出。

瓦斯突出预测防治措施发生突出的现场条件千差万别，但突出发生位置一定存在着利于能量蓄积和能量突然释放的地质结构环境；突出发生时间虽然短暂，但其仍存在自身的发生阶段，一般认为会经历准备、启动、发展和终止4个阶段，突出准备阶段主要完成能量的蓄积，突出启动的直接原因与应力突变有关。从煤矿安全和防治突出的发生条件来看，最好是将突出遏制在最初阶段，即遏制在突出启动阶段以前2。

首先通过勘察研究划定突出区段，然后针对瓦斯突出所在煤层的特点，采取防治措施。具体措施有：①开采解放层。在多煤层矿井中，选择一个无突出煤层或突出危险性较小的煤层作为解放层，首先开采，使上下邻近煤层卸压，从而消除突出危险。这是比较有效的区域性措施。②抽放瓦斯，降低瓦斯压力，削弱瓦斯在煤层中的作用。③水力冲孔，煤层注水，安设专门支架等措施也有一定效果。④震动性放炮诱发突出。控制振动强度，采用挡栏措施可获一定效果。

目前瓦斯突出预测方法可以分为传统的接触式预测方法、新兴的非接触式预测方法以及现代数学理论方法三大类4。

**煤与瓦斯突出接触式预测：**20世纪60年代，杨力生先生结合国内有关瓦斯赋存与地质构造的相关研究提出了从地质构造的角度研究瓦斯治理问题的构想，开创了瓦斯地质研究的新局面。它主要以煤与瓦斯突出机理研究、突出危险性预测、煤层瓦斯含量预测、矿井瓦斯涌出量预测、煤矿瓦斯地质评价和瓦斯灾害综合治理、煤层气资源可采性评价以及瓦斯地质测试仪表的开发和应用等为主攻方向。瓦斯地质理论在煤与瓦斯突出预测中的应用主要包括地质指标法、地质统计法、瓦斯地质单元法、地质动力区划方法、构造物理学的理论和方法等。

**非接触式动态预测：**目前所采用的静态工作面突出危险预测方法，都是通过钻孔来实现的，因此义可称为静态的钻孔法。静态法打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量很大，预测作业时间也较长，对生产有一定的影响，预测所需费用也较高。而且在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期内的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。目前，突出的连续预测有条途径：①声发射监测技术；②无线电波透视监测技术；③电磁辐射监测技术，在这些方面已经取得了一定得进展。

**现代数学理论和计算机科学预测煤与瓦斯突出：**煤与瓦斯突出机理极为复杂，突出影响因素与突出事件之间相关规律存在一定的不精确性和模糊性。基于经验的传统预测技术和基于数学建模的统计预测方法的应用已受到了很大的限制。目前，一些先进的数学理论方法如计算机模拟、模糊数学理论、灰色系统理论、神经网络、专家系统、分形理论和非线性理论、流变与突变理论等，以及计算机科学中的数据库、数据挖掘、GIS技术和三维地学模拟技术阅等，己开始应用于煤与瓦斯突出的定量评价与预测中，并取得了一定的研究成果。

煤与瓦斯突出事故应急响应机制煤与瓦斯突出事故发生后，开展事故应急救援是降低事故损失的最后关键。由于煤与瓦斯突出事故的特殊性，制定的救援方案也应当与其他事故不同。根据煤与瓦斯突出事故应急救援需要，煤与瓦斯突出事故应急救援响应机制可分成四个组成部分4。

事故报警在煤矿事故救援过程中，报警及时可以使应急救援在事故初发阶段启动，及时控制灾害的传播与加重，也是矿井和人员安全能否得到保障的重要一步。事故初发时，如何快速准确地收集和传递灾害状况，是抢险救灾的关键。在煤与瓦斯突出救援过程中，在事故的开始阶段延误报警很可能会造成灾害的扩大。因此发生煤与瓦斯突出的矿井，除了及时通知本单位人员进行自救外，还必须迅速向上级部门报告事故情况。

煤与瓦斯突出应急响应等级机制煤矿应急救援等级响应机制是国家煤矿应急救援体系运行的基础。根据事故可能造成的危害程度、事故性质、人员伤亡及企业直接经济损失等情况进行响应机制等级划分，以有效展开和防止类似事故重复发生。国家煤矿应急救援体系的运行机制应当建立在国家、省、地区和煤矿企业救援管理部门四级应急救援组织结构的基础上。从机制响应上，可把煤矿事故响应等级分为四级，从高到低分别为Ⅰ级（国家级）、Ⅱ级（省级）、Ⅲ级（地区级）、Ⅳ级（企业级）四级。

Ⅳ级响应企业级启动：Ⅳ级响应蓝色表示主要是针对矿井灾害事故预期可能造成3人以下死亡，或预期造成企业直接经济损失100万元以下的非伤亡事故。煤矿企业应当以煤矿事故单位自救为主，并应及时向当地政府和上一级主管部门汇报事故有关情况。

Ⅲ级响应地区级启动：Ⅲ级响应黄色表示主要是针对矿井事故灾害己或预期可能造成3人含死亡以上，或事故已或预期可能造成100万元财产直接经济损失，并且事故灾情仍有继续扩大的趋势，但总体不会超过10人以上死亡，或直接经济损失不超过200万元的非伤亡事故。在救援过程中，根据灾情发展态势的变化，可能需要省级矿山救援指挥中心或国家矿山救援指挥中心的援助，请求实施扩大事故应急响应级别。

Ⅱ级响应省级启动：Ⅱ级响应橙色表示是针对事故己造成或预期200万元直接经济损失或煤矿事故已或预期造成10人及以上死亡，并且事故仍有继续扩大的趋势，但事故死亡人数不超过30人，以及直接经济损失不超过500万元的无人员伤亡事故。在救援过程中，根据灾情发展的需要，可请求国家矿山救援指挥中心和有关事故相邻区域的省矿山救援指挥中心增援，提高事故应急响应级别。

Ⅰ级响应国家级启动：Ⅰ级响应红色表示主要是针对矿山事故灾害己或预期造成30人含以上，或事故己或预期造成超过500万元直接经济损失的非伤亡的事故，并且事故态势仍具有继续扩大的趋势，事故性质恶劣、影响范围比较广，事故的救援工作需要国家矿山救援指挥中心或多个事故相邻区域的省救援指挥中心协助事故抢险救灾工作4。

应急避灾**井下避灾的基本原则：**1.积极抢救。煤与瓦斯突出事故发生后，处于灾区内以及受波及区域的人员应沉着冷静，根据灾情和现场条件，在保证自身安全的前提下，采取积极有效的方法和措施，及时投入现场抢救，将事故控制在最小范围，制定和实施预防瓦斯爆炸措施，最大限度地降低事故造成的损失。在抢险过程中，必须保持统一的指挥和严密的组织，严禁冒险蛮干和惊慌失措，严禁各行其是和单独行动要采取防止灾区条件恶化和保障救援人员安全的措施，特别要提高警惕，避免二次事故的发生。2.安全撤离。当现场不具备事故抢救的条件，或可能危及人员的安全时，井下矿工应由现场负责人或有经验的老工人带领，根据矿井灾害处理计划、煤与瓦斯突出事故应急预案中规定的撤退路线和当时的现场实际情况，尽量选择安全条件最好、距离最近的路线，迅速撤离危险区域。3.妥善避难。如在短时间内无法安全撤退，遇险人员应在灾区内进行自救和互救，妥善避难，努力维持和改善自身生存条件，等待救护队员的救援，切忌盲动。

**事故灾情判断：**1.处于事故附近的人员应在保证自身安全的情况下，通过自身的直观感觉和可能利用的手段，仔细观察事故造成的各种异常变化和迹象（如风流状态等），认真分析判断事故的性质和发生原因。2.查明事故的发生地点，并对灾害可能波及的范围和危害程度做出正确判断。3.根据事故的性质和发生地点，结合井下巷道布置、通风系统、人员分布等情况，迅速判断有无诱发和伴生其他灾害事故的可能性。4.迅速了解和掌握自己所在地点的人员伤亡情况，判断现场有无可采取的抢救手段和必备条件。5.分析判断自己所在地点的安全条件，为采取抢险救灾或安全避灾行动提供依据，做好准备。

**避灾分析：**由于煤与瓦斯突出事故发生具有不确定性，事故发生以后救援人员很短时间难以到达事故现场组织抢救工作。所以煤矿单位开展日常避灾工作对事故发生时保证受灾人员的安全和控制灾情具有重要作用。即使在煤与瓦斯突出事故应急救援的中、后期，只有井下人员能够正确避灾才能提高抢险救灾的成功率。1.沿避灾路线撤退：煤与瓦斯突出发生后，井下遇险人员应立即佩戴自救器，沿着最佳的避灾路线，快速撤退到新鲜风流区域，直至升井避灾。避灾路线撤退法要求遇险人员熟悉井下通风系统，清楚煤与瓦斯突出源的位置、范围、事故后通风设施的破坏程度、熟悉井下避灾路线和掌握煤与瓦斯突出灾害自救方法，才能达到有效避灾的目的。2.永久避难酮室避灾：在矿并煤与瓦斯突出事故中遇险人员无法撤出或一时难以撤出灾区时，永久避难酮室可以供遇险人员暂时避难待救的场所。永久避难铜室避灾法就是在巷道上一定地点掘好一些铜室，在避难铜室内预先准备压风管路等生存必须品，供灾变时遇险人员避难。在矿井煤与瓦斯突出时，永久避难铜室避灾具有很重要的作用，但由于避难铜室空间较为狭小，且随着采掘工作面的不断向前推进，避难铜室距离采掘工作面也越来越远，需要不断准备新的避难铜室。3.临时避难铜室避灾：在煤与瓦斯突出事故后，遇险人员一时难以沿着避灾路线撤出灾区或难以迅速到达避难酮室时，应立即佩戴自救器到附近有压风管路巷道内的临时避难地点避灾，等待救护队救援。临时避难铜室避灾具有较好的避灾效果，能够给遇险人员提供临时避难场所4。

救援行动应急救援行动是煤与瓦斯突出事故救援的中心任务。救援人员在事故现场应由各自的现场负责人领导，并由指挥部对全部救援活动进行管理和协调。对于井下事故灾害的具体清况，则应指派矿山救护队到井下灾区进行侦察，以确定其影响程度和范围。这种侦察将直接决定煤与瓦斯突出事故所启动的应急预案的级别和救灾的各项措施。

**侦察灾区和抢救人员：**侦察灾区是制定煤与瓦斯突出事故救援行动方案的首要环节。救护队进入灾区侦察时，应查清遇险遇难人员数量及分布情况，通风系统和通风设施破坏情况，突出的位置，突出物堆积状态，巷道堵塞情况，瓦斯浓度和波及范围，发现火源立即扑灭，遇到遇险人员，应立即施救。只有通过全面的侦察，才能制定出符合实际情况的处理方案。救护队在灾区侦察过程中，要考虑到如退路被堵等情况应采取的措施。救护队井下处理煤与瓦斯突出事故时，必须在灾区附近的新鲜风流中，选择安全地点设立井下救护基地，并以小分队为单位进入灾区，进行抢救人员和侦察灾情。若侦察区域可能有遇险人员时，应迅速将其救出灾区。侦察队伍返回时应按原路返回，如果不按原路返回时，应经布置侦察任务的指挥员同意。侦察行进时，应在巷道交叉口设立明显的路标，防止返回时走错路线。

**灾情的初始估计：**灾情的初始评估结果直接关系到煤与瓦斯突出事故应急救援能否有效展开。初始评估主要是通过矿山救护队到井下灾区侦察事故发生地点、原因、性质和范围，寻找遇难人员，并查清其位置、数量和分布，探明通风设施、有害气体和瓦斯等情况，救援指挥部根据井下灾区侦察的有效信息迅速判断是否需要煤炭行业的增援，并制定和选择出灾区应急处置方案。

**事故控制：**1.杜绝灾区火源，防止瓦斯爆炸。救护队进入灾区前，必须果断切断灾区电源。如果发现灾区电源没有切断时，且电气设备附近20米范围内的瓦斯浓度达到爆炸界限时，不得随意切断电源，防止切断电源过程中产生电火花。若抢救工作需要，非停、送电时，应确保人员安全的前提下，进行电气操作。当瓦斯影响区遍及全矿井时，要慎重考虑停电后会不会造成全矿井被水淹，若不会被水淹，则应在灾区以外切断电源。若有被水淹的危险时，应加强通风，特别是加强电器设备处的通风，做到“送电的设备不停电，停电的设备不送电”。矿山救护队在处理突出事故时，必须做到①进入灾区前，检查矿灯，并提醒队员在灾区不要扭动矿灯开关或灯盖。②在突出区域要设专人定时定点用瓦斯检定器检查瓦斯含量，并及时向抢险救灾指挥部汇报。③设立安全岗哨，禁止不佩戴氧气呼吸器的人员进入灾区，非救护队人员只能在新鲜风流中工作。④当发现突出点有异常情况，可能发生二次突出时，要立即撤人。2.清除巷道堵塞物，恢复灾区通风。煤与瓦斯突出后常常造成巷道堵塞，破坏井下通风系统，影响救护队员井下侦察和救援，所以要对巷道的堵塞物进行清理。对于巷道堵塞严重，短时间内难以清除，但由于救灾需要，非清除不可时，救护队员在清理巷道过程中，应随时做好救援准备，一旦打通巷道，应立即进入灾区抢救遇险人员和侦察灾情。灾区在没有火源存在情况下，应迅速修复被破坏的巷道和通风设施，恢复正常通风，排出煤与瓦斯突出所产生的有毒有害气体。在恢复通风过程中，首先要恢复主要的、容易恢复的通风设施。损坏严重且一时难以恢复的通风设施，可采用临时设施代替。

典型事故举例近年来，随着我国矿井开采深度的增加，煤与瓦斯突出、冲击地压等一系列工程地质灾害日益严重。目前我国已有47处煤矿开采深度超1000m，突出矿井已达1218处2。

1988年10月16日24时20分，南桐矿务局鱼田堡煤矿二水平东翼三采区+20m石门揭4号煤层的施工中，用风钻打震动炮眼时发生了特大型煤岩与瓦斯突出，突出煤量8765t，岩石61.4m3，瓦斯201万m3，造成15人死亡，28人受轻伤，经济损失73.85万元。发生事故的2一3区是井田东翼最边界的一个采区，该区走向长700m，倾斜长400~450m，开采煤层4号层和6号层6。

1990年8月3日11时40分，天府矿务局刘家沟矿+70m水平北茅口大巷掘进工作面，误入地质构造带，放炮引起特大型煤与瓦斯突出，突出煤矸量5000多t，瓦斯约52万m3，堆积巷道465m，造成13人死亡，7人轻伤，直接经济损失约10万元6。

2004年10月20日，大平煤矿21轨道下山岩石掘进面13m处遇到一条北西向展布的落差约10m的逆断层，发生了一起延期性特大型煤与瓦斯突出事故。根据现场实际清理统计得到突出煤(岩)总量为1894t，突出瓦斯量25万m3。突出通道空洞位于工作面的中上方，空洞的轴线方位为NW328°，空洞向上的倾角43°，与断层面产状基本一致，这说明突出启动后主要沿构造软煤带发展2。