CN103197041B - 一种近距离煤层群突出危险程度评价技术 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种近距离煤层群突出危险程度评价技术，属于煤矿安全开采技术领域。本技术的特征在于包括三个步骤：(1)宏观判断，判定煤层群各个煤层是否具有突出危险性；(2)组内煤层突出危险性大小相比较，利用瓦斯压力、瓦斯放散初速指标及坚固性系数三个指标值，运用数学简化、拟合，并导出初始瓦斯释放内能与煤的破碎能之差，利用能差的大小来衡量煤层间突出危险性的大小；(3)煤层群突出危险性排序。其优点在于解决了四个单项指标只能宏观判断而不能量化的问题，简便可行，攻克了近距离煤层群突出危险性大小比较排序问题。

Description

一种近距离煤层群突出危险程度评价技术

技术领域

本发明专利涉及一种近距离煤层群突出危险程度评价技术，属于煤矿安全开采技术领域。

背景技术

目前，关于研究某一个煤层是否具有突出危险性的方法很多，但绝大多数都是宏观定性，定性的看这一层煤有没有突出危险性，例如，国家认可的单项指标法，综合指标法等等。当然，也有用一种指标定量的表示危险性大小的指标及方法，例如基于“球壳”理论之上的初始瓦斯膨胀能，但这一指标尚不能被大多数学者所接受，此外，其测定设备结果误差也比较大，其测试指标值及方法有待于进一步验证；另外，这些方法操作也比较繁琐，不便于实际生产的需要。还有一些采用单项指标的模糊数学拟合的方法，但对于权重来说，都是人为定的，其可靠性也无法满足目前生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近距离煤层群突出危险程度评价技术，是基于绝大多数专家学者及国家法律法规认可的单项指标法基础之上，对近距离煤层群的相同条件进行简化，同时从单项指标的来源进行理论推导，推导出一个基于四个单项指标基础之上的一个综合能量指标，全面的反应了突出的基本因素，并将各因素从理论上解决了其拟合问题，从而达到了判断近距离煤层群间各个煤层突出危险性大小的一个符合理论推导，符合现场实际的一个评价近距离煤层群突出危险性的技术方法。

本发明的技术方案：

本发明的特征在于包括以下步骤：

第一步，宏观判断，利用单项指标法(根据《煤与瓦斯突出规定》)，首先判定煤层群各个煤层是否具有突出危险性，即将煤层群内的煤层分为两类-----具有突出危险的煤层组和突出威胁的煤层组；

第二步，组内煤层突出危险性大小相比较，利用瓦斯压力、瓦斯放散初速指标及坚固性系数三个指标值，运用数学简化、拟合，并导出初始瓦斯释放内能与煤的破碎能之差，利用能差的大小来衡量煤层间突出危险性的大小；

第三步，煤层群突出危险性排序，排序原理为，根据以上两步的分类及组内突出危险性比较，按照突出危险性从大到小的方法，先分别将组内煤层排序，然后排好序的两组，将具有突出危险性的煤层组置于前，具有突出威胁的煤层组置于后，便完成煤层群各个煤层突出危险性大小的排序。

所述步骤二和步骤三是根据突出的内在机理及能量守恒原理，发生突出需要导致突出的综合能EZ，这包括应力产生的弹性势能ED和瓦斯内能EW，这一综合能主要克服破坏煤体的能EP和抛出煤的能；从对比煤层突出危险性的角度上来说，某一煤层的综合能可以认为是一定的，因为对于评价整个煤层的突出危险性来说，瓦斯压力和地应力都简化为了近似相同，所以其综合能量可以认为是一定的；另外，煤层的化学性质对于评价煤层的突出危险性来说，也存在着近似相同，所以，其破坏能可以认为是一定的，而抛出煤的动能及势能却是变化的；因此就有：

E_Z＝E_D+E_W           (3-3-1)

E_Cn＝E_Z-E_P          (3-3-2)

式中：E_Z-诱导突出的综合能；

E_D-地应力产生的弹性势能；

E_W-瓦斯内能；

E_P-破坏煤体所需要的破坏能；

E_Cn-综合能与破坏能差。

当煤层的导致突出的综合能与破坏煤体的破坏能之差EC越大，则抛出煤体的能力就越大，所以其导致突出的可能性就越大，因此可以认为此能差EC1越大，该煤层的突出危险性就越大；

在本模型技术中，对于同一煤层群来说，各个煤层的地应力简化为相同，同样可以简化得出地应力所产生的弹性势能各煤层也相同，即：ED1＝ED2＝ED3＝ED4……；当两个煤层(假设为1、2号煤层)突出危险性相比较时，就有：

E_D1＝E_D2                        (3-3-3)

E_C1＝E_Z1-E_P1＝E_D1+E_W1-E_P1       (3-3-4)

E_C2＝E_Z2-E_P2＝E_D2+E_W2-E_P2       (3-3-5)

E_C1-E_C2＝(E_D1+E_W1-E_P1)-(E_D2+E_W2-E_P2)

＝(E_W1-E_P1)-(E_W2-E_P2)

                                (3-3-6)

令：.E_WC＝E_W-E_P

式中：E_WC-瓦斯内能与破坏能之差，这里简称为内破差能。

则有：E_C1-E_C2＝E_WC1-E_WC2              (3-3-7)

所以当E_WC1＞(＜)E_WC2，则有E_C1＞(＜)E_C2，由此可以得出，对于同一煤层群的各煤层，当瓦斯内能与破坏能差越大时，即煤层的内破差能越大时，煤层的突出危险性也就越大；所以评价比较同一煤层群内的各煤层突出危险程度时，可以用瓦斯内能与破坏能差这一量化参数指标进行评价比较；

媒体破坏能技术分析：

式中：

ρ_真-煤的真相对密度，g/ml

初始瓦斯释放内能技术分析：

$\underset{0}{\overset{1}{\∫}}{\mathrm{dE}}_W=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}{P}_{x}S\·{\mathrm{dl}}_x$

$E_W=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}{P}_{x}S\·{\mathrm{dl}}_x=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}\frac{l_y}{l_x}{P}_{y}S\·{\mathrm{dl}}_x=P_y{\mathrm{Sl}}_y\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}\frac{1}{l_x}{\mathrm{dl}}_x=P_y{V}_{c\·}\ln \frac{l_j}{l_y}$

$=P_y{V}_c\·\ln \frac{{\mathrm{Sl}}_j}{{\mathrm{Sl}}_y}=P_y{V}_c\·\ln \frac{V_j}{V_c}=P_y{V}_c\·\ln \frac{P_y}{P_j}$

所以瓦斯内能： $E_W=P_y{V}_c.\ln \frac{P_y}{P_j}---(3-3-33)$

组内评价模型体系技术分析

通过以上分析，确定本评价模型体系为单指标评价，评价指标为煤层的内破差能E_WC，评价体系中简化了近似相同作用的突出诱导条件，并得到：

(3-3-34)

由体系指标公式(3-3-34)，可知，要进行体系评价，体系所需实验关联参数有：原始瓦斯压力P_y，原始瓦斯吸附含量Q，吸附常数a、b值，巷道大气压力P_j，煤的水分、灰分、真相对密度ρ_真、视相对密度及孔隙率参数，煤的瓦斯放散初速度ΔP，煤的坚固性系数f值。

评价方法为，比较煤层的内破差能E_WC，煤层的内破差能E_WC越大，其突出危险程度就越高，危险性排序为危险程度下行排序，即煤层排序越靠前。

本发明的有益效果

本发明专利技术的优点为：

1.从理论上解决了四个单项指标拟合问题；

2.简便可行，只测定法定的四个单项指标即可作出结论；

3.解决了四个单项指标只能宏观判断而不能量化的问题；

4、攻克了近距离煤层群突出危险性大小比较排序问题。

具体实施方式

本发明近距离煤层群突出危险程度评价技术包括如下步骤：

第一步，宏观判断，利用单项指标法，根据《煤与瓦斯突出规定》，首先判定煤层群各个煤层是否具有突出危险性，即将煤层群内的煤层分为两类-----具有突出危险的煤层组和突出威胁的煤层组。具体采用单项指标法进行分类，即依据《防治煤与瓦斯突出规定》，选择瓦斯压力、瓦斯放散初速ΔP、煤的坚固性系数f值和煤的破坏类型为判断指标，指标临界值见表3-3-1。

表3-3-1煤层突出危险性分类单项指标临界值表

分类方法为：当煤层的破坏类型为III、IV、V，瓦斯放散初速ΔP≥10，坚固性系数f≤0.5，瓦斯压力P≥0.74MPa时，该煤层归入具有突出危险的煤层组；当煤层的这四个指标只要有其中一个指标不能满足上述条件时，该煤层划分到具有突出威胁的煤层组。

第二步，组内煤层突出危险性大小相比较，利用瓦斯压力、瓦斯放散初速指标及坚固性系数三个指标值，运用数学简化、拟合，并导出初始瓦斯释放内能与煤的破碎能之差，利用能差的大小来衡量煤层间突出危险性的大小。

第三步，煤层群突出危险性排序，排序原理为，根据以上两步的分类及组内突出危险性比较，按照突出危险性从大到小的方法，先分别将组内煤层排序，然后排好序的两组，将具有突出危险性的煤层组置于前，具有突出威胁的煤层组置于后，便完成煤层群各个煤层突出危险性大小的排序。

步骤二和步骤三是根据突出的内在机理及能量守恒原理，发生突出需要导致突出的综合能EZ，这包括应力产生的弹性势能ED和瓦斯内能EW，这一综合能主要克服破坏煤体的能EP和抛出煤的能；从对比煤层突出危险性的角度上来说，某一煤层的综合能可以认为是一定的，因为对于评价整个煤层的突出危险性来说，瓦斯压力和地应力都简化为了近似相同，所以其综合能量可以认为是一定的；另外，煤层的化学性质对于评价煤层的突出危险性来说，也存在着近似相同，所以，其破坏能可以认为是一定的，而抛出煤的动能及势能却是变化的；因此就有：

E_Z＝E_D+E_W             (3-3-1)

E_Cn＝E_Z-E_P            (3-3-2)

式中：E_Z-诱导突出的综合能；

E_D-地应力产生的弹性势能；

E_W-瓦斯内能；

E_P-破坏煤体所需要的破坏能；

E_Cn-综合能与破坏能差。

当煤层的导致突出的综合能与破坏煤体的破坏能之差EC越大，则抛出煤体的能力就越大，所以其导致突出的可能性就越大，因此可以认为此能差EC1越大，该煤层的突出危险性就越大；

在本模型技术中，对于同一煤层群来说，各个煤层的地应力简化为相同，同样可以简化得出地应力所产生的弹性势能各煤层也相同，即：ED1＝ED2＝ED3＝ED4……；当两个煤层，假设为1、2号煤层，突出危险性相比较时，就有：

E_D1＝E_D2                       (3-3-3)

E_C1＝E_Z1-E_P1＝E_D1+E_W1-E_P1      (3-3-4)

E_C2＝E_Z2-E_P2＝E_D2+E_W2-E_P2      (3-3-5)

E_C1-E_C2＝(E_D1+E_W1-E_P1)-(E_D2+E_W2-E_P2)

＝(E_W1-E_P1)-(E_W2-E_P2)

                               (3-3-6)

令：.E_WC＝E_W-E_P

式中：E_WC-瓦斯内能与破坏能之差，这里简称为内破差能。

则有：E_C1-E_C2＝E_WC1-E_WC2       (3-3-7)

所以当E_WC1＞(＜)E_WC2，则有E_C1＞(＜)E_C2，由此可以得出，对于同一煤层群的各煤层，当瓦斯内能与破坏能差越大时，即煤层的内破差能越大时，煤层的突出危险性也就越大；所以评价比较同一煤层群内的各煤层突出危险程度时，可以用瓦斯内能与破坏能差这一量化参数指标进行评价比较；

媒体破坏能技术分析：

①测定方法及步骤

从煤样中选取块度为20～30mm的小煤块分成5份，每份重50g，各放在测筒内进行落锤破碎实验。测筒包括落锤(重M＝2.4kg)，圆筒及捣臼组成。测料及量具如(3-3-1)。将各份煤样依次倒入圆筒8及捣臼9内，落锤自距臼底H＝600mm高度自由下落，撞击煤样，每份煤样落锤3次。5份煤样全部捣碎后，倒入0.5mm筛孔的筛子内，小于0.5mm的筛下物倒入直径D＝23mm的量筒内，测定粉末的高度h。试样的坚固性系数按下式求得：

f_20-30＝20n/h                                   (3-3-11)

式中：

f_20-30-煤样粒度20～30mm的坚固性系数测定值；

n-落锤撞击次数，次；

h-量筒测定粉末的高度，mm。

如果煤软，所取煤样粒度达不到20～30mm时，可采取粒度1～3mm煤样进行测定。并按下式进行换算：

当f_1-3＞0.25时，f_20-30＝1.57f_1-3-0.14           (3-3-12)

当f_1-3≤0.25时，f_20-30＝f_1-3                    (3-3-13)

式中：f_1-3-煤样粒度1～3mm的坚固性系数测定值。

③煤体破坏能理论推导

同以上分析可知，落锤法测定的坚固性系数f值其实质就是一种假定参数指标，它代表着，重锤n次做功将煤样破坏的体积量的一个比例系数，即破坏一定量的煤需要重锤n次撞击做功。由此，我们可以近似认为此功便是破坏能的大小，具体公式推导如下：

在测定过程中，重锤所做的功W为：

W＝MgH·n＝nMgH                                 (3-3-14)

破碎煤的量为：

单位质量的煤所需的破坏能为：

$E_P=\frac{W}{M}---(3-3-16)$

由式3-3-11可得：

$\frac{n}{h}=\frac{f}{20}---(3-3-17)$

此式中h单位为“mm”，为同一单位为“cm”，即转化为：

$\frac{n}{h}=\frac{f}{2}---(3-3-18)$

将式3-3-14、3-3-15、3-3-18代人式3-3-16得：

式中：

ρ_真-煤的真相对密度，g/ml

初始瓦斯释放内能技术分析：

①利用瓦斯放散指数ΔP测定仪测出煤样的瓦斯放散指数为：ΔP＝P₂-P₁

②依据①中瓦斯放散初速度测定原理，产生瓦斯放散初速度ΔP

时所释放出的气体转化为标准状况下的体积为：

式中：

V¹ _标况-标况下瓦斯释放体积；

V-球体空间体积， $V=\frac{{4\mathrm{\πr}}^3}{3}=\frac{4\×3.14\×{1.5}^3}{3}=14.13\mathrm{ml};$

m-煤样质量，3.5g；

T_标况-标况下温度，273k；

T-实验环境温度，293k；

P_标况-标况下气体压力，760mmHg；

这部分体积占瓦斯吸附含量的比例(瓦斯解析率)为：

式中：

V¹ _吸附-实验压力下瓦斯吸附体积(转化标况下体积)，其中，

此时吸附的实验温度为20℃，压力为0.1Mpa，所以：

η-瓦斯解析率。

突出初始做功瓦斯体积近似为：

V_c＝Qη+v                 (3-3-23)

式中：

V_c-突出做功瓦斯体积；

Q-煤层瓦斯原始吸附含量；

v-孔隙体积。

③瓦斯内能理论研究分析

在原始煤层内部，做功瓦斯的初始状态为：压力为原始瓦斯压力P_y，体积为V_c，温度为煤层原始温度T_y。做功过程中设定瓦斯状态为：压力位P_x，体积为V_x，温度为煤层原始温度T_y。做功后瓦斯状态为：瓦斯压力为P_j＝井下气体常压，体积为V_jc，温度为煤层原始温度T_j。其中，此瓦斯做功过程中，虽然有温度的变化，但变化不大，在工程研究的误差范围内，因此，为简化研究，本模型进行了相应的工程假设，假设本过程为一恒温过程。

根据气体状态方程，则：

P_yV_c＝P_xV_x＝P_jV_j              (3-3-24)

由式(3-3-24)可得，

$\frac{P_y}{P_j}=\frac{V_j}{V_c}---(3-3-25)$

$P_x=\frac{V_c}{V_x}{P}_y---(3-3-26)$

假设气体做功面积为S，则有：

V_c＝Sl_y                       (3-3-27)

V_x＝Sl_x                       (3-3-28)

V_j＝Sl_j                       (3-3-29)

$P_x=\frac{V_c}{V_x}{P}_y=\frac{{\mathrm{Sl}}_y}{{\mathrm{Sl}}_x}{P}_y=\frac{l_y}{l_x}{P}_y---(3-3-30)$

就有做功过程中的力：F_x＝P_xS

                                  (3-3-31)

瓦斯膨胀过程中的微分功为：

dE_W＝F_x·dl_x＝P_xS·dl_x            (3-3-32)

边界条件为：l_y≤l_x≤l_j

                                  (3-3-33)

将边界条件(3-3-33)及以上推导公式带入式子(3-3-32)并积分如下：

$\underset{0}{\overset{1}{\∫}}{\mathrm{dE}}_W=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}{P}_{x}S\·{\mathrm{dl}}_x$

$E_W=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}{P}_{x}S\·{\mathrm{dl}}_x=\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}\frac{l_y}{l_x}{P}_{y}S\·{\mathrm{dl}}_x=P_y{\mathrm{Sl}}_y\underset{l_y}{\overset{l_j}{\∫}}\frac{1}{l_x}{\mathrm{dl}}_x=P_y{V}_c\·\ln \frac{l_j}{l_y}$

$=P_y{V}_c\·\ln \frac{{\mathrm{Sl}}_j}{{\mathrm{Sl}}_y}=P_y{V}_c\·\ln \frac{V_j}{V_c}=P_y{V}_c\·\ln \frac{P_y}{P_j}$

所以瓦斯内能： $E_W=P_y{V}_c\·\ln \frac{P_y}{P_j}---(3-3-33)$

组内评价模型体系技术分析

通过以上分析，确定本评价模型体系为单指标评价，评价指标为煤层的内破差能E_WC，评价体系中简化了近似相同作用的突出诱导条件，并得到：

(3-3-34)

由体系指标公式(3-3-34)，可知，要进行体系评价，体系所需实验关联参数有：原始瓦斯压力P_y，原始瓦斯吸附含量Q，吸附常数a、b值，巷道大气压力P_j，煤的水分、灰分、真相对密度ρ_真、视相对密度及孔隙率参数，煤的瓦斯放散初速度ΔP，煤的坚固性系数f值。

评价方法为，比较煤层的内破差能E_WC，煤层的内破差能E_WC越大，其突出危险程度就越高，危险性排序为危险程度下行排序，即煤层排序越靠前。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (1)

1.一种近距离煤层群突出危险程度评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，宏观判断，利用单项指标法，根据《煤与瓦斯突出规定》，首先判定煤层群各个煤层是否具有突出危险性，即将煤层群内的煤层分为两类-----具有突出危险的煤层组和突出威胁的煤层组；

第二步，组内煤层突出危险性大小相较，利用原始瓦斯压力、瓦斯放散初速指标及坚固性系数三个指标值，运用数学简化、拟合，并导出瓦斯内能与破坏煤体所需要的破坏能之差，利用能差的大小来衡量煤层间突出危险性的大小；

第三步，煤层群突出危险性排序，排序原理为，根据以上两步的分类及组内突出危险性比较，按照突出危险性从大到小的方法，先分别将组内煤层排序，然后排好序的两组，将具有突出危险性的煤层组置于前，具有突出威胁的煤层组置于后，便完成煤层群各个煤层突出危险性大小的排序；

步骤二和步骤三是根据突出的内在机理及能量守恒原理，发生诱导突出的综合能E_Z，这包括应力产生的弹性势能E_D和瓦斯内能E_W，这一综合能主要克服破坏煤体所需要的破坏能E_P和抛出煤的能；从对比煤层突出危险性的角度上来说，某一煤层的综合能可以认为是一定的，因为对于评价整个煤层的突出危险性来说，原始瓦斯压力和地应力都简化为了近似相同，所以其综合能量可以认为是一定的；另外，煤层的化学性质对于评价煤层的突出危险性来说，也存在着近似相同，所以，其破坏能可以认为是一定的，而抛出煤的动能及势能却是变化的；因此就有：

E_Z＝E_D+E_W          (3-3-1)

E_Cn＝E_Z-E_P          (3-3-2)

式中：E_Z-诱导突出的综合能；

E_D-应力产生的弹性势能；

E_W-瓦斯内能；

E_P-破坏煤体所需要的破坏能；

E_Cn-综合能与破坏能差；

当煤层的诱导突出的综合能与破坏煤体所需要的破坏能之差E_Cn越大，则抛出煤体的能力就越大，所以其导致突出的可能性就越大，因此可以认为此能差E_Cn越大，该煤层的突出危险性就越大；

在本模型技术中，对于同一煤层群来说，各个煤层的地应力简化为相同，同样可以简化得出地应力所产生的弹性势能各煤层也相同，即：E_D1＝E_D2＝E_D3＝E_D4……；当两个煤层，假设为1、2号煤层，突出危险性相比较时，就有：

E_D1＝E_D2           (3-3-3)

E_C1＝E_Z1-E_P1＝E_D1+E_W1-E_P1        (3-3-4)

E_C2＝E_Z2-E_P2＝E_D2+E_W2-E_P2        (3-3-5)

E_C1-E_C2＝(E_D1+E_W1-E_P1)-(E_D2+E_W2-E_P2)

＝(E_W1-E_P1)-(E_W2-E_P2)         (3-3-6)

令：E_WC＝E_W-E_P

式中：E_WC-瓦斯内能与破坏能之差，这里简称为内破差能；

则有：E_C1-E_C2＝E_WC1-E_WC2          (3-3-7)

所以当E_WC1大于或小于E_WC2，则有E_C1大于或小于E_C2，由此可以得出，对于同一煤层群的各煤层，当瓦斯内能与破坏能差越大时，即煤层的内破差能越大时，煤层的突出危险性也就越大；所以评价比较同一煤层群内的各煤层突出危险程度时，可以用瓦斯内能与破坏能差这一量化参数指标进行评价比较；

煤体破坏能技术分析：

式中：

ρ_真-煤的真相对密度，g/ml

瓦斯内能技术分析：

所以瓦斯内能： $E_W=P_y{V}_c\·\ln \frac{P_y}{P_j}---(3-3-33)$

组内评价模型体  系技术分析

通过以上分析，确定本评价模型体系为单指标评价，评价指标为煤层的内破差能E_WC，评价体系中简化了近似相同作用的突出诱导条件，并得到：

由体系指标公式(3-3-34)，可知，要进行体系评价，体系所需实验关联参数有：原始瓦斯压力P_y，巷道大气压力P_j，突出做功瓦斯体积V_c，煤层原始瓦斯吸附含量Q，吸附常数a、b值，煤的水分W、灰分A、真相对密度ρ_真及孔隙率v，实验压力下瓦斯吸附体积V¹ _吸附、瓦斯解析率η，煤的瓦斯放散初速度ΔP，煤的坚固性系数f值；

评价方法为，比较煤层的内破差能E_WC，煤层的内破差能E_WC越大，其突出危险程度就越高，危险性排序为危险程度下行排序，即煤层排序越靠前。