CN106873029B - 一种关于煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，主要适用于矿山及隧道煤与瓦斯突出预测的微震监测。该方法，主要解决目前预测突出的指标及其临界值的选择和取值难以适合各类不同性质煤岩体致使预测准确性较低的难题，本方法选定的突出指标及其临界状态，直接在不同性质的煤岩体中测试，并且测试极其接近真实突出时的起源发展过程，综合考虑了突出过程的地应力、瓦斯压力、煤体强度等各种影响因素，因此采用的突出指标及其临界状态极其适合不同性质的煤岩体，从而保证突出预测的准确性极大提高。
Description
技术领域
一种关于煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，主要适用于矿山及隧道煤与瓦斯突出预测的微震监测。
背景技术
煤与瓦斯突出防治，难点在于预测突出的准确性。现在常规的预测指标，如煤层瓦斯压力或者瓦斯含量、钻屑法、综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法等参数指标及其临界值，在应用时都存在预测不太准确的问题，其原因是指标及其临界值难以适应不同的煤岩体。
为了提高突出危险性的预测准确性，近年来，出现反映动态过程的声发射、微震、电磁辐射等指标在煤与瓦斯突出危险性预测中的研究应用，如专利CN 102520439 B（2014.06.25授权公告）、CN 103197356 A（2013.07.10公布申请）、CN104088668 B（2016.06.15授权公告），但这些专利主要是涉及提供一个装置去监测指标，但这指标怎么获取、突出指标的临界值怎么确定均没有明确；专利CN104698138A(2015.06.10公布申请)涉及一种实验室模拟突出装置，但实验室的模拟与实际的差别是较大的，特别是起源阶段的差别较大。煤炭学报2014,39(10)公布一种构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应论文，虽然其模拟突出的模型类似煤层的层状，但层内还是各向同性，没有反映突出是特殊局部起源的特点，该模型在掘进到同样深度都会发生基本一样的模拟突出，与实际不符，故该突出模拟模型准确性不高。
发明内容
煤层真实突出的绝大部份是在地质次生压力影响过的部位，如构造区，此处的煤层相对较为破碎软弱，游离瓦斯含量相对其它地方多，瓦斯压力也较大，而且较多的瓦斯处于吸附准备向游离转变的临界状态，外界传到此处的扰动（包括放炮、打钻、支护、片邦等，下同）能量，因煤层较破碎软弱而易转变为热能，这扰动能量和热能的变化和联合作用，更促使吸附临界状态的瓦斯游离释放膨胀并推挤煤岩体蠕变微裂和发出频率在130Hz～800Hz 之间微震信号，这阶段持续发展和扩大范围，加上煤体自重等作用，最后整个煤岩体承受不了膨胀推挤和原来的地应力就会突然破裂突出。因此预测突出要综合各种因素，突出指标要适合不同性质的煤岩体，并在起源、发展阶段进行，而这阶段是一个动态过程，应该用一个临界状态表述；由于在不同的矿井及煤层，其性质、瓦斯含量、压力等各不相同，因此突出指标的临界状态不能固定，要与不同性质的煤体及突出发展过程相适应。
为了到达与突出起源和发展阶段高度相似的模拟状态，并真正适合不同的煤岩体，本发明直接在实际的不同性质煤岩体中模拟，而且模拟地点在煤岩体中的深度与统计发生突出的深度基本相符，环境基本一致，压力相对较高。采用乳化液泵产生的压力能够复盖全部的原始煤层瓦斯压力范围，乳化液泵的压力是通过与瓦斯同是气体的空气作用在煤体的，且能持续缓慢补充，这过程就与煤体中的瓦斯首先受外界的扰动而持续缓慢游离释放膨胀的情形高度相似，故这模拟突出起源、发展阶段中释放的微震信号与真实突出同样阶段的微震信号几乎一致，因此，只要监测保存不同性质煤岩体模拟突出起源、发展阶段释放的微震信号，就可以对不同性质煤岩体进行精准突出预测
在正常预测时，在外界没有正在扰动煤岩体情况下，只要监测到与保存的同样性质煤岩体是同样规律的微震特征信号出现，就可以根据这信号的发展方向，从而作出准确的预测
具体实施方式
在巷道掘进工作面的左右两侧的煤岩体中埋设微震传感器，或在回采工作面进、回风两巷距工作面两出口15米范围内的煤体内埋设微震传感器，传感器联接矿井监控系统持续监测微震信号。模拟突出起源发展阶段测试时，在工作面前方煤体打Φ42mm钻孔到深度约5米应力集中区或5～15米范围内的地质构造区,用Φ20mm的镀锌铁管埋在孔内，在孔底留出约0.5米的外界压力作用段，其余用M10以上的膨胀水泥砂浆密实封孔，凝固后用高压胶管连接孔内埋管与空气储罐顶部出口，来自乳化液泵的乳化液高压胶管接在空气储罐底部，并设置定压阀控制乳化液压力为0.74MPa和区域煤层最大瓦斯压力的两者的两倍之大者，检查监测线路及管路（重点是保证气密性），完好后撤走工作面的所有人员，在避难硐室等安全处远距离打开高压乳化液管阀门，通过储罐空气对煤体进行加压，同时通过同一套监控系统监测压力情况。打开阀门后压力很快上升到设定值并基本保持；如果明显快速下降，则意味着管路泄漏或已经形成人造突出，要马上关闭阀门。（原7段放置此段，并稍修改）。
微震传感器监测保存模拟测试加压前中后整个过程的信号，经过监测系统的分析计算，以去除背景噪音信号和外界压力刚作用时形成的瞬间信号后的微震特征信号及其规律作为预测是否突出的指标及其临界状态，并保存，遇到每种不同性质的煤岩体都要布置测试。
测试钻孔打到深度约5米应力集中区或5～15米范围内的地质构造区，是为了适应绝大部分实际突出在煤体中的深度和高压力区域的情况。
模拟测试所用压力的大小，之所以定有区域最高压力的两倍，是因为区域最高压力是一定位置检测出来的，可能真正的压力或某些位置的压力比检测值还高；另外，预测结果的应用会在埋深更大处，故测试压力要更高才适合；还有，测试作用的范围仅是钻孔作用段，而真正突出的起源、发展阶段的范围基本上是地质次生压力下变形较大的地方（如构造区），这比钻孔作用段范围大很多，因此从力作用的效果估算测试压力要比实际压力大较多才合适，两倍压力虽然还不足以拟补模拟范围过小以致整体作用力达不到实际时的程度，但模拟主要是起源、发展阶段，并不以形成人造突出为目的，只要适当比可能的压力高，并造成局部膨胀推挤煤岩体蠕变微裂和发出微震信号即可；如果两倍的压力不足以推挤煤岩体蠕变微裂和发出微震信号，也就意味着同样特性的煤岩体不会突出。
为了模拟测试时的安全，利用液体流动时阻力远比空气大的特性，通过计算气体压缩到测试压力时的孔口管及孔内体积，换算成常压常温体积，并在孔口管前设置1.5倍该体积的空气储罐，这样打开乳化液管开关，乳化液快注满空气储罐时孔内压力就达到预定值，这样在煤岩体抵挡不住测试压力而冲垮塌时，孔内管流动的就是乳化液而不是之前的空气，阻力会大增，减少冲击量。
平时工作面布置有微震传感器实时监测预测，在测试同样埋深起延深达到50米范围内的同一层位中，只要监测到与保存的同类性质煤岩体突出指标同样规律的微震特征信号出现，在一定时间内，如果该信号的频率值或振幅值总体趋势是持续保持或增高增强，意味着煤体内较多瓦斯处于吸附准备向游离转变的临界状态，外界扰动后促使转变持续发生、发展，煤体强度难以抵挡地应力、瓦斯压力的膨胀推挤，属于突出指标临界状态出现，就预测即使停止扰动煤岩体也会突出；如果该特征信号的总体趋势是符合煤体自由振荡的阻尼对数快速减弱至消除，意味着煤体中的瓦斯距吸附准备向游离转变的临界状态较远，外界的扰动不足以使瓦斯游离释放，就预测不会突出；如果该特征信号的频率值和振幅值总体趋势是缓慢下降和减弱，程度处于前两者之间，意味着处于吸附准备向游离转变的临界状态瓦斯并不多，仅有少部份瓦斯游离释放膨胀，但较快达到平衡状态而膨胀停止，就预测停止扰动煤岩体则不会突出，在扰动煤体之前要采取消突措施，否则扰动大就会突出。
扰动大就会突出 ,是在两次扰动之间的比较，是更宏观上的分析，如果再扰动后指标信号的频率值或振幅值总体趋势是下降和减弱的速率不比前一次扰动后的速率大，就是
扰动大就会突出。下降和减弱的速率更大时才不会突出，这表明煤体中处于吸附准备向游
离转变的临界状态瓦斯更少了，更快达到平衡状态而膨胀停止，进行这种扰动也不会突出。
同样规律的微震特征信号是指：与保存的该类性质煤岩体众多的微震特征信号之一，有相同频率或处于其中两个微震特征信号频率之间，和至少1 .5倍最大背景微震噪音振幅的信号；这样的定义，是因为保存的微震特征信号是由多种频率和振幅信号组成的，因为测试时与预测时的煤岩体性质不会完全一致，故频率相近也可以；定至少1 .5倍背景微震噪音振幅，是为了更容易与背景噪音信号区分．满足这定义的信号也有较多，但这些信号是基本同步变化，只要依据其中一个的变化情况，就可以作出相应的预测。
在一定时间内的确定，是因为在同类性质煤岩体中，微震起源处性质是基本相同
的，有变化也是渐变，在外界干扰后启动的自身煤体瓦斯释放膨胀，各处其实是同步的，只
是由于处于转变临界状态的瓦斯比例不同决定释放的瓦斯量不同，初始的酝酿发展阶段微
震信号在实体煤岩体内的频率和振幅的变化发展方向是稳定的，不会变快变强后又掉头变
慢变弱或相反，除非突出或煤体内有空洞而洞内片邦、外界再次扰动等情况出现，平均振荡
周期的100倍是较短的时间（约200 ms），足以表征其发展方向，也能留出较多的应对时间。
上述预测，前提是外界没有正在扰动煤岩体，如果外界正在扰动，因为扰动力的不同，致使扰动时发出的微震有很大的不同，没有规律，但扰动后引起煤体变化发生的微震信号就与煤体的特性直接相关，有规律了，信号的不同发展，示意着煤岩体有不同变化，故要剔除外界正在扰动时的干扰。一定时间内的确定，也是要在没有外界干扰时，如果有外界干扰，时间重新算。
在预测时也要监测微震背景噪音信号，这时的背景噪音信号可能与模拟测试时不同，只要平时持续监测，背景噪音信号与突出特征信号用其它公开技术是很容易区分和消除。
设置两个以上微震传感器，也能够测试微震纵横波速度和定位微震源。
Claims (7)
1.一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：利用外界压力通过钻孔作用在煤体中，使煤体产生蠕变微裂，在此外界压力作用产生蠕变微裂的整个过程中,监测保存各类性质煤岩体在此过程发出的微震特征信号，以去除背景噪音信号和外界压力刚作用时形成的瞬间信号后的微震特征信号作为预测是否突出的指标；以后在其它同类性质的煤岩体突出预测时，在消除外界干扰及背景噪声后，只要监测到同样的微震特征信号出现，如果该信号的频率值或振幅值总体变化趋势是持续保持或增高增强，属于突出指标临界状态出现，就预测即使停止扰动煤岩体也会突出；如果该信号的频率值或振幅值总体变化趋势是符合煤岩体自由振荡的阻尼对数快速减弱至消除的规律，属于突出指标临界状态不出现，就预测不会突出；如果该信号的频率值和振幅值总体变化趋势是缓慢下降和减弱，程度处于前两者之间，也属于突出指标临界状态出现，就预测停止扰动煤岩体则不会突出，在扰动煤体之前采取消突措施，否则扰动大就会突出；如果外界压力作用后没有出现前述微震特征信号，也肯定该特征煤岩体没有突出危险。
2.如权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：扰动大就会突出是指：如果扰动后指标信号的频率值或振幅值总体趋势是下降和减弱的速率不比前一次扰动后的速率大，就是扰动大就会突出；下降和减弱的速率更大才不会突出。
3.如权利要求1或2所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：预测时，如监测到同样的微震特征信号出现，在这微震特征信号平均振荡周期的100倍的时间内，即可依据前述方法作出预测。
4.如权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：所利用的外界压力及其利用方式指：用乳化液泵产生，压力值为大于0.74MPa和该类性质煤岩体内煤层最大瓦斯压力的两倍之大者，并通过计算气体压缩到测试压力时的孔口、孔内管及孔内空间体积，换算成常压常温体积，并在孔口管前设置该体积1.5倍的空气储罐，乳化液入口在空气储罐底部，空气储罐顶部连接孔口管及钻孔埋管，该外界压力利用钻孔埋管通过空气作用在煤体中。
5.如权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：在钻孔最里端设外界压力作用段，作用段长度在0.5~1米内，作用段的中点位于工作面前方煤体的采动应力集中区或5~15米范围内的地质构造区，孔内要埋管以将作用段与外界压力源沟通,其余段要用比原始煤体更坚固的材料封孔密实。
6.如权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：同样的微震特征信号是指，与保存的该类性质煤岩体众多的微震特征信号之一，有相同频率或处于其中两个微震特征信号频率之间，和至少1.5倍最大背景微震噪音振幅的信号。
7.如权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出指标及其临界状态的确定方法，其特征是：同类性质的煤岩体，是指在同样埋深起延深达到50米范围内的同一层位中，相同地质构造复杂程度，或同一煤的破坏类型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200207 |