CN110847913B - 一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度判定方法 - Google Patents

一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度的判定方法。通过现场观测得到巷道不同掘进速度下前方煤体内应力分布曲线图及瓦斯压力分布曲线图，利用回归分析方法得到掘进巷道前方煤体内应力峰前区应力大小及瓦斯压力大小分别与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式。依据函数关系式，利用积分的方法求出煤与瓦斯突出的能量源，确定煤体破碎和移动所需要消耗的能量。最后求出巷道不同掘进速度下，煤与瓦斯突出能量源与煤体破碎和移动所消耗能量的比值。在所有比值小于1所对应的巷道掘进速度中，最快的巷道掘进速度即为具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度。本方法具有应用简单，投入成本低、使用方便，判定结果可靠等优点。

Description

一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度判定方法
技术领域：
本发明涉及矿山安全工程技术领域，具体涉及一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度的判定方法。
背景技术：
煤与瓦斯突出是矿井的主要灾害之一，一旦发生将会造成严重的人员及财产损失，严重影响煤矿的安全生产。由于在煤层内进行巷道掘进会破坏煤岩层内原有的压力平衡状态，容易诱发煤与瓦斯突出的发生，巷道掘进速度越快，煤岩体内的压力平衡状态被破坏的越剧烈，越容易诱发煤与瓦斯突出的发生。因此，在具有突出危险的煤层内进行巷道掘进时，往往要求巷道低速掘进，然而较低的工作面掘进速度又会影响矿井的采掘接替，降低经济效益，增加部分巷道的维护成本。因此，确定出既能满足安全生产，又能最大限度的降低对采掘接替影响的巷道最佳掘进速度显得十分必要。
目前在巷道掘进过程中，防止煤与瓦斯突出的主要方法是事先对煤层内的瓦斯进行抽采，降低煤层内的瓦斯含量与瓦斯压力，然后在巷道掘进过程中边掘边探。由于煤与瓦斯突出受多种因素的影响，如煤体内的瓦斯压力、地应力及煤体的强度等，在探测到前方煤体瓦斯压力不大的情况下也不能随意的提高巷道掘进速度，这样就大大降低了巷道的掘进速度，从而会影响采掘接替、降低经济效益、增加部分巷道的维护成本。
因此，本发明提出一种能够对巷道前方煤体状态进行综合考虑的具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度的判定方法，以最大限度的提高巷道掘进速度，解决上述问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度的判定方法。
为实现上述目的，本发明专利采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一、巷道掘进速度与前方煤体内应力分布关系的确定。对巷道不同掘进速度下的前方煤体内应力大小进行观测，依据所观测到的数据绘制巷道不同掘进速度下的煤体内应力分布曲线图，得到巷道掘进速度与前方煤体内应力分布的关系；并对得到的巷道不同掘进速度下的应力峰前区煤体内应力分布曲线进行回归分析，得到煤体内应力峰前区应力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式；
步骤二、巷道掘进速度与前方煤体内瓦斯压力分布关系的确定。对巷道不同掘进速度下的前方煤体内瓦斯压力大小进行观测，依据所观测到的数据绘制巷道不同掘进速度下的煤体内瓦斯压力分布曲线图，得到巷道掘进速度与前方煤体内瓦斯压力分布的关系；并对得到的巷道不同掘进速度下的煤体内瓦斯压力分布曲线进行回归分析，得到煤体内瓦斯压力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式；
步骤三、确定三向应力状态下单位体积煤体的弹性能。根据广义胡克定律，单位体积煤体的弹性能可表示为：
Figure GDA0002994386980000021
式中：et为煤体弹性变形潜能，MJ/m3；σ1、σ2、σ3分别为三个方向的主应力，MPa；μ为煤的泊松比；E为煤体的弹性模量，MPa；
步骤四、吨煤瓦斯膨胀做功释放内能的确定。吨煤瓦斯膨胀做功释放内能可用下式计算：
Figure GDA0002994386980000022
式中：eg为参与突出过程的煤体内瓦斯膨胀做功释放内能，MJ/m3；v0为参与突出过程的煤体内游离瓦斯量，m3；P1为突出前煤层内解吸瓦斯的压力，MPa；P为突出前煤层内的瓦斯压力，MPa；P0为突出后工作面内的瓦斯压力，MPa；n为过程指数，对于绝热过程n＝1.3；v1为参与突出过程的煤体的解吸瓦斯量，m3；v0按煤体内总瓦斯量的20％确定，P0取大气压力0.1Mpa，v1按吨煤可解吸瓦斯量的0.667％确定，这是本领域的常规取值方法。
步骤五、单位体积煤体破碎和移动耗散能量确定。单位体积煤体破碎和移动所耗散的能量为：
ev＝s·w·ρ (3)
式中，ev为煤体破碎和移动所耗散的能量，J/cm3；s为煤体破碎后新增加的比表面积，cm2/g；w为煤体的破碎比功，J/cm2；ρ为煤体的密度，g/cm3；
煤体的破碎比功与煤体坚固性系数f近似满足w＝5.88×10-3f函数关系；依据实验，新增比表面积取值为100cm2/g左右，属于本领域的常规取值方法。
步骤六、煤与瓦斯突出危险性判定方法。利用比值来衡量煤与瓦斯突出的危险性，比值关系如式(4)所示：
Figure GDA0002994386980000023
式中，ω为比值，无量纲；V1为预计突出煤的体积，计算时用煤体突出深度代替，m；
利用比值ω来衡量煤层突出危险性，当比值ω≥1时，认为煤体具有突出危险性；当ω<1时，认为煤体无突出危险性。
步骤七、将步骤一、步骤二中所得到的巷道不同掘进速度下，煤体内应力峰前区应力大小、煤体内瓦斯压力大小与距掘进工作面距离之间的函数关系式带入式(4)，求出不同掘进速度下的ω值，然后与煤层突出危险性判定标准进行对比，在所有ω<1所对应的巷道掘进速度中，最快的巷道掘进速度即为巷道的最佳掘进速度。
本发明一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度判定方法的有益效果：
本发明是通过对不同巷道掘进速度下的煤体内应力峰前区应力分布状态、瓦斯压力分布规律进行观测，确定巷道前方煤体突出的能量值。同时，利用煤体的密度、坚固性系数及突出时煤体的破碎程度来衡量煤与瓦斯突出时所需要消耗的能量。最后采用煤体突出的能量值与消耗能量值的比值来判定不同巷道掘进速度下的突出危险性，进而确定出巷道最佳掘进速度。应用本方法确定具有突出危险煤层的巷道掘进速度，既可以保证巷道掘进过程中不诱发煤与瓦斯突出事故的发生，又可以最大限度的提高巷道掘进速度，可以缓解采掘接续紧张、降低巷道维护成本，减少突出煤层巷道掘进工序及工作人员、提高经济效益等。本方法具有应用简单，投入成本低、使用方便，判定结果可靠等优点。
附图说明：
图1为巷道掘进速度与前方煤体内应力分布关系图；
图2.不同巷道掘进速度下煤体内应力峰前区应力大小与煤体距工作面距离的回归曲线图
图3.不同巷道掘进速度下煤体内瓦斯压力大小与煤体距工作面距离的回归曲线图
具体实施方式：
以下结合附图对本发明方法的具体应用过程作进一步详细说明，实施例为南山矿15#煤层1101掘进工作面。
步骤一、南山矿15#煤层1101掘进巷道所在煤层距地表约600m，厚度10.7m，煤体坚固性系数约为0.44，顶板为粉砂岩、细砂岩，煤体的视密度1.4t/m3。巷道采用放炮掘进，巷道断面为梯形，净断面积为7.3m2，巷道宽度为3.2m，高度为2.9m。上覆岩层的平均体积力取24kN/m3，单位体积煤体含瓦斯体积为10.15m3。在巷道掘进速度为2m/d、4m/d、6m/d及8m/d时，采用现场实测的方法对巷道前方煤体内的应力进行观测，得到不同巷道掘进速度下前方煤体距巷道掘进工作面的距离与煤体内的应力分布关系，如图1所示。
步骤二、对巷道不同掘进速度下的应力峰前区煤体内应力分布曲线进行回归分析，得到煤体内应力峰前区应力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式，如图2所示；
步骤三、在巷道掘进速度为2m/d、4m/d、6m/d及8m/d时，采用现场实测的方法对巷道前方煤体内的瓦斯压力进行观测，得到不同巷道掘进速度下前方煤体距巷道掘进工作面的距离与煤体内的瓦斯压力分布关系，并对巷道不同掘进速度下的瓦斯压力分布曲线进行回归分析，得到煤体内瓦斯压力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式，如图3所示；
步骤四、当巷道掘进速度为2m/d时，依据回归分析结果，如图2所示，可知掘进工作面前方煤体内应力与距工作面距离的函数关系为：
σ1＝0.8524x2+0.6503x+0.1738 (5)
式中x为距工作面距离，m；σ1为煤体内垂直方向的主应力，MPa；这里测压系数取0.3，即σ2＝σ3＝0.3σ1，煤体的弹性模量为1×104MPa，泊松比为0.2，依据图1可知应力峰值距掘进工作面距离为5.2m。
依据公式(1)可以得到：
Figure GDA0002994386980000041
步骤五、当巷道掘进速度为2m/d时，依据回归分析结果，如图3所示，可知掘进工作面前方煤体内瓦斯压力与距工作面距离的函数关系为：
P＝-0.0145x3+0.1344x2-0.1399x+0.131 (7)
式中x为距工作面距离，m；P为煤体内的瓦斯压力，MPa；
游离瓦斯按煤体总瓦斯含量10.15m3/m3的20％确定，可解吸的瓦斯量按吸附瓦斯量的0.667％确定，得到该煤层单位体积的游离瓦斯量为2.03m3，单位体积可解吸瓦斯量为0.054m3。同时取n＝1.3、P1＝P、P0＝0.1MPa。
依据公式(2)可以得到：
eg＝0.695[1.702(-0.0145x3+0.1344x2-0.1399x+0.131)0.231-1] (8)
步骤六、煤体的坚固系数约为0.44，煤体的破碎比功w与煤体坚固性系数f近似满足w＝5.88×10-3f函数关系；煤体破碎后新增加的比表面积取100cm2/g；煤体的视密度为1.4t/m3。
依据公式(3)可以得到：
ev＝100·5.88×10-3×0.44·1.4＝0.3622 (9)
步骤七、当巷道掘进速度为2m/d时，应力峰值距巷道掘进工作面距离为5.2m。依据公式(4)可以得到：
Figure GDA0002994386980000042
最后求得ω＝0.70，小于1，说明巷道以2m/d进行掘进是安全的，不能诱发煤与瓦斯突出。
步骤八、重复步骤四至步骤七，计算巷道掘进速度为4m/d、6m/d、8m/d时的ω值。
当工作面掘进速度为4m/d时，应力峰值距巷道掘进工作面距离为4.6m，σ1＝1.1257x2+1.3272x+0.3985，P＝-0.0198x3+0.1541x2-0.0812x+0.1592，其它参数相同。经计算得到ω＝0.88，小于1，说明巷道以4m/d进行掘进是安全的，不能诱发煤与瓦斯突出。
当工作面掘进速度为6m/d时，应力峰值距巷道掘进工作面距离为4.2m，σ1＝1.1353x2+2.5767x+0.4177，P＝-0.0258x3+0.1662x2+0.0343x+0.1609，其它参数相同。经计算得到ω＝1.05，大于1，说明巷道以6m/d进行掘进是危险的，容易诱发煤与瓦斯突出。
当工作面掘进速度为8m/d时，应力峰值距巷道掘进工作面距离为4.0m，σ1＝1.2025x2+3.4652x+0.5083，P＝-0.0176x3+0.0787x2+0.2685x+0.1464，其它参数相同，经计算得到ω＝1.16>1，说明巷道以8m/d进行掘进是危险的，容易诱发煤与瓦斯突出。
步骤九、最终确定巷道的最佳掘进速度为4m/d。
南山矿15#煤层1101掘进工作面采用4m/d的掘进速度进行掘进时，没有诱发煤与瓦斯突出事故，成功完成了巷道的掘进。本方法也可以结合煤与瓦斯突出防治措施进行应用，能更好的发挥其提高巷道掘进速度的作用。

Claims (1)

1.一种具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度的判定方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、巷道掘进速度与前方煤体内应力分布关系的确定；对巷道不同掘进速度下的前方煤体内应力大小进行观测，依据所观测到的数据绘制巷道不同掘进速度下的煤体内应力分布曲线图，得到巷道掘进速度与前方煤体内应力分布的关系；并对得到的巷道不同掘进速度下的应力峰前区煤体内应力分布曲线进行回归分析，得到煤体内应力峰前区应力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式；
步骤二、巷道掘进速度与前方煤体内瓦斯压力分布关系的确定；对巷道不同掘进速度下的前方煤体内瓦斯压力大小进行观测，依据所观测到的数据绘制巷道不同掘进速度下的煤体内瓦斯压力分布曲线图，得到巷道掘进速度与前方煤体内瓦斯压力分布的关系；并对得到的巷道不同掘进速度下的煤体内瓦斯压力分布曲线进行回归分析，得到煤体内瓦斯压力大小与距巷道掘进工作面距离之间的函数关系式；
步骤三、确定三向应力状态下单位体积煤体的弹性能；根据广义胡克定律，单位体积煤体的弹性能可表示为：
Figure FDA0003111389920000011
式中：et为煤体弹性变形潜能，MJ/m3；σ1、σ2、σ3分别为三个方向的主应力，MPa；μ为煤的泊松比；E为煤体的弹性模量，MPa；
步骤四、吨煤瓦斯膨胀做功释放内能的确定； 吨煤瓦斯膨胀做功释放内能可用下式计算：
Figure FDA0003111389920000012
式中：eg为参与突出过程的煤体内瓦斯膨胀做功释放内能，MJ/m3；v0为参与突出过程的煤体内游离瓦斯量，m3；P1为突出前煤层内解吸瓦斯的压力，MPa；P为突出前煤层内的瓦斯压力，MPa；P0为突出后工作面内的瓦斯压力，MPa；n为过程指数，对于绝热过程n＝1.3；v1为参与突出过程的煤体的解吸瓦斯量，m3；v0按煤体内总瓦斯量的20％确定，P0取大气压力0.1Mpa，v1按吨煤可解吸瓦斯量的0.667％确定；
步骤五、单位体积煤体破碎和移动耗散能量确定；单位体积煤体破碎和移动所耗散的能量为：
ev＝s·w·ρ (3)
式中，ev为煤体破碎和移动所耗散的能量，J/cm3；s为煤体破碎后新增加的比表面积，cm2/g；w为煤体的破碎比功，J/cm2；ρ为煤体的密度，g/cm3；
煤体的破碎比功与煤体坚固性系数f近似满足w＝5.88×10-3f函数关系；依据实验，新增比表面积取值为100cm2/g左右；
步骤六、煤与瓦斯突出危险性判定方法； 利用比值来衡量煤与瓦斯突出的危险性，比值关系式为：
Figure FDA0003111389920000021
式中，ω为比值，无量纲；V1为预计突出煤的体积，计算时用煤体突出深度代替，m；
利用比值ω来衡量煤层突出危险性，当比值ω≥1时，认为煤体具有突出危险性；当ω<1时，认为煤体无突出危险性；
步骤七、将步骤一、步骤二中所得到的巷道不同掘进速度下，煤体内应力峰前区应力大小、煤体内瓦斯压力大小与距掘进工作面距离之间的函数关系式带入式(4)，求出不同掘进速度下的ω值，然后与煤层突出危险性判定标准进行对比，在所有ω<1所对应的巷道掘进速度中，最快的巷道掘进速度即为具有突出危险煤层的巷道最佳掘进速度。
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