CN1117113A - 石门揭煤动力现象预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于煤矿井下石门揭煤动力现象预测的方法及装置，其特征在于只需测定工作面前方煤层中软分层的厚度，软分层煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标就可以判断在该煤层全面揭开时是否会发生动力现象，以及会发生突出、压出的无动力三种现象当中的哪一类现象。由于本发明不测定那些与突出过程密切相关的地应力、原始煤体强度等无法测定的指标，而去测定既可以准确测定又综合反映了地应力、原始煤体强度及瓦斯压力对突出过程综合影响的初始释放瓦斯膨胀能指标，因而，采用本发明预测的结果准确性大大提高。

Description

石门揭煤动力现象预测方法及其装置

本发明涉及一种用于煤矿井下在揭开煤层时是否会发生动力现象及发生哪一类动力现象的预测方法，从而提醒各级生产管理人员采取相应的安全措施，防治事故的突然发生，本发明属于煤矿灾害预测技术领域。

众所周知，目前在煤矿井下对于石门揭煤动力现象的预测方法，普遍采用的传统作法为综合指标法，即执行中华人民共和国煤炭工业部制订的《防治煤与瓦斯突出细则》第26条的规定：石门揭开突出煤层前，应选用综合指标法或石门钻屑量指标法预测工作面突出危险性。其综合指标法的步骤如下：

1.在岩石工作面向突出煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层内的瓦斯压力。

2.在打测压钻孔的过程中，每米煤孔采取一个煤样，测定原煤层的坚固性系数f。

3.将两个测压钻孔所测得的坚固性系数最小值加以平均，作为煤层软分层的平均坚固性系数。

4.将坚固性最小的两个煤样混合后，测定煤样的瓦斯放散初速度指标。

突出煤层的区域突出危险性(或工作面的突出危险性)，可按下列两个综合指标来判断： $D=(0.0075\frac{H}{f}-3)(P-0.74)-----\left(1\right)$ $K=\frac{\mathrm{\ΔP}}{f}-----\left(2\right)$ 式中：D—煤的突出危险性综合指标之一。

  K—煤的突出危险性综合指标之一。

  H—开采深度，m。

  P—煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值，MPa。

 ΔP—煤层软分层的瓦斯放散初速度指标。

  f—煤层软分层的平均坚固性系数。

综合指标D和K的突出危险临界值，应根据本矿区实测数据确定。将该煤层的测定结果与本矿区的突出临界值相比较可将该煤层确定为突出危险煤层或突出威胁煤层两类。

以上技术的不足之处在于：现有的石门揭煤危险性预测方法是人们对突出过程的认识尚处于经验时期的产物，尽管人们认识到，突出过程与地应力，瓦斯压力及煤体强度等因素有关。但是，目前在井下，地应力的测定是非常困难的，在软煤中几乎是无法测定，而突出恰恰是发生在这样的软煤中。因此在现有的技术中，采用了煤层的赋存深度H来代替地应力的作用，这是不合理的。尽管地应力与煤层的赋存深度成正比，但地应力的大小更与地质构造有关，有些现场地应力的测定数据表明：水平构造应力达到地层平均应力的20倍以上，因此采用煤层的赋存深度指标H，来反映地应力的作用误差太大。此外，突出主要发生在软煤层中，从煤层中取出的煤样无一不受到地应力的破坏，越是具有突出危险的软煤，这种破坏性就越大。现有的技术中采用所取煤样的坚固性指标f来代替煤样的原始煤体强度指标也是不准确的。由于这些因素的影响，现有的技术没有统一的突出临界值，这给现场在使用上带来不便，难以把握，特别是那些没有多次石门揭煤经验的地方尤其如此。因此煤矿现场迫切需要一套新的石门揭煤突出危险性预测方法，这套新的预测方法中指标应能够直接从现场测定、并能够直接根据测定的指标值大小预报石门揭煤时是否会发生动力现象以及会发生哪一类动力现象，为煤矿现场的科学管理提供依据。这正是本发明的目的之所在。

本发明的任务是通过以下技术方案实现的：

为生产现场提供一套可靠的准确的石门揭煤时突出危险性预测方法。

根据近年来对突出机理的研究结果表明，在煤与瓦斯突出过程中，煤体的破坏是以球壳失稳的形式破坏，突出阵面推进过程中所遇到的任一煤体质点都经历了：①原始地应力阶段，②应力集中阶段，③应力破坏煤体阶段，④瓦斯撕裂煤体阶段，⑤瓦斯抛出煤壳阶段，⑥搬运及静止解吸阶段。在前三个阶段，煤体的破坏以地应力作用为主，地应力的作用在于破坏煤体，为煤体内瓦斯的释放创造了条件，在后三个阶段中，煤体的破坏以瓦斯压力为主，瓦斯能否撕裂煤体、能否将形成的煤壳抛射出去决定于煤体受地应力破坏后释放出来的初始瓦斯能的大小，煤体受地应力破坏后越破碎，原始瓦斯压力越高，煤体内初始释放的瓦斯能就越大，这些瓦斯能中具备做功能力的初始释放瓦斯膨胀能就越大，突出就越容易发生。这些对突出过程的描述称之为煤与瓦斯突出的“球壳失稳”机理，它的结论已为实验所证实。利用这些结论不但可以解释以前的假说及其突出现象，还可以解释现场一些过去不能解释的现象。球壳失稳机理的发现为本发明提供了理论上的依据。

下面对本发明的实施方法作一简单介绍，在揭开煤层之前，首先在掘进工作面通过岩层打一穿层钻孔，取出完整煤芯，其第一个作用就是由煤芯可以准确测定出软分层的厚度H。根据球壳失稳机理给出的发生突出的力学条件分析，实际煤层中软分层的厚度也是决定该软分层是否发生突出等动力现象的重要因素之一。第二，完整的煤芯中，保留了地应力作用的“痕迹”，地应力越大，煤芯中软分层煤样就越破碎，软分层原始强度越低，取出的煤芯也越破碎。因此软分层煤样的裂隙分布状况综合反映了地应力与原始煤体强度对突出过程的影响。

第二步，封孔测定煤层原始瓦斯压力及煤层的温度，它是为煤样的初始释放瓦斯能的测定确定环境条件。

第三步，进行煤样的初始释放瓦斯膨胀能的测定。初始释放瓦斯膨胀能指标可以在初始释放瓦斯能测定装置上测出来，该测定装置的机械部分见图1所示，控制电路部分见图2所示。首先将软分层煤样置于初始释放瓦斯能测定装置中，充入与原煤层同样压力的瓦斯，在与原煤层同样的温度下恒温保持8小时后，突然打开该装置上的阀门，煤样罐内瓦斯气流的压力与温度变化均由煤样罐上的压力传感器、温度传感器通过控制电路在计算机中记录下来，由此，可以测出由喷口喷出来的瓦斯气流中动能的大小随时间的变化曲线。再用同体积的铁块放入该测定装置中，在同样的条件下测出另一条能量曲线，将两条能量曲线相减就是一条表示由煤样中涌出的瓦斯流的动能曲线，它相当于从煤体内释放出来的具备做功能力的瓦斯膨胀能曲线。在10秒的时间内对煤样的瓦斯动能曲线进行积分后除以煤样的重量，可得煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标W_p。煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标W_p是一个综合指标，它反映了地应力、瓦斯压力及煤体原始强度等几个因素对突出过程的影响，它也是本发明的关键步骤。

第四步，将测得的软分层厚度H(单位毫米)，初始释放瓦斯膨胀能W_p(单位毫焦耳/每克煤)分别代入下面三类动力现象判别函数式中，计算可能发生各类动力现象的判别函数值：无动力现象时：               f₁(Y)＝f₁(W_p，H)            (3)压出时：                     f₂(Y)＝f₁(W_p，H)            (4)突出时：                     f₃(Y)＝f₃(W_p，H)            (5)

再由下式计算出发生各类动力现象的后验概率：

若：

则将该软分层归属于kg类，也就是说该软分层在揭开后会发生kg类的动力现象。

第五步，如果一个煤层中有多个软分层，则分别对这多个软分层按照上述步骤进行突出危险性预测，以所有软分层中可能发生的最大的动力现象作为整个煤层突出危险性的预报结果。

下面对本发明所提交的附图作进一步的描述：

图l为初始释放瓦斯能测定装置，它由钢制煤样罐(1)，测试煤样(2)，过滤网(3)，测压与测温传感器(4)，钢制渐缩喷口(5)，铜制球阀(6)，充气口(7)，钢制阀把(8)，信号采集电路(9)所组成。

图2为信号采集电路(9)的图。

图3为数据采集工作流程图。

测定时，快速将球阀的阀把(8)转动到90°的位置上，煤样罐内的瓦斯气流将迅速从渐缩喷口5涌出，阀把打开的同时带动槽式藕合器上的阻隔片start，启动计算机开始采集数据。测定过程的工作流程见图3所示。开始时，计算机一边采集高压传感器信号和温度信号，一边将采集到的高压传感器信号与电磁阀DCF0的启动值d1相比较，当高压传感器的压力值降到d1时，由PIO电路板发出信号，驱动放大电路MC1413将继电器J0接通，电磁阀DCF0打开，计算机开始采集高压、中压及温度信号。同样，在采集过程中，计算机不断将中压信号与电磁阀DCF1的启动值d2比较，一旦中压信号降到d2以下，PIO电路板发出信号，驱动放大电路MC1413将继电器J1接通，电磁阀DCF1打开，计算机开始采集高压、中压、低压及温度信号。当低压信号值降到截止值d3时，整个测定工作结束。

本发明的优点在于：它依据的是的对突出过程的理论研究成果。根据关于突出的″球壳失稳″机理，所取的煤样中裂隙的分布状况反映了地应力与煤体原始强度综合作用的结果，而单位重量煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标W_p又综合反映了瓦斯压力及煤样裂隙分布状况，因此，测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能也就相当于测定了原始煤层中的地应力、煤体强度及瓦斯压力对突出过程的综合作用，也就把原先无法测定的指标变成了可测定的指标。无论实际煤层内地应力、瓦斯压力、煤体强度怎样变化，都可通过煤样的初始释放瓦斯膨胀能反映出来。由于在本发明中，所需测定的指标都是可以准确测定的指标，如瓦斯压力，温度，软分层厚度以及煤样的初始释放瓦斯膨胀能等指标，因而采用本发明所叙述的方法来预测煤层揭煤时的动力现象时就比较准确。此外，本发明中所给的判别函数适用于一切含瓦斯的软煤层，不管煤层内所含气体是CH₄还是CO₂，无论在任何煤矿，均可使用。

目前，采用该发明已经在实验室内对46次突出模拟实验结果进行了预测。实验是在一超大型突出模拟装置上进行的，每次实验时，将几十公斤粉煤样放入突出模拟装置中，在500吨的压力机下用不同的压力压制成型(相当于煤矿现场的V类突出煤)，然后充入不等的瓦斯压力，吸附48小时。根据理论分析，这时突出模拟装置中的煤样相当于独立的小煤层。在吸附瓦斯平衡后突然打开突出装置的侧面突出口，由于突出装置中各次的条件不一样，突出装置中的煤样发生了不同程度的动力现象，有突出，有压出，也有的没有发生任何动力现象，而用上述三个判别函数根据每次测定的初始释放瓦斯膨胀能指标W_p及软分层厚度H进行判别预测，其准确率达100％。

Claims (6)

1.一种用于煤矿井下揭开煤层时动力现象的预测方法，其特征在于将全新的测试原理，先进的计算机数据处理系统，完整的测定装置与测试过程结合在一起，相辅相成构成的一种新的预测方法。

2.根据权利要求1所述的揭煤动力现象预测方法，其特征在于预测原理为：煤层的突出危险性与地力，瓦斯压力及煤体强度密切相关，也与煤层中软分层的厚度密切相关，而单位重量煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标综合反映了地应力，瓦斯压力及煤体强度等因素对突出过程的影响。通过测定煤层中软分层的厚度和单位重量煤样的初始释放瓦斯膨胀能这两个指标可以准确地预测出煤层的突出危险性。

3.根据权利要求1、2所述的揭煤动力现象的预测方法，其特征在于揭煤前通过打钻取出煤层的完整煤芯，测出各段软分层的厚度，煤层的原始瓦斯压力，煤层温度，然后在实验室内用所取软煤测出单位重量煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标，将软分层厚度及单位重量煤样的初始释放瓦斯膨胀能两个指标代入判别函数，预测出所测煤层在将来揭开时会发生突出、压出还是无动力当中的哪一类现象以及相应的概率。

4.一种用于测量煤样初始释放瓦斯能的测定装置，其特征在于该装置由煤样罐(1)，带球阀的渐缩喷口(5)，压力传感器，温度传感器(4)，电磁阀，槽式藕合器及与电子计算机相连的数据采集控制系统(9)构成，当煤样罐(1)内的煤样(2)吸附瓦斯平衡后，快速打开球阀(6)的阀把(8)，煤样罐(1)内的煤样(2)中的瓦斯将快速通过过滤网(3)和渐缩喷口(5)进入大气，煤样罐(1)上的压力传感器和温度传感器(4)就通过数据采集控制系统将煤样罐(1)内瓦斯气流的总压与总温记录下来。通过数据处理程序进行处理，可以计算出由煤样罐内煤样中涌出的单位重量煤样的初始释放瓦斯能和初始释放瓦斯膨胀能曲线。

5.根据权利要求4所述的煤样初始释放瓦斯能测定装置，其特征在于煤样罐(1)上装有三个量程不同的压力传感器及温度传感器、电磁阀，能测定出煤样罐内瓦斯压力变化时由煤样中涌出的初始释放瓦斯能及初始释放瓦斯膨胀能。

6.根据权利要求4所述的煤样初始释放瓦斯能测定装置，其特征在于数据采集控制系统(9)由硬件和软件组成，硬件系统由数据采集板、可编程六路PIO接口板、驱动放大电路组成。