CN111912685A - 一种测定煤层突出临界值的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种测定煤层突出临界值的方法及装置，采用压力机、储煤缸体、预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置、数据采集器、煤电钻、真空泵、压力表及稳压阀；通过预先确定待测煤层的突出临界值，分次模拟复制现场待测煤层的软分层，注入不同压力的瓦斯形成突出危险性不同的煤层，测定不同钻速时单位长度钻孔瓦斯涌出量的变化规律及突出临界值，推导出将任一钻速下实测的单位长度钻孔瓦斯涌出量换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量的计算公式及对应的突出临界值。预测现场的待测煤层时，将预测范围内每米钻孔涌出的单位长度钻孔瓦斯涌出量分别换算成标准钻速时的钻孔瓦斯涌出量并与标准钻速时的突出临界值比较，以此判断实测范围内煤层的突出危险性。

Description

一种测定煤层突出临界值的方法及装置

技术领域

本发明涉及煤与瓦斯突出预测技术领域，尤其是涉及一种适用于煤巷或石门揭煤突出预测的测定煤层突出临界值的方法及装置。

背景技术

众所周知，目前井下普遍采用的煤巷突出预测方法全是“点预测”方法，2019年颁布的《防治煤与瓦斯突出细则》第89条规定：可以采用下列方法预测煤巷掘进工作面的突出危险性；

1.钻屑指标法；2.复合指标法；3.R值指标法；4.其他经试验证实有效的方法。

《防治煤与瓦斯突出细则》第90条，91条和92条分别规定了前3种常用的煤巷突出预测方法的应用步骤。这些方法的特点就是通过打钻测定煤巷工作面前方某点煤体的指标与推荐的临界值对比，若大于临界值就预测为突出危险工作面，否则就预测为无突出危险的工作面。(参考文献：国家煤矿安全监察局制订，《防治煤与瓦斯突出细则》，煤炭工业出版社，2019年7月，P91～P95)。这些方法来自于人们长期在现场生产过程中的经验总结，具有一定的参考价值。

上述前3种方法的不足之处在于：各地煤矿在生产实践中经常出现采用这些方法预测不准的情况，有的甚至出现低指标突出的事例，造成严重的伤亡事故，也给现场的工人造成严重的心理恐慌。其原因是，煤巷掘进过程中能否突出与卸压带的长短密切相关。卸压带长，则掘进活动在卸压带内进行，一般不会发生突出；当卸压带较短时，同样进尺的掘进很容易将具有高压瓦斯的软煤暴露，导致突出。早在上世纪60年代，前苏联的И.B.包布洛夫就观测到了这一现象。而目前的点预测方法所测的结果无法反映煤巷工作面前方实际的卸压带分布，也就无法准确预测煤巷工作面的突出危险性。

专利号为ZL200610040222.1公开了一种预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置，首先通过煤巷工作面向煤巷前方的软煤层打一Φ85mm长900mm的孔，将封孔装置置入其中，使之膨胀后密封住钻孔；再将固气分离装置与封孔装置的下方相接，将麻花钻杆插入封孔装置后再通过伸缩管与岩石电钻上的推进杆连接；将放在岩石电钻后部的位移传感器上的钢丝绳挂接在岩石电钻后部；将固气分离装置上方的瓦斯气体出口用胶管通过过滤器与主机相连。通过伸缩管内的推杆将麻花钻杆向前推进，边打钻边探测钻孔中涌出的瓦斯流量。这一发明为现场提供了一种“线预测”的煤巷突出预测方法。但这个发明的缺陷是每当一根钻杆打完后需要把处于密闭的伸缩管打开，将推杆与麻花钻杆脱离后插入一根新的麻花钻杆，再合上伸缩管。由于麻花钻杆的接入很麻烦，同时在接入钻杆期间又有相当一部分瓦斯气体会泄漏，影响了该装置的使用。

专利号为ZL201410374949.8公开了一种增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置，通过一个可以外加煤屑的漏斗增加煤屑排出管的渗流阻力，将钻孔中涌出的瓦斯导向阻力较低的流量管，从而在工作面采用麻花钻杆连续钻进的条件下，将计算机与传感器技术结合以测定钻进过程的钻孔瓦斯涌出量及分布，构成一种连续钻进预测煤巷突出的方法。但在使用过程中，发现沿着煤层钻进过程中，当钻头进入到集中应力带时，钻头很难保持连续钻进过程，存在着卡钻的因素。为此，工人们不得不来回拖动煤电钻，疏通钻孔后再继续钻进，因此，在卡钻的位置，钻孔瓦斯流量的数据是叠加的，处理困难。此外，由于位移传感器和功率传感器需要采用井下127伏电源供电，主机需要采用笨重的隔爆腔体保护，这些都给井下操作人员使用该设备增添了难度，影响了该方法在煤矿井下的推广应用。

专利号为ZL201610361531公开了一种预测煤巷突出的逐段钻进流量法及其装置，确定了分段预测煤层突出危险的指标-单位长度钻孔瓦斯涌出量，将一根钻杆整个钻进期间(包括钻进、卡钻和换钻杆)的所有的钻孔瓦斯涌出量作为预测的依据。将隔爆型的数据采集器改成本安型的数据采集器，简化了装备。但是，在现场使用这种方法预测时，给定的突出临界值需要在多次实测后统计分析才能给出，并且精度不高。特别是前期的多次测定中有遭遇突出事故的风险。

专利号ZL201711414323.5公开了一种井下煤层软分层模拟复制的方法及小型软分层压制装置，根据水分和视密度与现场软分层一致的原则，确定出成型压力，用大型压力机模拟复制成型煤样，再施加该煤层的平均地应力，抽真空，分次注入不同压力的瓦斯，就可以得到不同突出危险的软分层。有了这一技术，就可以在实验室内模拟测定实际煤层的突出参数及进行突出模拟，避免了现场探测煤层突出临界值期间的危险。但是，这里并没有考虑钻进速度对某些突出参数的影响。近几年的试验表明，同样条件的煤层，钻进快时涌出的瓦斯量小，而钻进慢时涌出的瓦斯量大，这势必影响待测煤层的突出临界值。如果仅仅给出一个定速钻进时的突出临界值作为参考值，但现场打钻过程中影响因素很多，不一定能够按照这个确定的速度打完整个预测钻孔。这就给现场操作人员使用这种预测方法增添了难度，影响了该方法的推广应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种测定煤层突出临界值的方法及装置，通过对现场待测煤层进行模拟复制并分次注入了不同压力的瓦斯气体，采用快慢两种钻进速度分别钻进，测定钻进过程中单位长度钻孔瓦斯涌出量与煤层突出危险性的关系及受钻速的影响，寻求一种新的预测煤层突出的指标及突出临界值，为安全掘进煤层巷道提供有力的保障。

技术方案：本发明的一种测定煤层突出临界值的装置，包括预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置、数据采集器、煤电钻和初始释放瓦斯膨胀能测定装置，还包括装有模拟待测煤层的软分层模拟装置和与软分层模拟装置相连的抽注气装置，所述的软分层模拟装置包括压力机、位于压力机内开口呈长条形的储煤缸体和与储煤缸体开口相吻合的长条形压柱，所述的储煤缸体前侧壁上设有供煤电钻带动钻杆钻进的压盖，后侧壁上设有与供抽注气装置连接的进气孔；所述的压盖包括套管和与套管连为一体的法兰盘，所述的套管内注有混泥土，所述的法兰盘的中孔内设有与中孔相吻合的压盖堵头；所述的抽注气装置包括装有甲烷的气体钢瓶、经压力表与气体钢瓶并联的真空泵和连接在气体钢瓶出口的稳压阀。

所述的呈长条形的储煤缸体开口为长圆形。

所述套管连为一体的法兰盘与储煤缸体前侧壁接触面上设有安装密封圈的密封槽，环形盘的圆周上设有多个与储煤缸体固定在一起的螺钉孔。

所述的长条形压柱与储煤缸体开口相吻合的底侧设有放置密封圈的密封槽。

所述的长条形压柱的高长比大于0.26，以保证压力机向长条形压柱中心加压后不会翘曲，使整个储煤缸体内的煤样加压均匀。

一种使用上述测定煤层突出临界值装置的测定煤层突出临界值方法，包括如下步骤：

步骤一、根据与待测煤层视密度与水分相同的原则确定模拟软分层的成型压力值：先测定保湿待测煤层原煤样的视密度和水分，再将待测煤层原煤样筛至颗粒为6-8mm以下，取煤样15-20kg放入储煤缸体内，将长条形压柱放入储煤缸体内压在煤样上，再推入压力机内施压，先按设定压力将煤样压制成型，稳定30min，松弛后再施加与待测煤层相近的地应力，稳定30min后，卸除压盖，从储煤缸体内采集模拟煤样，测定一个模拟煤样视密度，清除储煤缸体中的残余煤样，重复上述压制煤样过程多次，逐渐增加每次的成型压力，测定多个模拟煤样视密度，绘制出一条模拟煤样视密度随成型压力变化的曲线，与原煤样的视密度比较，得到一个视密度与待测煤层原煤样相同或相近成型压力值；

步骤二、将现场采集的散装煤样筛至颗粒为6-8mm以下，洒水搅拌均匀，装入密封桶中备用，保证模拟复制的软分层水分与待测煤层原煤样相同；

步骤三、清除储煤缸体中的残余煤样，按量分次向储煤缸体内加入煤样，先向储煤缸体内加入15-20kg的煤样，放入长条形压柱，整体推入压力机内，按步骤一中确定的成型压力值施加压力，保持30min；然后卸除压力机的压力，将储煤缸体推出压力机外，移走长条形压柱，再向储煤缸体内添加同样重量的煤样，再放入长条形压柱，继续压制煤样，重复多次续煤和加压，直到储煤缸体内煤样总重量达到70-85kg，最后一次压制煤样前，将长条形压柱底侧密封槽内放入密封圈，再推入压力机内进行压制；

步骤四、压煤结束后，将抽注气装置的连接管连接在储煤缸体后侧壁上的进气孔上，开启真空泵抽真空12h，再通过压力机向长条形压柱施加与待测煤层同样的地应力，打开气体钢瓶上的阀门，按设定压力向储煤缸体中的模拟软分层注入甲烷，吸附平衡48h，构成一个含有确定瓦斯压力的模拟软分层；

步骤五、将固定在储煤缸体前侧壁上的压盖堵头拧开，再将预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置与压盖连接好，开启煤电钻，带动麻花钻穿过压盖内的混泥土，进入储煤缸体内的模拟软分层，以低于每米一分钟的速度慢速钻进，采集器与逐段钻进流量法装置上的流量传感器记录钻孔中涌出的瓦斯流量，通过按压采集器上的位置按钮，记录钻杆进入模拟软分层后的起始位置和打钻结束的位置，以测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，然后拆除预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置，卸除储煤缸体前侧壁上的端盖，从储煤缸体端口内采集煤样，将采集到的煤样放入初始释放瓦斯膨胀能测定装置中，在与打钻前储煤缸体内模拟软分层同样的甲烷压力和温度条件下测定初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤六、清除储煤缸体内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，再分别通过钻头穿越压盖中的混泥土进入储煤缸体内的模拟软分层，并以相同低于每米一分钟的速度慢速钻进，测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，并采集煤样，在与每次打钻前储煤缸体内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤七，清除储煤缸体内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，再分别通过钻头穿越压盖中的混泥土进入储煤缸体内的模拟软分层，并以相同但高于每米一分钟的速度快速钻进，测定快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1和所用时长t，并采集煤样，在与每次打钻前储煤缸体内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤八、通过计算机求出慢速钻进和快速钻进两种钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量与初始释放瓦斯膨胀能的关系曲线，以初始释放瓦斯膨胀能x为横坐标，单位长度钻孔瓦斯涌出量L为纵坐标，绘出慢速和快速钻进两种条件下单位长度钻孔涌出的瓦斯量随着初始释放瓦斯膨胀能增加而增加的拟合线性方程：

快速钻进的拟合线性方程为L1＝b1x+c1，

慢速钻进的拟合线性方程为L2＝b2x+c2，

其中：b1、b2分别为快速和慢速时拟合线性方程的斜率；c1、c2分别为快速和慢速时拟合线性方程的截距；

步骤九、推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式及突出临界值Qz；将试验中测得任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz，并与突出临界值Qz相比较，若Lz＜Qz，则该段煤体无突出危险；如Lz≥Qz，则该段煤体有突出危险；

步骤十、将任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的计算公式及突出临界值Qz输入到与预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置相连的数据采集器中，在现场向待测煤层打钻进行测定后，将整个钻孔的每一米钻孔测定的单位长度钻孔瓦斯涌出量Li和时长ti分别代入标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式，分别计算出每一米钻孔在标准钻速钻进时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lzi，并与突出临界值Qz比较，即可判断预测范围内是否有煤体突出以及突出煤体所在的位置。

步骤六中，所述按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次为3-5次，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同。

步骤七中，所述按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次为4-6次，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同。

步骤九中，所述的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式如下：

先求出快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1的拟合直线与慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2的拟合直线的交叉点，然后假定任一钻速单位长度钻孔瓦斯涌出量的拟合直线也通过该交叉点，且其线性方程的斜率b随着钻进时长的增加而线性增加，因此，任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程为：L＝bx+c；

式中：b为线性方程的斜率，与钻速有关，c为截距；

当x＝42.98mJ/g时，L＝Q，Q是任一钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值，

同样，时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz也随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程：Lz＝b₀x+c₀；

式中：b₀为标准钻速时拟合线性方程的斜率，c₀为截距；

当x＝42.98mJ/g时，Lz＝Qz，Qz是标准钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值；

依据任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L和其突出临界值Q与标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz和其突出临界值Qz之间的相似关系，推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式：

式中：Lz-换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；L-任一钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；t-任一钻速时单位长度钻孔所用时长，min；A、B、C、U、V-与煤层及钻速相关的常数。

步骤四中，所述的按设定压力向储煤缸体(3)中的模拟软分层注入甲烷的压力为0.2～1.0MPa。

有益效果：由于采用了上述方案，对现场待测煤层进行了模拟复制并分次注入了不同压力的瓦斯气体，在实验室内采用两种钻进速度分别打钻，测定钻进过程中单位长度钻孔瓦斯涌出量，并采样测定各自煤体的初始释放瓦斯膨胀能，得到两种钻速条件下单位长度钻孔瓦斯涌出量的变化规律及突出临界值，推导出了任一钻速时测得的钻孔瓦斯涌出量换算成标准钻速钻进时对应的钻孔瓦斯涌出量换算公式，在现场实测煤层的突出危险性时，只要把实测的整个钻孔中每一米钻孔测得的单位长度钻孔瓦斯涌出量Li和时长ti，代入该公式，就可以计算出在同样条件下按标准钻速钻进时对应的钻孔瓦斯涌出量Lzi，再与标准钻速时的突出临界值Qz相比，就可知各段煤体是否突出及突出强度的大小。如果预测的范围内任一段的煤体都没有超过临界值，就可以预报这个预测范围内的煤体无突出危险。只要有任何一段煤体超过突出临界值，就预报有突出危险，告诉工人采取防突措施，直到按同样的预测方法进行防突效果检测通过后，才能向前掘进。因此。现场在使用这一方法进行打钻预测时，无论快慢都可以，但预测的标准是统一的，不受工人操作的影响。目前这一方法已经在多个矿井应用，安全掘进煤层巷道近万米，效果良好。

另外，由于测定待测煤层的突出临界值是在试验室内进行，无论储煤缸体内模拟复制的煤层突出危险性大小，都可以打钻测定。即使发生喷孔突出，也不会对人身产生威胁。

此外，不同的钻孔法预测指标也都可以在这个装置上进行检验或测定其突出临界值。

附图说明

图1为本发明的测定煤层突出临界值的装置结构示意图。

图2为本发明的压盖结构图。

图3为所采用的测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能测定装置示意图。

图4为本发明任一钻速单位钻孔瓦斯涌出量曲线L和其对应的临界值Q与标准钻速单位钻孔瓦斯涌出量曲线Lz及临界值Qz的关系图。

图中：1-压力机；2-长条形压柱；3-储煤缸体；4-压盖；5-逐段钻进流量法装置；6-数据采集器；7-煤电钻；8-气体钢瓶；9-真空泵；10-压力表，11-稳压阀12-初始释放瓦斯膨胀能测定装置，13-压盖堵头，14-混泥土。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明的测定煤层突出临界值的装置，主要由预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置5、数据采集器6、煤电钻7、初始释放瓦斯膨胀能测定装置12、装有模拟待测煤层的软分层模拟装置和与软分层模拟装置相连的抽注气装置构成，所述的软分层模拟装置包括压力机1、位于压力机1内开口呈长条形的储煤缸体3和与储煤缸体3开口相吻合的长条形压柱2，所述的呈长条形的储煤缸体3开口为长圆形，所述的长条形压柱2与储煤缸体3开口相吻合的底侧设有放置密封圈的密封槽，长条形压柱2的高长比大于0.26，以保证压力机向长条形压柱中心加压后不会翘曲，使整个储煤缸体内的煤样加压均匀。所述的储煤缸体3前侧壁上设有供煤电钻7带动钻杆钻进的压盖4，后侧壁上设有与供抽注气装置连接的进气孔；所述的压盖4包括套管和与套管连为一体的法兰盘，如图2所示，所述套管连为一体的法兰盘与储煤缸体3前侧壁接触面上设有安装密封圈的密封槽，环形盘的圆周上设有多个与储煤缸体3固定在一起的螺钉孔。所述的套管内注有混泥土14，所述的法兰盘的中孔内设有与中孔相吻合的压盖堵头13；所述的抽注气装置包括装有甲烷的气体钢瓶8、经压力表10与气体钢瓶8并联的真空泵(9)和连接在气体钢瓶8出口的稳压阀11。

一种使用上述测定煤层突出临界值装置的测定煤层突出临界值方法，具体步骤如下：

步骤一、根据与待测煤层视密度与水分相同的原则确定模拟软分层的成型压力值：先测定保湿待测煤层原煤样的视密度和水分，再将待测煤层原煤样筛至颗粒为6-8mm以下，取煤样15-20kg放入储煤缸体3内，将长条形压柱2放入储煤缸体3内压在煤样上，再推入压力机1内施压，先按设定压力将煤样压制成型，稳定30min，松弛后再施加与待测煤层相近的地应力，稳定30min后，卸除压盖4，从储煤缸体3内采集模拟煤样，测定一个模拟煤样视密度，清除储煤缸体3中的残余煤样，重复上述压制煤样过程多次，逐渐增加每次的成型压力，测定多个模拟煤样视密度，绘制出一条模拟煤样视密度随成型压力变化的曲线，与原煤样的视密度比较，得到一个视密度与待测煤层原煤样相同或相近成型压力值；按此成型压力压制煤样，其视密度与现场待测煤层一致，储煤缸体3内模拟煤体的断面尺寸大于麻花钻成孔直径的5倍，长度大于一米。压力机也可以在小缸体和千斤顶来完成；

步骤二、将现场采集的散装煤样筛至颗粒为6-8mm以下，洒水搅拌均匀，装入密封桶中备用，保证模拟复制的软分层水分与待测煤层原煤样相同；

步骤三、清除储煤缸体(3)中的残余煤样，按量分次向储煤缸体3内加入煤样，先向储煤缸体3内加入15-20kg的煤样，放入长条形压柱2，整体推入压力机1内，按步骤一中确定的成型压力值施加压力，保持30min；然后卸除压力机1的压力，将储煤缸体推出压力机1外，移走长条形压柱2，再向储煤缸体3内添加同样重量的煤样，再放入长条形压柱2，继续压制煤样，重复多次续煤和加压，直到储煤缸体3内煤样总重量达到70-85kg，最后一次压制煤样前，将长条形压柱2底侧密封槽内放入0型密封圈，确保长条形压柱2压入储煤缸体后密封可靠，长条形压柱高长比大于0.26，再推入压力机内进行压制；

步骤四、压煤结束后，将抽注气装置的连接管连接在储煤缸体3后侧壁上的进气孔上，开启真空泵9抽真空12h，再通过压力机1向长条形压柱2施加与待测煤层同样的地应力，打开气体钢瓶8上的阀门，按设定压力向储煤缸体3中的模拟软分层注入甲烷，吸附平衡48h，构成一个含有确定瓦斯压力的模拟软分层；所述的按设定压力向储煤缸体3中的模拟软分层注入甲烷的压力为0.2～1.0MPa，注入不同压力的甲烷即可构成多个含有确定瓦斯压力的模拟软分层；

步骤五、将固定在储煤缸体3前侧壁上的压盖堵头13拧开，再将预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置5与压盖4连接好，开启煤电钻7，带动麻花钻穿过压盖4内的混泥土14，进入储煤缸体3内的模拟软分层，以低于每米一分钟的速度慢速钻进，采集器6与逐段钻进流量法装置5上的流量传感器记录钻孔中涌出的瓦斯流量，通过按压采集器6上的位置按钮，记录钻杆进入模拟软分层后的起始位置和打钻结束的位置，以测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，然后拆除预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置5，卸除储煤缸体3前侧壁上的端盖4，从储煤缸体端口内采集煤样，将采集到的煤样放入初始释放瓦斯膨胀能测定装置12中，如图3所示，利用由煤样罐，抽压气装置、高低压传感、电磁阀和采集器构成的初始释放瓦斯膨胀能测定装置12，在与打钻前储煤缸体3内模拟软分层同样的甲烷压力和温度条件下测定初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤六、清除储煤缸体3内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五3-5次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同，再分别通过钻头穿越压盖4中的混泥土14进入储煤缸体3内的模拟软分层，并以相同低于每米一分钟的速度慢速钻进，测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，并采集煤样，利用初始释放瓦斯膨胀能测定装置12在与每次打钻前储煤缸体3内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能X：

步骤七，清除储煤缸体3内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五4-6次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同；再分别通过钻头穿越压盖4中的混泥土14进入储煤缸体3内的模拟软分层，并以相同但高于每米一分钟的速度快速钻进，测定快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1和所用时长t，并采集煤样，利用初始释放瓦斯膨胀能测定装置12在与每次打钻前储煤缸体3内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤八、通过计算机求出慢速钻进和快速钻进两种钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L与初始释放瓦斯膨胀能的关系曲线，以初始释放瓦斯膨胀能x为横坐标，单位长度钻孔瓦斯涌出量L为纵坐标，绘出慢速和快速钻进两种条件下单位长度钻孔涌出的瓦斯量L随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的拟合线性方程：

快速钻进的拟合线性方程为L1＝b1x+c1，

慢速钻进的拟合线性方程为L2＝b2x+c2，

其中：b1、b2分别为快速和慢速时拟合线性方程的斜率；c1、c2分别为快速和慢速时拟合线性方程的截距；

步骤九、推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式及突出临界值Qz；将试验中测得任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz，并与突出临界值Qz相比较，若Lz＜Qz，则该段煤体无突出危险；如Lz≥Qz，则该段煤体有突出危险；

所述的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式如下：

先求出快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1的拟合直线与慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2的拟合直线的交叉点，然后假定任一钻速单位长度钻孔瓦斯涌出量的拟合直线也通过该交叉点，且其线性方程的斜率b随着钻进时长的增加而线性增加，如图4所示，因此，任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程为：L＝bx+c；

式中：b为线性方程的斜率，与钻速有关，c为截距；

当x＝42.98mJ/g时，L＝Q，Q是任一钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值，

同样，时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz也随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程：Lz＝b₀x+c₀；

式中：b₀为标准钻速时拟合线性方程的斜率，c₀为截距；

当x＝42.98mJ/g时，Lz＝Qz，Qz是标准钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值；

依据任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L和其突出临界值Q与标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz和其突出临界值Qz之间的相似关系，推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式：

式中：Lz-换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；L-任一钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；t-任一钻速时单位长度钻孔所用时长，min；A、B、C、U、V-与煤层及钻速相关的常数；

步骤十、将任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的计算公式及突出临界值Qz输入到与预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置5相连的数据采集器6中，在现场向待测煤层打钻进行测定后，将整个钻孔的每一米钻孔测定的单位长度钻孔瓦斯涌出量Li和时长ti分别代入标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式，分别计算出每一米钻孔在标准钻速钻进时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lzi，并与突出临界值Qz比较，即可判断预测范围内是否有煤体突出以及突出煤体所在的位置。

工作原理：通过在试验室内分次模拟复制现场待测煤层，分次注入不同压力的瓦斯后形成突出危险性不同的煤层，再用快速和慢速两种钻进速度钻进，测定单位长度钻孔瓦斯涌出量的变化规律及突出临界值，推导将任一钻进速度下实测的单位长度钻孔瓦斯涌出量换算成标准钻速钻进时的单位长度钻孔瓦斯涌出量的公式及突出临界值。在现场煤巷突出预测时，将实测的每米钻孔瓦斯涌出量分别换算成标准钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量并与该标准钻速时的突出临界值比较，即可判断所测范围内煤层是否突出。任何一个待测煤层的突出主要来自该煤层的软分层，这些软分层都是原始煤层经历搓揉破坏后经地应力压制变质形成的，本申请中测定煤层的突出临界值就是指测定待测煤层软分层的临界值。每个待测煤层的软分层随着钻进速度的不同，涌出的单位长度钻孔瓦斯涌出量和发生突出的临界值也不同。在试验室内按照待测煤层的实际条件模拟复制待测煤层的软分层，分次注入不同压力的瓦斯，可以形成突出危险性不同的软分层，测定两种不同钻速下单位长度钻孔瓦斯涌出量随其初始释放瓦斯膨胀能的变化规律及突出临界值，可以导出将任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量换算成标准钻速的钻孔瓦斯涌出量的计算公式及对应的突出临界值。在现场进行突出预测时，将实测的单位长度钻孔瓦斯涌出量换算成标准钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量并与该标准钻速时的突出临界值比较，即可对钻进范围内各段煤体的突出危险性进行预测，为煤矿现场的科学管理提供依据。

Claims (10)

1.一种测定煤层突出临界值的装置，包括预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置(5)、数据采集器(6)、煤电钻(7)和初始释放瓦斯膨胀能测定装置(12)，其特征在于：还包括装有模拟待测煤层的软分层模拟装置和与软分层模拟装置相连的抽注气装置，所述的软分层模拟装置包括压力机(1)、位于压力机(1)内开口呈长条形的储煤缸体(3)和与储煤缸体(3)开口相吻合的长条形压柱(2)，所述的储煤缸体(3)前侧壁上设有供煤电钻(7)带动钻杆钻进的压盖(4)，后侧壁上设有与供抽注气装置连接的进气孔；所述的压盖(4)包括套管和与套管连为一体的法兰盘，所述的套管内注有混泥土(14)，所述的法兰盘的中孔内设有与中孔相吻合的压盖堵头(13)；所述的抽注气装置包括装有甲烷的气体钢瓶(8)、经压力表(10)与气体钢瓶(8)并联的真空泵(9)和连接在气体钢瓶(8)出口的稳压阀(11)。

2.根据权利要求1所述的一种测定煤层突出临界值装置，其特征在于：所述的呈长条形的储煤缸体(3)开口为长圆形。

3.根据权利要求1所述的一种测定煤层突出临界值装置，其特征在于：所述套管连为一体的法兰盘与储煤缸体(3)前侧壁接触面上设有安装密封圈的密封槽，环形盘的圆周上设有多个与储煤缸体(3)固定在一起的螺钉孔。

4.根据权利要求1所述的一种测定煤层突出临界值装置，其特征在于：所述的长条形压柱(2)与储煤缸体(3)开口相吻合的底侧设有放置密封圈的密封槽。

5.根据权利要求1或4所述的一种测定煤层突出临界值装置，其特征在于：所述的长条形压柱(2)的高长比大于0.26，以保证压力机向长条形压柱中心加压后不会翘曲，使整个储煤缸体内的煤样加压均匀。

6.一种使用权利要求1所述测定煤层突出临界值装置的测定煤层突出临界值方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据与待测煤层视密度与水分相同的原则确定模拟软分层的成型压力值：先测定保湿待测煤层原煤样的视密度和水分，再将待测煤层原煤样筛至颗粒为6-8mm以下，取煤样15-20kg放入储煤缸体(3)内，将长条形压柱(2)放入储煤缸体(3)内压在煤样上，再推入压力机(1)内施压，先按设定压力将煤样压制成型，稳定30min，松弛后再施加与待测煤层相近的地应力，稳定30min后，卸除压盖(4)，从储煤缸体(3)内采集模拟煤样，测定一个模拟煤样视密度，清除储煤缸体(3)中的残余煤样，重复上述压制煤样过程多次，逐渐增加每次的成型压力，测定多个模拟煤样视密度，绘制出一条模拟煤样视密度随成型压力变化的曲线，与原煤样的视密度比较，得到一个视密度与待测煤层原煤样相同或相近成型压力值；

步骤二、将现场采集的散装煤样筛至颗粒为6-8mm以下，洒水搅拌均匀，装入密封桶中备用，保证模拟复制的软分层水分与待测煤层原煤样相同；

步骤三、清除储煤缸体(3)中的残余煤样，按量分次向储煤缸体(3)内加入煤样，先向储煤缸体(3)内加入15-20kg的煤样，放入长条形压柱(2)，整体推入压力机(1)内，按步骤一中确定的成型压力值施加压力，保持30min；然后卸除压力机(1)的压力，将储煤缸体推出压力机(1)外，移走长条形压柱(2)，再向储煤缸体(3)内添加同样重量的煤样，再放入长条形压柱(2)，继续压制煤样，重复多次续煤和加压，直到储煤缸体(3)内煤样总重量达到70-85kg，最后一次压制煤样前，将长条形压柱(2)底侧密封槽内放入密封圈，再推入压力机内进行压制；

步骤四、压煤结束后，将抽注气装置的连接管连接在储煤缸体(3)后侧壁上的进气孔上，开启真空泵(9)抽真空12h，再通过压力机(1)向长条形压柱(2)施加与待测煤层同样的地应力，打开气体钢瓶(8)上的阀门，按设定压力向储煤缸体(3)中的模拟软分层注入甲烷，吸附平衡48h，构成一个含有确定瓦斯压力的模拟软分层；

步骤五、将固定在储煤缸体(3)前侧壁上的压盖堵头(13)拧开，再将预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置(5)与压盖(4)连接好，开启煤电钻(7)，带动麻花钻穿过压盖(4)内的混泥土(14)，进入储煤缸体(3)内的模拟软分层，以低于每米一分钟的速度慢速钻进，采集器(6)与逐段钻进流量法装置(5)上的流量传感器记录钻孔中涌出的瓦斯流量，通过按压采集器(6)上的位置按钮，记录钻杆进入模拟软分层后的起始位置和打钻结束的位置，以测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，然后拆除预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置(5)，卸除储煤缸体(3)前侧壁上的端盖(4)，从储煤缸体端口内采集煤样，将采集到的煤样放入初始释放瓦斯膨胀能测定装置(12)中，在与打钻前储煤缸体(3)内模拟软分层同样的甲烷压力和温度条件下测定初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤六、清除储煤缸体(3)内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，再分别通过钻头穿越压盖(4)中的混泥土(14)进入储煤缸体(3)内的模拟软分层，并以相同低于每米一分钟的速度慢速钻进，测定慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2和所用时长t，并采集煤样，在与每次打钻前储煤缸体(3)内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤七，清除储煤缸体(3)内的残余煤样，按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次，压制相同成型压力的煤层并施加同样的地应力，再分别通过钻头穿越压盖(4)中的混泥土(14)进入储煤缸体(3)内的模拟软分层，并以相同但高于每米一分钟的速度快速钻进，测定快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1和所用时长t，并采集煤样，在与每次打钻前储煤缸体(3)内模拟软分层相同的甲烷压力和温度条件下分别测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能x；

步骤八、通过计算机求出慢速钻进和快速钻进两种钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量与初始释放瓦斯膨胀能的关系曲线，以初始释放瓦斯膨胀能x为横坐标，单位长度钻孔瓦斯涌出量L为纵坐标，绘出慢速和快速钻进两种条件下单位长度钻孔涌出的瓦斯量随着初始释放瓦斯膨胀能增加而增加的拟合线性方程：

快速钻进的拟合线性方程为L1＝b1x+c1，

慢速钻进的拟合线性方程为L2＝b2x+c2，

其中：b1、b2分别为快速和慢速时拟合线性方程的斜率；c1、c2分别为快速和慢速时拟合线性方程的截距；

步骤九、推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式及突出临界值Qz；将试验中测得任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz，并与突出临界值Qz相比较，若Lz＜Qz，则该段煤体无突出危险；如Lz≥Qz，则该段煤体有突出危险；

步骤十、将任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的计算公式及突出临界值Qz输入到与预测煤巷突出的逐段钻进流量法装置(5)相连的数据采集器(6)中，在现场向待测煤层打钻进行测定后，将整个钻孔的每一米钻孔测定的单位长度钻孔瓦斯涌出量Li和时长ti分别代入标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式，分别计算出每一米钻孔在标准钻速钻进时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lzi，并与突出临界值Qz比较，即可判断预测范围内是否有煤体突出以及突出煤体所在的位置。

7.根据权利要求5所述的测定煤层突出临界值方法，其特征在于：步骤六中，所述按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次为3-5次，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同。

8.根据权利要求5所述的测定煤层突出临界值方法，其特征在于：步骤七中，所述按每次注入不同压力的甲烷重复步骤三至步骤五多次为4-6次，每次压制模拟软分层的成型压力和施加的地应力都相同。

9.根据权利要求5所述的测定煤层突出临界值方法，其特征在于：步骤九中，所述的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式如下：

先求出快速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L1的拟合直线与慢速钻进时单位长度钻孔涌出的瓦斯量L2的拟合直线的交叉点，然后假定任一钻速单位长度钻孔瓦斯涌出量的拟合直线也通过该交叉点，且其线性方程的斜率b随着钻进时长的增加而线性增加，因此，任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程为：L＝bx+c；

式中：b为线性方程的斜率，与钻速有关，c为截距；

当x＝42.98mJ/g时，L＝Q，Q是任一钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值，

同样，时长为1min/m的标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz也随着初始释放瓦斯膨胀能x增加而增加的线性方程：Lz＝b₀x+c₀；

式中：b₀为标准钻速时拟合线性方程的斜率，c₀为截距；

当x＝42.98mJ/g时，Lz＝Qz，Qz是标准钻速时发生突出的单位长度钻孔瓦斯涌出量的临界值；

依据任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L和其突出临界值Q与标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz和其突出临界值Qz之间的相似关系，推导出任一钻速的单位长度钻孔瓦斯涌出量L换算成标准钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量Lz的换算公式：

式中：Lz-换算成标准钻速后的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；L-任一钻速时的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；t-任一钻速时单位长度钻孔所用时长，min；A、B、c、U、V-与煤层及钻速相关的常数。

10.根据权利要求5所述的测定煤层突出临界值方法，其特征在于：步骤四中，所述的按设定压力向储煤缸体(3)中的模拟软分层注入甲烷的压力为0.2～1.0MPa。

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