CN112324487B - 一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，属于煤矿防突效果评价技术领域。包括以下步骤：将煤巷条带区域划分为一般危险区及严重危险区；分别计算一般危险区及严重危险区的地应力评价指标临界值及瓦斯评价指标临界值；在防突措施实施的过程中，实测措施控制区域的排出煤的体积；采取防突措施后，实测措施控制区域的残余瓦斯含量；评价防突效果，当一般危险区及严重危险区的地应力评价指标和瓦斯评价指标均达标，则评判防突效果有效。本发明针对不同危险区均采用地应力指标、瓦斯指标对防突效果进行评判，克服了传统评价方法仅采用单一瓦斯评价指标不够全面的缺点，使煤巷条带区域防突效果评价的更加全面、更为准确。

Description

一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法

技术领域

本发明属于煤矿防突效果评价技术领域，涉及一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法。

背景技术

据不完全统计，煤巷突出事故占煤与瓦斯突出事故的70％以上，严重制约着煤矿的安全生产。随着煤矿进入深部开采，煤巷突出的机理更加复杂，地应力主导型煤巷突出更加凸显，且出现了即使在瓦斯区域预抽“达标”或瓦斯含量低的煤层，煤巷掘进过程中仍然发生地应力主导型突出，造成了重大人员伤亡及财产损失。而现有煤巷防突效果评价方法主要围绕瓦斯因素开展的，即在煤巷条带预抽后评判抽采区域是否抽采达标，这种评价方法可以较好的评价瓦斯的抽采效果，但没有考虑地应力因素。相反，煤矿进入深部后，煤巷条带区域的地应力明显增大，地应力因素是煤巷防突效果评价不可忽视的重要因素。同时，由于煤巷条带不同区域的危险性和瓦斯地质赋存存在差异性，如果对整个煤巷条带区域的防突效果进行评价，则不能精准的评价不同区域的防突效果。因此，提出煤巷条带不同危险区地应力、瓦斯的双指标评价方法具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，能够对不同危险区分别对地应力指标、瓦斯指标的防突效果进行评判，煤巷条带区域防突效果评价的更加全面、更为准确。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，包括以下步骤：划分区域，将煤巷条带区域划分为一般危险区及严重危险区；计算临界值，分别计算一般危险区及严重危险区的地应力评价指标临界值及瓦斯评价指标临界值，地应力评价指标为排出煤的体积，瓦斯评价指标为瓦斯含量；实测排出煤的体积，采取防突措施，在防突措施实施的过程中，实测措施控制区域的实际排出煤的体积；实测残余瓦斯含量，采取防突措施后，对措施控制区域预抽瓦斯，实测残余的实际瓦斯含量；评价防突效果，将实际的排出煤的体积和地应力评价指标临界值比较，将残余的实际瓦斯含量与瓦斯评价指标的临界值相比较，当地应力评价指标和瓦斯评价指标均达标，则评判防突效果有效。

可选地，“实测排出煤的体积”步骤中，防突措施包括底板岩巷穿层钻孔抽采瓦斯卸压防突及水力化防突。

可选地，水力化防突采用水力扩孔或水力割缝对煤巷条带地应力卸压，当煤的坚固性系数f≤0.5时，采用水力扩孔技术，当煤的坚固性系数f＞0.5时，采用水力割缝技术。

可选地，“区域划分”步骤中，采用多因素耦合分析法对煤巷条带的地应力危害进行分区，断层、褶曲、煤层厚度、倾角及夹矸厚度急剧变化、煤柱影响区、采空区临空巷道区域划分为地应力严重危险区，其余区域为地应力一般危险区。

可选地，地应力一般危险区的排出煤的体积的临界值为V_排1，V_排1＝K₁×σ_z×V_总1；地应力严重危险区的排出煤的体积临界值为V_排2，V_排2＝K₂×σ_d×V_总2。

可选地，σ_z＝γ×H，σ_d＝γH+k₁σ_z+k₂σ_z；其中，σz为自重应力，MPa；k₁为地质构造引起应力集中系数，k₂为采空区临空造成的应力集中系数；γ为上覆岩层容重，N/m³；H为煤巷埋深，m；V_总1为一般危险区煤层的总体积，m³；V_总2为严重危险区煤层的总体积，m³。

可选地，“区域划分”步骤中，按瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数及地质构造情况将煤巷条带区域划分为瓦斯危害一般危险区及瓦斯危害严重危险区。

可选地，瓦斯危害一般危险区的瓦斯含量临界值W₀₁＝min(8，W_始突，W_P＝0.74，W_P＝始突)，瓦斯危害严重危险区的瓦斯含量临界值W₀₂＝min(6，W_始突，W_P＝0.74，W_P＝始突)。

本发明的有益效果在于：本发明对不同危险区分别对地应力指标、瓦斯指标的防突效果进行评判，克服了传统评价方法仅采用单一瓦斯评价指标不够全面的缺点，同时克服了对整个煤巷条带区域采用同一评价指标临界值不够准确的缺点，使煤巷条带区域防突效果评价的更加全面、更为准确。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为煤巷条带防突效果双指标评价方法的流程示意图；

图2为卸压防突技术示意图；

图3为不同危险区防突效果双指标评价流程图；

图4为防突钻孔平面示意图；

图5为防突钻孔剖面示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法的流程示意图，包括以下步骤：

1、划分区域

根据煤巷条带区域煤层瓦斯赋存的正异常情况和突出危险性的大小，将煤巷条带地应力危害和瓦斯危害分别精准划分为一般危险区及严重危险区。

(1)、根据危险性因素将煤巷条带区域划分为瓦斯危害一般危险区及瓦斯危害严重危险区。瓦斯危险性因素包括瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数及地质构造。瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数及地质构造情况的危险程度标准具体如下表。煤巷条带区域中一项及或上危险性因素满足严重危险标准，则该区域为瓦斯危害严重危险区，煤巷条带区域中四项危险性因素均满足一般危险标准，则该区域为瓦斯危害一般危险区。

(2)、采用多因素耦合分析法对煤巷条带地应力危害进行分区，即断层、褶曲、煤层厚度、倾角及夹矸厚度急剧变化、煤柱影响区、采空区临空巷道等区域为地应力严重危险区，其它区域为地应力一般危险区。

2、计算临界值

分别计算一般危险区及严重危险区的地应力评价指标临界值及瓦斯评价指标临界值，地应力评价指标为排出煤的体积，瓦斯评价指标为瓦斯含量。

(1)地应力评价指标临界值计算

对于煤巷条带地应力一般危险区，根据煤巷条带区域的埋藏深度，计算该区域的自重应力，计算公式如下：

σ_z＝γ×H；

式中：σ_z为自重应力，MPa；γ为上覆岩层容重，N/m³；H为煤巷埋深，m。

对于煤巷条带地应力严重危险区，地应力主要有煤巷条带区域自重应力、断层和褶曲等地质构造产生的构造应力以及工作面回采后采空区临空区煤柱产生的结构应力等组成。

煤巷条带区域主要地质构造为断层、褶曲及煤层厚度变化带。可以根据煤巷条带区域距离地质构造的距离，确定煤巷条带区域应力增量，计算应力集中系数k1，最终得到煤巷条带区域的构造应力表达式：

σ_g＝(1+k₁)×σ_z；

式中：σ_g为构造应力大小，MPa；k₁为地质构造引起应力集中系数。

煤巷条带区域的结构应力主要有采空区临空造成的，可以根据煤巷条带区域距离采空区的距离，确定煤巷条带区域应力增量，计算得出采空区临空的煤巷条带区域的应力集中系数k₂，最终得到煤巷条带区域的结构应力表达式：

σ_j＝(1+k₂)×σ_z；

式中：σ_j为结构应力大小，MPa；k₂为采空区临空造成的应力集中系数。

煤巷条带区域的地应力主要是由上述三部分应力叠加的结果，但不是三者的代数和，因为在计算构造应力、结构应力的过程中，本身含有自重应力。因此，为避免自重应力的重复计算，计算构造应力、结构应力时，减去自重应力只取其应力增量；然后三者相加，即可得出煤巷条带区域的地应力大小，其计算公式：

σ_d＝γH+k₁σ_z+k₂σ_z；

式中：σ_d为煤巷条带区域地应力大小，MPa。

测试条件应和煤层实际条件相同的情况下，不同煤层的物理属性不同，一般通过水力化技术从煤层中排出部分煤体，从而改变煤层体积使煤层体积应变达到实验室测试的体积应变测试条件应和煤层实际条件相同，体积应变计算方法如下：

ε_v＝K×σ；

式中：ε_v为煤层的体积应变；σ为煤层的地应力大小；K为实验室测试得到的煤层体积模量。

煤巷条带一般危险区地应力卸压效果达标时煤层体积应变的临界值ε_v1，计算方法如下：

ε_v1＝K₁×σ_z；

式中：ε_v1为地应力一般地应力危险区煤层的体积应变；σz为地应力一般危险区煤层的地应力大小；K₁为实验室测试得到的地应力一般危险区煤层体积模量。

煤巷条带严重危险区地应力卸压效果达标时煤层体积应变的临界值ε_v2，计算方法如下：

ε_v2＝K₂×σ_d；

式中：ε_v2为地应力严重危险区煤层的体积应变；σ_d为地应力严重危险区煤层的地应力大小；K₂为实验室测试的地应力严重危险区煤层体积模量。

(2)瓦斯评价指标临界值计算

煤巷条带区域采用瓦斯含量对抽采区域进行评价，瓦斯危害一般危险区和瓦斯危害严重危险区分别采用不同的临界值。

煤巷条带区域瓦斯危害一般危险区的瓦斯含量临界值为W₀₁，W₀₁为下列各种情况下瓦斯含量的最小值，即取残余瓦斯含量为8m³/t、始突深度的煤层瓦斯含量W_始突、瓦斯压力为0.74MPa时的煤层瓦斯含量W_P＝0.74、瓦斯压力降低到始突深度瓦斯压力时的煤层瓦斯含量W_P＝始突中的最小值，其计算公式如下：

W₀₁＝min(8，W_始突，W_P＝0.74，W_P＝始突)；

煤巷条带区域瓦斯严重危险区的瓦斯含量临界值W₀₂，W₀₂为下列各种情况下瓦斯含量的最小值，取残余瓦斯含量为6m³/t、始突深度的煤层瓦斯含量W_始突、瓦斯压力为0.74MPa时的煤层瓦斯含量W_P＝0.74、瓦斯压力降低到始突深度瓦斯压力时的煤层瓦斯含量W_P＝始突中的最小值，其计算公式如下：

W₀₂＝min(6，W_始突，W_P＝0.74，W_P＝始突)；

3、采取防突措施

针对不同危险区，提出同时使用水力化技术和底板岩巷穿层钻孔抽采的卸压防突技术。

参阅图2，采用水力扩孔或水力割缝技术使煤巷条带地应力得以卸压，采用底板岩巷穿层钻孔预抽瓦斯使瓦斯抽采达标。其中水力扩孔技术或水力割缝技术根据煤层煤的坚固性系数进行选用，当煤的坚固性系数f≤0.5时，即软煤区域采用水力扩孔技术，当煤的坚固性系数f＞0.5时，即硬煤区域采用水力割缝技术。

穿层钻孔之间的间距是根据突出危险性大小确定的，即在瓦斯危害严重危险区钻孔间距要适当缩小钻孔间距，确保抽采达标。

4、实测排出煤的体积及地应力指标评价

在防突技术措施实施的过程中，统计防突钻孔排出煤的质量，计算措施控制区域排出煤的体积，将实测的排出煤的体积和排出煤的体积临界值比较，评判地应力指标是否达标。

请参阅图4及图5，控制区域煤层的总质量计算方法如下：

M_总＝L₁×h×L₂×ρ

式中：L₁为控制区域倾向长度，h为控制区域煤厚，L₂为控制区域走向长度，ρ为该区域煤的密度。

控制区域煤体总体积计算方法如下：

控制区域倾向方向上钻孔个数为i，计算方法如下：

控制区域走向方向上钻孔个数为j，计算方法如下：

其中，r位抽采半径。

钻孔依次为z11、z12、z13……z_i×j-1、z_i×j，对每个钻孔排出煤的煤体进行称重，其质量分别计为m₁、m₂……m_i×j-1、m_i×j。

控制区域钻孔排出煤的质量为M_煤，计算方法如下：

M_煤＝m₁+m₂......m_i×j-1+m_i×j

排出煤的体积计算方法如下：

通过计算排出煤的体积除以控制区域煤体总体积，即可求出煤层的体积应变ε_v，计算方法如下：

通过计算，即可得出地应力一般危险区地应力卸压效果达标时需排出煤的体积，计算方法如下：

V_排1＝K₁×σ_z×V_总1

式中：V_排1为地应力一般危险区煤层的排出煤的体积临界值；V_总1为地应力一般危险区煤层的总体积。

通过计算，即可得出地应力严重危险区地应力卸压效果达标时需排出煤的体积，计算方法如下：

V_排2＝K₂×σ_d×V_总2

式中：V_排2为地应力严重危险区煤层的排出煤的体积临界值；V_总2为地应力严重危险区煤层的总体积。

将一般危险区和严重危险区实测的排出煤的体积，分别和各自的临界值进行比较，即可评判地应力指标达标，否则重新执行措施。

措施控制区域采用水力化技术后，监测地应力一般危险区和地应力严重危险区的排出煤的体积分别为V₁、V₂，分别和各自的临界值V_排1、_V排2进行比较，评判地应力指标是否达标，如未达标则继续执行水力化措施。

只有瓦斯危害一般危险区和严重危险区的排出煤的体积均大于各自的临界值时，则评判煤巷条带控制区域地应力指标达标，判别关系式如下：

V₁＞V_排1且V₂＞V_排2；

5、实测残余瓦斯含量及瓦斯指标评价

措施控制区域预抽瓦斯后，测试瓦斯一般危险区和瓦斯严重危险区的残余瓦斯含量分别为W_残1、W_残2，分别和各自的临界值W₀₁、W₀₂进行比较，评判瓦斯抽采是否达标，如未达标则继续抽采直至达标。

当瓦斯一般危险区和瓦斯严重危险区的残余瓦斯含量均小于各自的临界值时，评判煤巷条带控制区域瓦斯抽采达标，判别关系式如下：

W_残1＜W₀₁且W_残2＜W₀₂；

6、评价煤巷条带防突效果

请参阅图3，防突效果评价均分为一般危险区、严重危险区，不同危险区均对地应力指标排出煤的体积、瓦斯指标残余瓦斯含量进行评价，一般危险区和严重危险区的地应力指标、瓦斯指标均达标后，则评判区域防突有效。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

划分区域：将煤巷条带区域划分为一般危险区及严重危险区；

计算临界值：计算一般危险区及严重危险区的地应力评价指标临界值，地应力评价指标为排出煤的体积；计算一般危险区及严重危险区的瓦斯评价指标临界值，瓦斯评价指标为残余瓦斯含量；

实测排出煤的体积：在防突措施实施的过程中，实测措施控制区域的实际排出煤的体积；

实测残余瓦斯含量：采取防突措施后，实测残余瓦斯含量；

评价防突效果：将一般危险区和严重危险区实测的排出煤的体积、分别和对应区域的地应力评价指标临界值进行比较，评判地应力评价指标是否达标；将一般危险区和严重危险区实测的残余瓦斯含量分别和对应区域的瓦斯评价指标的临界值相比较，评判瓦斯评价指标是否达标；当一般危险区及严重危险区的地应力评价指标和瓦斯评价指标均达标，则评判防突效果有效。

2.根据权利要求1所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：“实测排出煤的体积”步骤中，防突措施包括底板岩巷穿层钻孔抽采瓦斯卸压防突及水力化防突。

3.根据权利要求2所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：水力化防突采用水力扩孔或水力割缝对煤巷条带地应力卸压，当煤的坚固性系数f≤0.5时，采用水力扩孔技术，当煤的坚固性系数f＞0.5时，采用水力割缝技术。

4.根据权利要求1所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：“划分区域”步骤中，采用多因素耦合分析法对煤巷条带的地应力危害进行分区，即断层区域、褶曲区域、煤层厚度、倾角及夹矸厚度急剧变化区域、煤柱影响区域、采空区临空巷道区域为地应力严重危险区，其余区域为地应力一般危险区。

5.根据权利要求4所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：地应力一般危险区的排出煤的体积的临界值为V_排1，

；式中：K₁为实验室测试得到的地应力一般危险区煤层体积模量；

为自重应力；V_总1为地应力一般危险区煤层的总体积；

地应力严重危险区的排出煤的体积临界值为V_排2，

；

式中：K₂为实验室测试的地应力严重危险区煤层体积模量；

为地应力严重危险区煤层的地应力大小；V_总2为地应力严重危险区煤层的总体积。

6.根据权利要求5所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：

；

其中，σz为自重应力，MPa；k₁为地质构造引起应力集中系数，k₂为采空区临空造成的应力集中系数；γ为上覆岩层容重，N/m³；H为煤巷埋深，m；V_总1为一般危险区煤层的总体积，m³；V_总2为严重危险区煤层的总体积，m³。

7.根据权利要求1所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：“划分区域”步骤中，按瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数及地质构造情况将煤巷条带区域划分为瓦斯危害一般危险区及瓦斯危害严重危险区。

8.根据权利要求7所述的一种煤巷条带防突效果的双指标评价方法，其特征在于：瓦斯危害一般危险区的瓦斯含量临界值W₀₁= min (8，W_始突，W_{P =0.74}，W_{P =始突})，瓦斯危害严重危险区的瓦斯含量临界值W₀₂= min (6，W_始突，W_{P =0.74}，W_{P =始突})；式中：W_始突为始突深度的煤层瓦斯含量；W_{P =0.74}为瓦斯压力为0.74MPa时的煤层瓦斯含量；W_{P =始突}为瓦斯压力降低到始突深度瓦斯压力时的煤层瓦斯含量。

Images