CN112730796B - 一种煤与瓦斯突出危险性评判方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种煤与瓦斯突出危险性评判方法。本方法充分考虑极限能量对煤体弹性能、瓦斯膨胀能和破碎能量及抛出能量的影响，对各类措施作用后的煤体是否消突进行准确估计，能够精准确定各类措施作用后卸压消突范围，相较于以前单纯依据采用瓦斯含量判定是否发生煤与发生突出，通过充分分析各类措施对导致突出的各种因素的能量影响最终进行判定，为各类措施防突范围的精准确定提供了依据，基本上保障了各类防突措施对突出煤层消突的真实性和客观性，能够获得较为准确的无突出危险性范围，为被煤矿安全开采提供有力保障。

Description

一种煤与瓦斯突出危险性评判方法

技术领域

本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种煤与瓦斯突出危险性评判方法。

背景技术

在煤与瓦斯突出的治理过程中，如何降低地应力、增加渗透率、提高瓦斯抽采效果，是煤与瓦斯突出防治的关键。而煤与瓦斯突出的各类作用机理中，各类因素对于突出的贡献或者阻碍均可以通过能量形式进行表示，目前一般认为煤与瓦斯突出的过程中，各类能量已经全部参与突出，但在实际突出发生的过程中，并非所有的能量都参与煤与瓦斯突出，这些处于极限状态的能量并未完全被释放，导致目前用能量方法判断是否会发生突出有获得的结论偏保守，最终造成全部能量耗散对突出的判定不够准确。

因此，亟需发明一种考虑极限能量的煤与瓦斯突出判定准则，准确判定消突范围，这对于煤矿的安全高效生产有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，包括以下步骤：

1)根据煤层瓦斯地质基本信息，对煤层进行地质单元划分。

2)测定各地质单元内的地应力σ₀，并取样测量煤体基本参数。其中，所述煤体基本参数包括弹性模量E₀、泊松比μ₀、内聚力c₀和内摩擦角

3)确定各地质单元内能量释放区体积。

4)测定地质单元内煤层瓦斯含量，并通过Langmuir方程计算得出瓦斯压力。通过式(1)计算得出能量释放区内参与突出过程的瓦斯膨胀能。

式中，V为参与突出的瓦斯的体积。p₀为煤层瓦斯压力。p_a为大气压力。

5)在实验室模拟井下瓦斯突出，测量突出破坏后煤体的极限平衡参数。根据极限参数计算得出极限平衡弹性能和极限瓦斯膨胀能。其中，所述极限参数包括极限弹性模量E_c、极限强度σ_c和极限瓦斯压力p_c。

6)测定突出破坏后煤体坚固性系数f值，并根据极限瓦斯压力进行修正。通过式(3)计算煤体的破碎功。

f＝1.088exp(-0.122p_c) (2)

W_破碎＝ξf^λY_piB (3)

式中，ξ为比例系数。λ为常数。β为常数。B为突出煤体质量。Y_pi为破碎成0.22mm以下的煤粒质量占突出煤粒总质量的百分比。

7)通过式(4)计算抛出功的大小。

式中，ρ为煤体的密度。V_s为能量释放区体积。v为抛出速度。

8)根据能量判据方程式(5)判定不同地质单元是否会发生突出。根据结果划分煤层突出危险区域。

δW＝W_弹性能+W_{瓦斯膨胀能}-W_抛出功-W_破碎功-W_{极限平衡弹性能}-W_{极限瓦斯膨胀能} (5)

煤体的极限瓦斯膨胀能采用下式进行计算：

将煤层中δW＞0的区域划分为突出区域，δW≤0的区域划分为非突出区域。

进一步，煤体弹性能采用式(6)进行计算。煤体处于突出的极限平衡状态时弹性能采用式(7)进行计算。

式中，R_p表示掘进头的塑性区半径。R_p1为能量释放区半径。L为能量释放区在x方向的长度。其中k与地应力和煤体的物理力学性质相关采用下式表示：

进一步，步骤8)之后，将突出危险区域划分结果覆盖到矿井的采掘工程平面图上的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：充分考虑极限能量对煤体弹性能、瓦斯膨胀能和破碎能量及抛出能量的影响，对各类措施作用后的煤体是否消突进行准确估计，能够精准确定各类措施作用后卸压消突范围，相较于以前单纯依据采用瓦斯含量判定是否具有突出危险性，通过充分分析各类措施对导致突出的各种因素的能量影响最终进行判定，为各类措施防突范围的精准确定提供了依据，基本上保障了各类防突措施对突出煤层消突的真实性和客观性，能够获得较为准确的无突出危险性范围，为被煤矿安全开采提供有力保障。

附图说明

图1为评判方法流程图；

图2为掘进进尺L后围岩应力状态；

图3为掘进头与采煤工作面煤与瓦斯突出判定示意图；

图4为保护层开采被保护层突出判定示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例提供一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，包括以下步骤：

1)根据煤层瓦斯地质基本信息，对煤层进行地质单元划分。

2)测定各地质单元内的原始地应力或防突措施作用后地应力σ₀，并取样测量煤体基本参数。其中，所述煤体基本参数包括弹性模量E₀、泊松比μ₀、内聚力c₀和内摩擦角

3)确定各地质单元内能量释放区体积。能量释放区的确定依据图2所示煤巷掘进工作面模型展开。如图3所示，原塑性区和新塑性区半径相同。采掘工作面推进前，塑性区球心为O，采掘工作面推进后，新的塑性区球心为O₁。

4)测定地质单元内煤层瓦斯含量，并通过Langmuir方程计算得出瓦斯压力。通过式(1)计算得出能量释放区内参与突出过程的瓦斯膨胀能。

式中，V为参与突出的瓦斯的体积。p₀为煤层瓦斯压力。p_a为大气压力。

5)在实验室模拟井下瓦斯突出，测量突出破坏后煤体的极限平衡参数。根据极限参数计算得出极限平衡弹性能和极限瓦斯膨胀能。其中，所述极限参数包括极限弹性模量E_c、极限强度σ_c和极限瓦斯压力p_c。

6)测定突出破坏后煤体坚固性系数f值，并根据极限瓦斯压力进行修正。通过式(3)计算煤体的破碎功。

f＝1.088exp(-0.122p_c) (2)

W_破碎＝ξf^λY_piB (3)

式中，ξ为比例系数。λ为常数。β为常数。B为突出煤体质量。Y_pi为破碎成0.22mm以下的煤粒质量占突出煤粒总质量的百分比。

7)通过式(4)计算抛出功的大小。

式中，ρ为煤体的密度。V_s为能量释放区体积。v为抛出速度。

8)根据能量判据方程式(5)判定不同地质单元是否会发生突出。根据结果划分煤层突出危险区域。

δW＝W_弹性能+W_{瓦斯膨胀能}-W_抛出功-W_破碎功-W_{极限平衡弹性能}-W_{极限瓦斯膨胀能} (5)

将煤层中δW＞0的区域划分为突出区域，δW≤0的区域划分为非突出区域。

煤体弹性能采用式(6)进行计算。煤体处于突出的极限平衡状态时弹性能采用式(7)进行计算。

式中，R_p表示掘进头的塑性区半径。R_p1为能量释放区半径。L为能量释放区在x方向的长度。其中k与地应力和煤体的物理力学性质相关采用下式表示：

煤体的极限瓦斯膨胀能采用下式进行计算：

9)将突出危险区域划分结果覆盖到矿井的采掘工程平面图上。

实施例2：

本实施例主要步骤同实施例1。参见图2，本实施例用于掘进头与采煤工作面煤与瓦斯突出判定。在本实施例中，掘进头与采煤工作面前方煤体弹性能根据煤体前方的应力集中系数来获得前方应力集中部位的弹性能，通过原始地应力确定煤体极限弹性能。掘进或回采前通过瓦斯快速测定装置测定应力集中区域瓦斯含量并通过Langmuir方程计算瓦斯压力最终计算得出瓦斯膨胀能，通过原始地应力处的瓦斯含量来确定极限的瓦斯膨胀能。通过取本煤层的煤块体带到井上进行落锤法实验确定破碎功。抛出功在可依据相同已发生突出煤层突出后煤体抛出距离来反演计算获得。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例1。参见图3，本实施例用于保护层开采被保护层突出判定。在本实施例中，测定被保护层保护边界附近的地应力前方煤体弹性能根据煤体前方的应力集中系数来获得前方应力集中部位的弹性能，通过原始地应力确定煤体极限弹性能。掘进前前方通过瓦斯快速测定装置测定应力集中区域瓦斯含量并通过Langmuir方程计算瓦斯压力最终计算得出瓦斯膨胀能，通过原始地应力处的瓦斯含量来确定极限的瓦斯膨胀能。通过取本煤层的煤块体带到井上进行落锤法实验确定破碎功。抛出功在可依据相同已发生突出煤层突出后煤体抛出距离来反演计算获得。

Claims (3)

1.一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据煤层瓦斯地质基本信息，对煤层进行地质单元划分；

2)测定各地质单元内的地应力σ₀，并取样测量煤体基本参数；其中，所述煤体基本参数包括弹性模量E₀、泊松比μ₀、内聚力c₀和内摩擦角

3)确定各地质单元内能量释放区体积；

4)测定地质单元内煤层瓦斯含量，并通过Langmuir方程计算得出瓦斯压力；通过式(1)计算得出能量释放区内参与突出过程的瓦斯膨胀能；

式中，V为参与突出的瓦斯的体积；p₀为煤层瓦斯压力；p_a为大气压力；

5)在实验室模拟井下瓦斯突出，测量突出破坏后煤体的极限平衡参数；根据极限参数计算得出极限平衡弹性能和极限瓦斯膨胀能；其中，所述极限参数包括极限弹性模量E_c、极限强度σ_c和极限瓦斯压力p_c；

6)测定突出破坏后煤体坚固性系数f值，并根据极限瓦斯压力进行修正；通过式(3)计算煤体的破碎功；

f＝1.088exp(-0.122p_c) (2)

W_破碎＝ξf^λY_piB (3)

式中，ξ为比例系数；λ为常数；B为突出煤体质量；Y_pi为破碎成0.22mm以下的煤粒质量占突出煤粒总质量的百分比；

7)通过式(4)计算抛出功的大小；

式中，ρ为煤体的密度；V_s为能量释放区体积；v为抛出速度；

8)根据能量判据方程式(5)判定不同地质单元是否会发生突出；根据结果划分煤层突出危险区域；

δW＝W_弹性能+W_{瓦斯膨胀能}-W_抛出功-W_破碎功-W_{极限平衡弹性能}-W_{极限瓦斯膨胀能} (5)

煤体的极限瓦斯膨胀能采用下式进行计算：

将煤层中δW＞0的区域划分为突出区域，δW≤0的区域划分为非突出区域。

2.根据权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，其特征在于：煤体弹性能采用式(6)进行计算；煤体处于突出的极限平衡状态时弹性能采用式(7)进行计算；

式中，R_p表示掘进头的塑性区半径；R_p1为能量释放区半径；L为能量释放区在x方向的长度；其中k与地应力和煤体的物理力学性质相关采用下式表示：

3.根据权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出危险性评判方法，其特征在于：步骤8)之后，将突出危险区域划分结果覆盖到矿井的采掘工程平面图上。

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