石门揭煤突出危险性预测技术.ppt

石门揭煤突出危险性预测技术 主讲：韩 颖 博士 TelEmail： 河南理工大学能源科学与工程学院 二零零七年十月,1998.92002.7，中国矿业大学学士 专业：安全技术及工程； 2002.92004.7，中国矿业大学硕士 专业：安全技术及工程； 研究方向：矿井瓦斯防治； 2004.72007.6，中国矿业大学博士 专业：安全技术及工程 研究方向：矿井瓦斯防治； 2007.7至今，在河南理工大学能源学院工作。,煤与瓦斯突出（以下简称突出）是煤矿井下采掘过程中 发生的一种煤与瓦斯的突然运动。它是一种伴有声响和猛烈 力能效应的动力现象。 喷出大量的瓦斯及碎煤； 形成特殊形状的孔洞，并形成一定的动力效应； 瓦斯粉煤流有时带有暴风般的性质； 瓦斯逆风流运行，充满数千米长的巷道。 因此，突出是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一。 目前，随着矿井开采深度的增加，突出次数和强度也逐 渐增加。突出严重威胁矿井安全生产，制约矿井经济效益的 提高。因此，对突出进行有效地防治成为保障突出矿井安全 生产和提高矿井经济效益的重要技术手段。,“四位一体”综合防突体系,石门揭煤突出强度最大,统计资料表明，煤层平巷突出次数最多，约占突出总数的45左 右，石门揭穿煤层的突出次数虽然不多（统配煤矿336次，占总数的5.2 ），但其强度最大，平均强度586.1t（为总平均强度的6.55倍），且 80以上的特大型突出均发生在石门揭煤时。,石门揭煤突出危险性预测的重要性,石门揭煤在突出矿井的安全管理中是一个非常重要的 部分，稍有不慎，就会酿成大祸。近些年来，石门揭煤过 程出现突出事故不绝于耳，给矿井的安全生产带来严重威 胁。 如2004年郑州大平“10.20”事故就是因为石门揭煤引发 了特大型的煤与瓦斯突出，继而引起瓦斯爆炸，造成148人 死亡；2006年1月5日, 安徽淮南矿业集团公司望峰岗煤矿 主井井筒发生一起瓦斯突出事故，井下12名矿工遇难，给 国家和人民的生命、财产造成不应有的损失。 在石门揭煤前进行突出预测，对可能产生的突出灾害 及时采取措施，既能防止突出事故的发生，又能在突出煤 层中加快掘进进度。因此，准确地进行石门揭煤突出预测 技术日益受到人们的重视。,预测方法之一： D、K综合指标法,细则规定,防治煤与瓦斯突出细则（简称防突细则）是国 家为了防治煤与瓦斯突出灾害制定的法规性文件，是总结 了多年现场防突经验的基础上制定出来的，是指导全国突 出矿井生产和设计的规范性文件。尽管该防突细则是 1995年制定的，在没有新的规范出台之前，一般都要按照 现有的防突细则的要求进行煤层的突出预测、防治及 管理。 防治煤与瓦斯突出细则第32条规定， 石门揭开突 出煤层前，应选用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法或其 它经试验证实有效的方法预测工作面突出危险性。,D、K综合指标,式中 D煤的突出危险性综合指标之一； K综合指标之二； H开采深度，m； f煤层软分层的平均坚固性系数； p煤层瓦斯压力，取两个测压孔实测瓦斯压力的最 大值MPa； P煤层软分层煤的瓦斯放散初速度指标。,该法是抚顺煤炭研究分院提出的，其指标是：,临界值确定,综合指标D、K的区域突出危险临界值，应根据 本矿区的实测数据确定。如无实测数据，可参照下 表所列的临界值确定工作面突出危险性。,用综合指标D和K预测煤层区域突出危险性的临界值,预测步骤,采用综合指标进行石门揭煤工作面突出危险性 预测时，应按下列要求进行： 1. 在岩石工作面向突出煤层至少打两个测压钻 孔，测定煤层瓦斯压力p； 2. 在打测压孔的过程中，每米煤孔采取一个煤 样，测定煤的坚固性系数f； 3. 将两个测压孔所测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f； 4. 将坚固性系数最小的两个煤样混合后，测定 煤的瓦斯放散初速度指标P。,煤的坚固性系数的测定,煤的坚固性用坚固系数的大小来表达。常用的测定方法为落锤破碎测定法，简称落锤 法。所测结果采用一种假定指标称为f值。 现场采下煤样，从中选取块度为1015mm的小煤块分成5份，每份重40g，各放在测筒内进行落锤破碎试验。测筒包括落锤(重2.4kg重)，圆筒及捣臼组成。测料的量具包括量筒及量柱。,测定时，将各份煤样依次倒入圆筒8及捣臼9内，落锤自距臼底600mm高度自由下落，撞击煤样。每份试样落锤15次，由煤的坚固程度决定。5份煤样全部捣碎后，倒入0.5mm筛孔的筛子内，小于0.5mm的筛下物倒入直径23mm的量筒内，测定粉末的高度h，试样的坚固系数按下式求得：,式中 f1015煤样粒度1015mm的坚固系数测定值； n落锤撞击次数，次； h量筒测定粉末的高度，mm。,如果煤软，所取煤样粒度达不到1015mm时， 可采取粒度13mm煤样进行测定，并按下式进行换 算： 当f130.25时，f1015=1.57 f130.14 当f130.25时，f1015= f13 式中 f13煤样粒度13mm的坚固性系数测定值。,测定方法存在问题,坚固性系数的测定最先用于地下工程中的岩石强度测 定，岩石的强度一般在f=24以上。但在突出煤体内，f一般 低于0.5。坚固性系数的测定误差较大： 测定方法规定，将煤样用重锤冲击15次，然后测定粒度0.5mm以下煤样的体积，作为计量f值的依据，但从我们的试验结果来看，同种煤样在不同冲击次数下得到的f值相差很大，并且都是第一次冲击时煤样破碎量为最大。因此，同一种煤样的坚固性系数随冲击次数的不同而变化； 坚固性系数是用煤样冲击后所得到的0.5mm以下煤样体积来度量的，但这种松散的煤样在用量筒测量时易受人员操作过程的影响。根据试验研究，同一种煤样在最松散的状态下与充分振动后的测量结果相差1倍。,当仪器接好真空泵和瓦斯(甲烷)罐，而且玻璃塞的磨口上涂好真空油后，仪器即可工作。 首先把煤样3.5g装入杯内，煤样的粒度决定于煤的牌号，对于无烟煤粒度为23mm，其它煤种为0.250.5mm。煤样上放入一层小棉花团，将装好试样的杯口涂真空油并安在玻璃塞上。,煤的瓦斯放散指数P的测定,煤样脱气。打开开关10，扭转测杯的玻璃塞，使内部通路与套筒上玻璃管4的孔口相通，开动真空泵，抽吸煤样中的气体1.5小时。 煤样充气。扭转测杯玻璃塞，使内部通路与管口5相通，甲烷从瓦斯罐经气表流入测杯内，使煤在0.1MPa条件下充甲烷1.5小时。 测定瓦斯放散指数。测定前检查水银压力计的两个水银柱面是否在同一水平上，若不在同一水平线上。应把开关10打开数秒钟，把自由空间和水银压力计空间抽真空后再关上开关10。,依次测定两个测杯煤样，扭转玻璃塞8使测杯内煤样与水银压力计相通。当水银柱面开始变化时，立刻开动秒表，10秒钟时把玻璃塞扭至中立位置(即切断测杯与水银压力计的通路)，但不停秒表，记录水银压力计两汞面之差p1(mmHg)，玻璃塞保持中立位置35秒钟，即第45秒时再把玻璃塞扭转到使测怀与水银压力计相通位置15秒钟。在第60秒时停止秒表，把玻璃塞拧到中立位置，再次读出水银压力计两汞面之差p2(mmHg)，这样该煤样的瓦斯放散指数为,预测方法之二： 初始释放瓦斯膨胀能指标法,煤与瓦斯突出的球壳失稳机理,煤与瓦斯突出过程的实质是地应力破坏煤 体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂纹扩展并 使形成的球盖状煤壳失稳破坏，将原本具有 一定支撑能力的表面破坏煤体抛向巷道，迫 使地应力峰移向深部，继续破坏后续煤体这 样一个连续发展的过程。这一结论称为煤与 瓦斯突出机理的球壳失稳机理。,压出时的残余煤样,球盖状煤片,煤与瓦斯突出过程中的能量耗散规律,突出过程中，煤体的弹性潜能均转化为煤体的破碎功(即增大煤体的 表面能)和提高煤体质点的温度，为煤体内瓦斯能的释放创造了有利 的条件。 在地应力的作用下煤体被破坏后，从煤体中释放出来的初始释放瓦斯 能中具备做功能力的初始释放瓦斯膨胀能是发动突出的真正的动力及能 源。 煤体中的初始释放瓦斯膨胀能的大小随地应力、瓦斯压力的增高而增 高，但随原始煤体强度的增高而降低。初始释放瓦斯膨胀能综合反映了 地应力、煤体强度及瓦斯压力对突出过程的影响。 初始释放瓦斯能及初始释放瓦斯膨胀能主要来自于与大裂隙沟通良好 的各级孔隙内的游离瓦斯能及吸附瓦斯能，但不包括与大裂隙沟通条件 不好的各级孔隙内的游离瓦斯能及吸附瓦斯能。,石门揭煤突出危险性自然影响因素,地应力。地应力越大，则软煤揭开后作用在煤体上的切向应力也就越大，则煤体越容易破坏并且破坏时产生的裂隙越多，向大裂隙中释放出来的瓦斯也越多，突出就越可能发生。 煤层中的原始瓦斯压力。原始瓦斯压力越大，煤体内的瓦斯含量就越大，煤体破裂时单位面积裂隙上涌出的瓦斯量就越多，裂隙中就越可能积聚起较高的瓦斯压力，就越可能撕裂煤体，并将撕裂的煤体抛向巷道。 煤体的强度。突出主要发生在强度较低的软煤中。煤体的强度越低，受地应力作用时煤体就容易破坏，产生的裂隙较多，破坏初始时释放出来的瓦斯量就多，裂隙中就很容易积聚起较高的瓦斯压力，使裂隙扩展并使形成的煤片抛出。 软煤厚度。突出只在软煤中发生与发展，软煤厚度越大，就越容易发生突出。国内外的经验表明，发生突出的煤层中软分层的厚度大多为0.3m以上。 岩石阻挡层及软煤的透气性系数。阻挡层及软煤的透气性系数越大，软煤中靠近阻挡层处的瓦斯压力下降的越快，也越有利于软煤中的瓦斯泄漏。当下一循环进行爆破时，新暴露的煤面上瓦斯压力较低，也就不容易突出。 有些因素在目前的条件下还无法直接定量测定，如软煤中的地应力；有的测定起 来则相当复杂，如原始煤体强度、软煤本身及软煤前阻挡层的透气性、阻挡层的厚度 、钻孔分布及其影响等。,石门揭煤突出危险性人为影响因素,等待时间。当巷道掘进到预定位置以后到再次爆破将软煤揭开之前的时间越长，软煤中的瓦斯泄漏越多，煤层内瓦斯压力的分布越低，工作面爆破推进后，暴露面处的瓦斯压力就越小，也就越不容易引起突出。因此，通过延长等待时间也可以有效地防止突出的发生。 阻挡层的厚度。阻挡层厚度越厚，软煤内的瓦斯泄漏通道越长，同样条件下泄漏的瓦斯就越少。 循环进尺。指由一个暴露面经过爆破推进到下一暴露面的推进长度，它包括炸药爆炸推进的长度和在地应力作用下由煤(或岩)体自行垮落而深入的长度。循环进尺越长，软煤揭开时，暴露表面处及附近的瓦斯压力就越大，突出就越容易启动。 此外，如果在揭煤前进行了打钻探测，由于钻孔有利于软煤中瓦斯泄 漏，则钻孔数量、钻孔分布、钻孔长度、钻孔直径及成孔后到揭煤前的时 间长短都会影响工作面前方煤层的突出危险性。,忽略人为因素影响,在影响突出的众多因素中，人为的因素比较多， 也难以测定。但从对煤层突出危险性的影响来看，人 为因素主要影响软煤中瓦斯的泄漏量及瓦斯压力的分 布，它们不可能增加煤层内的瓦斯压力。人为因素产 生的影响大小主要与软煤及阻挡层的透气性等因素 有关。如果软煤及阻挡层的透气性很小，软煤内的瓦 斯难以泄漏，人为因素产生的影响也就很小。,阻挡层为致密而坚硬的岩石，揭煤前，煤层中的瓦斯没有任何泄漏。,理想石门揭煤模式,优越之处： 按理想石门揭煤条件下进行突出危险性预测，就可以不考虑各种人为因素的影响，这时影响煤层突出危险性的因素只有地应力、瓦斯压力、软煤的原始强度及软煤的厚度等自然因素，需要预测的指标大大减少，突出预测的准确性将大大提高。 实际煤层总存在着瓦斯泄漏情况，其突出危险性总比理想石门揭煤时要小些。按照理想石门揭煤条件进行预测得到的结果并采用相应的措施时，有一定的安全系数。 将实际煤层按理想石门揭煤条件进行突出预测时，在石门揭煤条件下，预测的结果直接反映了工作面前方煤层的突出危险性；如果预测煤层有突出危险，那么，受人为因素的影响或采取了防突措施，该煤层可能不发生突出，这需要进一步预测；如果预测煤层无突出危险，则无论怎样掘进，该煤层不可能发生突出。这样采用少量的突出预测指标进行测定就可以将大量的非突出区域划分出来，有利于加快掘进的速度。,预测指标,在理想石门揭煤条件下，影响煤体突出危险性 的因素有地应力、瓦斯压力、软煤的强度及软煤的 厚度等自然因素。而根据球壳失稳理论，煤样的初始 释放瓦斯膨胀能是一个反映地应力、瓦斯压力及煤体 强度在突出过程中的作用的综合指标。地应力、瓦斯 压力越大，软煤强度越低，则煤体破坏后的初始释放 瓦斯膨胀能就越大，煤体越容易突出。同时煤样的初 始释放瓦斯膨胀能可以准确测定。因此，理想石门揭 煤条件下的突出预测只需测定煤样的初始释放瓦斯 膨胀能和软分层厚度这两项指标。,突出模拟装置示意图,在理想石门揭煤条件下，影响煤层突出的因素只有地应力、瓦斯压力、煤体强度及软煤厚度。,压力机及突出装置布置,非突出,弱突出(压出),突出1,突出2,初始释放瓦斯膨胀能测定系统,初始释放瓦斯膨胀能指标的测定,从现场采取的煤样中称取一定重量的煤样，放入初始释放瓦斯膨胀能 测定装置的煤样罐中。抽真空8 小时。再充入瓦斯至煤层的原始瓦斯压 力，在恒温条件下稳定8小时(稳定的温度为煤层的温度)。在测定之前，设 置好三个压力传感器的测定速度，各段的切换临界值。打开电磁阀与中压 及微压传感器之间的截止阀，使煤样罐与电磁阀连通。快速打开渐缩喷口 上的球形阀，计算机立即进行测定工作，并将测定各时刻罐内气体的总压 与总温数据记录存盘。 在煤样罐中放置体积与煤样相同的铁块，在同样的条件下进行测试。 由于铁块不吸附瓦斯，因此这时测出的是罐内死空间中涌出的瓦斯总压与 总温的数据。通过数据处理可以计算出两次从喷口中涌出的初始释放瓦斯 膨胀能，两者相减就是从煤样中涌出的初始释放瓦斯膨胀能指标。,煤与瓦斯动力现象分类预测,突出动力现象的判别函数,弱突出临界值42.98 mj.g-1，突出临界值103.8 mj.g-1,以煤样的初始释放瓦斯膨胀能和煤层厚度作为预测指标 时可以将突出模拟的结果分为三类：非突出、弱突出、突 出，预测的准确率为100%。但试验也表明，预测指标中的软 煤厚度对突出的敏感性远小于初始释放瓦斯膨胀能，仅仅用 初始释放瓦斯膨胀能也能准确预测石门揭煤的突出危险性， 预测的准确率达到96%以上。在石门揭煤突出预测中，初始 释放瓦斯膨胀能指标的突出临界值是：弱突出时，初始释放 瓦斯膨胀能为42.98mj/g；突出时，初始释放瓦斯膨胀能为 103mj/g。,初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系,国家自然科学基金资助项目（50274067）,由于突出模拟试验得出发生大型突出与弱突出时初始释放瓦斯膨胀能的 临界值分别为103.8 mJg-1和42.98 mJg-1，根据图5和图6 可以很容易确定， 河南磴槽煤矿7井的二1煤层要避免出现突出模拟试验中的大型突出和弱突出 ，在石门揭煤前，巷道及巷道周围局部煤层中的瓦斯压力应该降低到0.551 MPa和0.228 Mpa以下。而开滦马家沟煤矿12#煤层在石门揭煤前，瓦斯压力 只需降低到1.2632 MPa以下就可以避免出现弱突出。不过，值得指出的是， 以上的测量结果是针对所采取的煤样来说的。由于在煤矿现场的煤层中，非 均质性特别明显，不同地点不同位置采取的煤样是有差别的。不同地点煤样 的初始释放瓦斯膨胀能及定量的变化规律需要实测才能确定。但以上的测定 结果说明，初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力之间是一种线性关系。在实际的 石门揭煤过程中，只要在工作面前方采取煤样进行少量的测定，就能确定该 处煤层的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系曲线；在瓦斯排放过程中， 根据这种关系曲线，就能依据巷道周围布置的残余瓦斯观测压力表，定量地 依据初始释放瓦斯膨胀能来判断预排瓦斯的防突效果。,上述分析结果给我们提供了一种新的石门揭煤预 排瓦斯前后预测和监测煤层突出危险性的方法。当然 ，在目前防治煤与瓦斯突出细则尚未修改的情况 下，为保证安全，实践中最好还是采用较为保守的压 力值为好，如河南磴槽煤矿7井的二1煤层，石门揭煤 前瓦斯压力最好降低到0.228 Mpa以下；而开滦马家沟 煤矿12#煤层，瓦斯压力最好按照防治煤与瓦斯突出 细则的规定降低到0.74 Mpa以下。,石门揭煤突出预测指标的试验研究,马家沟矿的瓦斯膨胀能指标Wp可以更 加准确地反映石门揭煤过程中煤与瓦 斯突出的危险程度。,预 测 步 骤,原始煤层瓦斯压力测定； 打钻采取煤层内的完整煤芯； 测定煤芯煤样的D、K综合指标； 测定煤芯煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标； 根据D、K综合指标测定值及初始释放瓦斯膨胀能指标测定值判断石门揭煤的突出危险性； 提交研究报告。,原始煤层瓦斯压力测定,测压原理 煤层瓦斯压力测定的原理是向煤层打一钻孔，深入煤 层内，通过钻孔在煤孔内布置一根瓦斯管与外界沟通，连 上瓦斯压力表，封闭钻孔与外界的联系。此时，由于煤孔 内的瓦斯已经向外放散，压力较低，煤孔周围的煤层中瓦 斯向煤孔内运移，压力逐渐增高。由于煤孔周围的煤体体 积远大于煤孔的空间体积，煤层内的吸附瓦斯量又比游离 瓦斯量大得多，故经过一段时间的瓦斯渗流，煤孔内的瓦 斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力，从外部的压力表上 可以读出煤孔内的瓦斯压力值。,测压方法“粘液封孔器”测定法 液态密封法就是中国矿业大学周世宁教授发明的“粘液封孔 器”测定法，在进行钻孔的封孔测压工作中，该封孔器采用两个 胶囊，它们之间充上压力较高的粘液，并保持粘液的压力始终 高于钻孔里端瓦斯室的气体压力。形成一段胶囊封粘液，粘液 封被测气体的这样一个体系，这样杜绝了煤孔中的瓦斯气体向 外泄漏的通道，可以从与瓦斯室相连的压力表上测出煤层的 瓦斯压力值。见下图所示。,粘液封孔器测压原理图 1-瓦斯入口；2-第一胶囊；3-粘液段；4-第二胶囊；5-压力水管,该封孔器操作简便，一小时便能完成整个封孔 工作，并可重复使用。为了缩短测压时间，可通过 封孔器上的专用阀门向瓦斯室内补充气体，24小时 即可测得煤层原始压力值。在实际测定中，为了保 证测准，我们通常是再等待一天，观察压力值是否 发生变化。为保证测压的可靠性，每次打两个测压 孔，取所测的较大值为该煤层的原始瓦斯压力。这 种方法主要用于测定时间较短，要求很快拿出测定 结果的条件下。,测压装置的试验检验 煤层瓦斯压力的测定是石门揭煤突出预测的关键，为了保证测压数 据的准确性，测压装置本身是否准确可靠是非常关键的。因此在下井正 式测定之前，在试验室内进行检验非常必要。 检验过程在试验室进行，将测压装置放入一个钢制的模拟钻孔中， 用压力泵向两个密封胶囊中充入压力水，使得胶囊鼓起，封住钻孔；然 后用另一压力泵向钻孔的粘液段压入粘液；再用压气瓶向瓦斯室充入二 氧化碳气体。要求胶囊的水压力比粘液高1MPa，粘液的压力比瓦斯室的 气体压力高1MPa。经过一天一夜的稳定，如果胶囊的压力，粘液段的压 力及瓦斯室的压力保持稳定，则说明整个粘液封孔器装置是可靠的。如 果有泄漏，则要找出压力下降的原因，确保粘液封孔器