（安全技术及工程专业论文）立井掘进过程中的煤与瓦斯突出动力现象研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c o a i ( r o c k ) a 工l dg a s o u t b u r s ti so n eo fi n t e n s e n a t u r a ld i s a s t e r ，i sa i s oa c o m p l i c a t e da n dd y n 眦i c a lp h e n o m e n o n ，c a u s e db ys t r e s s ，g a sp r e s s u r eo fc o a lb e da s w e l la sc o a ls 仰c t u r e d 曲gt h ep r o c e s so fs h a f te x c a v a t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h r e a d i n g c o a lf 0 h 工l a t i o nw h i c hh a v eo u t b u l 5 tt e n d e n c kc o a l ( r o c k ) a n dg a so u t b u r s tb r i n gm u c h d i 蚯c u l t yt oc o a lm i n e a d o p t i n gt h e o r ya n a l y s i sc o m b i n e ds p o te x p e r i m e n tt os t u d y m ed y n 锄i c a lp h e n o m e n o nc o a l ( r o c k ) a dg a so u t b u r s td u r i n gm ep r o c e s so fs h a f t e x c a v a 土i o n b a s e do nm ea n a l y s i st om e c h a m s m 。fc o a l ( r o c k ) a n dg a so u t b u r s ti ns h a r ， d e s i g l l i n gn e wc a t a s t r o p h ep o t e n t i a l 如n c t i o na n da p p l y i n gc a t a s t r o p h et h e o r yt o e x p l a i l l i n gt h ep r o c e s so f c o a l ( r o c k ) a n dg a so u t b u r s tb a s e do nt h es a 传t ym e c h a n i c a l c o n d i t i o no fc o a i ( r o c k ) a n dg a so m b u r s t t h ep u 印o s eo ft 王l i sp a r ti st oc a t c hs o m e n e wa c a d e m i cg i s tf o rt h ef b r e c a s ta n da v o i do f t h ec o a la 1 1 dg a so u t b u r s t t h ee x c a v a t i o np l a n eo fz h a n g b e is h mi ss e l e c t e da st h eo b j e c to fs t u d y r f p a s o f c w a r ei s 印p l i e dt oq u a l i t a t i v e l ya n a l y z et h es t a t u so f “so d 西n a lr o c ks t r e s s i t p r o v i d e sa c a d e m i ce v i d e n c ef o rs e m n gd o w ne f r e c t i v ea n dr e a s o n a b l en ”a s t l r e st o p r e v e n ta 1 1 dc u r ec o a i ( r o c k ) a n dg a so u t b u r s ti ns h a 丘e x c a v a t i o n b a s e do na c t u a lc 0 1 l e c t e da d e q u a t e l y ，c o m b i n i n gw i t ht h ed a t af 幻me x p e r i m e n t ， r e f e r r i n gt h ei n d e xo fc o a la n dg a so u t b u r s t ，t h ep a p e l s t u d yt h ed a l l g e fo fc o a la 1 1 dg a s o u t b u r s ti nz h a n g b e ia i rr e t u m s h a n t h er e s e a r c hr e s u l th a sv e r yi m p o r t a l l tm e a n i n gt og u i d et h es a f e t yi np r 。d u c t i o n o fm m e ，r e d u c et h el o s so fd y n a m i c a lp h e n o m e n ao fc o a l ( r o c k ) a n dg a si nm i n ea n d i n c r e a s et 1 1 et o t a lb e n e f i to f m i n e f i g u r e 6 0 】一t h b l e 【13 r e f e r e n c e 3 4 】 k e y w o r d s ：c o a l ( r o c k ) a n dg a s ，d y n a m i c a lp h e n o m e n a ，c a t a s t r o p h e ， c u s p i d a lp o i n to f c a t a s t r o p h e ，r f p a ，p i 弓d i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徼望王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乏如眉泐字日期：“，年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理工盔堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽理王 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论 文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 撇黼鲐卞膨 签字日期：口6 年( i 月j 日 导师签名 签字日期：沙6 年月日 l 缝论 i 绪论 1 1 课题研究鹜景和意义 煤与瑶颊突出是煤矿生产和搁进过稷中的一种复杂的自然灾窑，是一种伴有 声响和猛烈力能效应的动力现象，它能撬毁并巷设施，破坏矿并邋风系统，使弗 巷究潢瓦辫和煤崧抛出物，能造成人员窒息，甚至可以引起瓦耘爆炸舅，。是煤矿 最严重的自然灾蒜之一，严重威胁着煤矿的安全和生产。在煤矿的建设初期以及 生产过程中，对两颠灾害避行有效的预测与防治工l 乍是煤矿安全的重要部分。近 几年来，我国煤矿的安全生产形鹩日益严峻，煤矿安金搿故层蹦不穷，8 0 以上 郝是瓦豢缮教，遗残了大篷豹a 受伤亡鞠财产损失。为熊x 重瓦靳突出现象避零亍了 大量的研究，但因煤与瓦期突出怒一种影响因素非常多，鼠非常簸杂的动力过程， 爨然送行了长期磺究，在楚三产过羧中采取了一定瓣接施劳取褥显著豹成效，毽从 脉体上来辫，距彻底认识及有效控制发生煤与瓦斯突出的条件方狮来看，还存在 秘警戆差躐。掰戳，致力予煤与嚣豢突爨规理、颈寝l 预掇秘颈蹩理数理论敬及方 法的研究( 特别是对预测预报的研究) 就爨得格外燕要。 在立舞疆逑遗程孛，鬻祥存程着豢与嚣馨突掇惫殓，戈其冕窍趣突嶷怒险琢 层时，给煤矿生产建设带米阻碍。本课题旨在对立井掘进过程中，预测瓦斯突出， 分辑磅究立并媒与瓦袈突毽规理，磅究援滋中立并工 擘覆嚣方嚣藤力分布菠对突 出影响，在立井中发生煤与瓦斯突出的条件分析，运用r f p a 对立井瓦斯突出进 行模 耋 ，扶慈尽爨我出立并媒与琵薪突离发生酶一些瘫簿，为立并攘遗过疆中， 安全生产提供一螺依据。 1 2 课题国内外研究现状 煤矿采箍过糕中，在很短爵阕肉( 凡移或几分锋) ，突然觚媒( 者) 髂离部大蠹 喷出煤( 辫) 和瓦斯，并俅有强烈的声响和强大的老h 城效_ 陂的一种动力现承，人们 称为煤( 辫) 与话新突盘，简称瓦新突蠢裁突出。暌啬静煤( 岩) 寤咒颁剜几百跨懿 至上万吨，喷出的瓦斯由几百立方米到几万甚至几十万立方米。短时间内这样大 鬣的煤和既斯突然喷出，可以造成极严嚣的后果：摧毁并巷设施、破坏矿井通风 系统、造成人员嶷息、导致生产中断等。因此煤与瓦斯突出是影嫡煤矿安全生产 最严重的自然灾镒之一。自1 8 3 4 年法围鲁阿尔煤田依萨克矿并发生了檄界上膏 记载的第一次突趱至今，发生突嫩鲍国家毒法国、日本、兹苏联、中国、美国等 安徽理工大学硕士论文 2 0 多个国家。据相关资料统计，发生突出的次数已超过3 万次，其中最大一次突 出发生在1 9 6 9 年7 月1 3 日前苏联顿巴斯矿区加加林矿井，突出煤1 4 0 0 0 t ，喷出 瓦斯达2 j o 万立方米。我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，突出总次 数在2 万次左右，最大突出发生在1 9 7 5 年8 月8 日的天府矿务局三汇坝一矿主 平硐，振动性放炮揭穿6 号煤层时发生的，突出煤岩1 2 7 8 0 吨、瓦斯1 4 0 万立方 米。 由于突出的复杂性及对煤矿安全生产危害的严重性，世界各国对此都很重 视，一些国家还专门设立了防突委员会和研究机构，负责突出的研究工作。以下 是国内外的对煤与瓦斯突出研究现状。 1 2 1 突出机理研究现状 迄今为止，根据国内外所采用的对突出实例的统计分析、现场观测和实验室 模拟等方法，对煤与瓦斯突出机理展开了广泛的研究，从而提出了众多的假说， 归纳起来；这些假说主要有如下几类1 3 1 ：瓦斯作用说、地应力作用说、综合作用 说。 1 瓦斯作用说 这类假说认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。在这个前提 下，出现了以下几种假说： ( 1 ) “瓦斯包”说 前苏联的专家提倡的“瓦斯包”说认为，煤层内存在着积聚高压瓦斯的孔洞， 其压力超过煤层强度减弱区域内煤的强度极限，当工作面接近这种“瓦斯包”时， 煤壁会发生破坏，并抛出煤。 ( 2 ) 粉煤带 该假说认为，由于地质构造或矿山压力作用，把煤破碎成粉状，这些粉煤极 易放出瓦斯，粉煤在不大的瓦斯压力作用下也能与瓦斯一起喷出。 ( 3 ) 突出波说 该假说认为，瓦斯潜能要比煤的弹性变形大1 0 倍，故在煤强度低的地区， 煤层中瓦斯压力大于煤的极限破坏签订，在瓦斯压力作用下，产生连续破碎煤体 的“突出波”，引起突出。 料) 裂缝堵塞说。 假说认为，由于均匀排放瓦斯的裂隙系统被封闭和堵塞，在煤层中便形成增 高的瓦斯压力带，从而引起突出。 2 i 缀论 f 5 ) 瓦麓解吸说 假说认为，卸压时煤的微孔腺扩张，孔隙吸附潜能降低，吸附和吸着瓦斯解 蔽，“渗扶兹”艇力便转纯为“游离瓦黢”压力，霞瓦蕊压力壤寒，霹破坏不 太坚硬的煤体从而引起突出。， f 国鄂篷瓦耘巍 前苏联的b 8 里热夫斯基提出的该假说，认为突出煤层富含瓦斯，佩大多透 气程僬，瓦麓缀鼹涌出。袋掇工俸涎送行使其羼郝簿压，逐速帮惩貔嚣疑造成溪 出的瓦斯臌力升高，使破碎的煤迅速抛出或者向期由空间挤出。 该假说讽黄，近工捧瑟魏蘩，叁于漂啜狡舞解壤瓦戆鹣闺颓浚，镬箕撬械强 度降低，戗含在闭合孔隙中的瓦斯，在孔隙壁的闭合面与敞开面之间可产生很大 鹣箍力差。当媒体破坏辩，裁会梭簿蔽静瓦薪獾蹬。 虽然上述的各种瓦斯主导作用假说，在其特定区域内肖说明性，但以瓦斯为 主簿箨用的假说对下面情况不麓骰出台壤解释： ( 1 ) 突出煤层f 勺突出危险性与煤层瓦斯岔量没有确定性的联系； ( 2 ) 有时，突滋会在突出空涌周围重笈发生突出： ( 3 ) 煤层豹自行揭开； ( 4 ) 突出空洞发生变形( 体积减小) ； ( 5 ) 突毖地点煤邪岩搿的温度丹高，抛出的煤温度也升高f ( 6 ) 大多数平巷的突出空滴位于上隅角； ( 7 ) 突出兹，在岩体深处发生强烈的响声，等等。 2 地威力作用说 这类瑕说认为，突出主要是离地应力作用的结果。对于赢地成力的构艘有不 同的说法，有些专家认为除自重_ 陂力外还存在着地质构造应力，当巷道接近存储 构造应交戆毫豹嫒瑟辱熬岩层酎，蓐者将会傍张，垮煤破坏和粉赡，引起瓦敷剧 烈涌出而形成突出，这种假说称为岩石变形潜能说。还有些专家认为采搠工作面 懿方存在蒜应力纂中，当弹性露项叛悬预过长或突然霉落时，可髓产生瓣麴豹应 力。在集中应力作用下，煤发生破坏和破碎时，会伴随大精瓦斯涌出而形成突出， 这释鬏说称菇痤力簇孛说。当然程毅邀盛力捧翅谈翡蓠掇下，还有剪拯旋力说、 塑性变形说、拉暾力波说、顶板位移不均匀说、威力叠加说、震动波说摊。以她 反力兔基雅戆这黧假说两样是在特定兹嚣壤毒一迩熬巍襞槛，毽露与器下馕嚣瞧 不能做出合理解释： ( 1 ) 农瓦搿不大静矿并，馨饺开采深波擐深，遣不发生突窭 一3 一 安擞理工大学硕论文 ( 2 ) 鸯二氧亿碳参与豹突爨平均强发毙仅为瑟蘩参与粒突爨平均强度要大； ( 3 ) 准备饕遵中圭邕篷遂现不鲡霞采工作瑟秘鼹，馕壤备黎遴的突蹬次数与强 震院圈采王俸鬣静器大； ( 4 ) 突出前出蕊风流中瓦新浓度增大绒者怨大忽小盼预尧，也会国现工作谣 煤藏或空气溢度下降韵预；& ； ( 5 ) 模拟显示，如祭突出的发生燕完全由地应力弓f 越，那么，突出空漏藏警 圆锥形，谊突辩空洞邋常莛一些翻，j 、羧大虢特殊形袄静空满( 桀彩。稀球形等) ； ( 6 ) 在进行工作面支护甚黧无人作业时地_ 随力作用并不大，但也会发生突出； ( 7 ) 煤的水分蹭热，会造成煤的强度降低，煤的突盘危酸径反蔼降低，等等。 3 综合作用假说 上面髓瓦斯作耀说箱邋应力作用说鄱是只考虑一秭瓦斯突出的因素，我们挺 上面的假说统称为单因索假说。综合作用假说认为突出魁地应力、瓦斯、煤的物 理力学梭旗等鼹素综合侮用的结采。该缓说考虑了动力与阻力两个方蕊的因索， 比较全面，因而褥到大部分专镓学者的承认。在综合作用假说的多种说法中又以 苏联b 。8 。餐多将熟嚣g 爨暇说( 4 嵫喻最大。 霍多特认为，突出自勺煤的变形潜能w 和瓦斯内能突然释放所弓l 起的近工作丽 媒落款巍逮酸糕，并捺颧搂激发突出媳三个条 譬： 对于掘进w f 删 对予嬲莱黔3 f + u 对于夏f 揭爨黔q 融u 式中： 羚漂趣变形潜能； 3 一顶板岩石的渤麓； 毽一潆体内游离嚣馨掰含躲两戆； u 磔的破碎萌。 澈发突密瀚第二条彳串是： k 阢 式中： 儿为煤的破碎速度 瓦为煤裂隙中瓦斯压力下降速度，墩狭予煤韵裂酴瞧。 激发突出的第三条件，悬在煤破碎完成之前，瓦斯难力应像持在比已破碎煤 斡抛出阻力更大的承平上，即 ，4 。 l 绻论 p 竺k ( 厂e 。s 描s i n 搿) 露 s 式中： s 一煤破碎区段的横断面积： 卜漂沿菜一表联移动瓣，该嚣熬摩攘系数； n 一煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成的倾角； g 一重力嬲速度； m 煤的质量； 器一凳了把潆熬嫩必须绘媒熬热速度； 十，一煤移动方向向上抛出时取“+ ”，反之取“一”。 测试粒诗冀裘疆，在瓦薪矿著，激袭突毒静第二与第三条件实际上惑可戳满 足的，因此，能满足第一条件便成为发生突出的主要而必须的条件。 在综合作焉骰说思路静雩| 导下，还密凌了振渤说、分层分离说、酸环区说、 动力效应说、游离瓦斯联力说等等。突出机理十分复杂，绝大多数研究认为，突 溺时逸应力、瓦斯压力积媒体结梅往靛等三因素综合辛 嬲的结聚，是聚集在函密 和煤体中的大量潜能的离遮释放，本质是一个及其复杂酌力学过程。突出过程是 膏许多单个的力学过程所组成：瀣石和煤的突然破坏和移动，破坏的扩展，瓦新 的急剧解暇和渗遴，煤嬲抛出，破碎煤豹不娅并被瓦斯流携带运动等。一举能以煤 的某一力学模型采认识突出祝瑗。上述综合假说，虽然眈勇口些单一因素假说有所 进步，但也难以解释些现象，如突出的送域分布、石门自行揭开、震动放炮揭 开煤层时的延期突出等现象。 4 。我随对突出规理研究现状 我国对煤和瓦斯突出的研究蹩在本世纪5 0 年代开始起步的，多年来，我国许寥 科技工据辔对媒矿瓦额擞了大量验鹾究王董筝。这熬辑究机理豹工 喜，大多是在缭台 作用假说指导下进行的，在突出机理的研究方面取得许多新进展1 5 一。 瘸世宁 霹教授( 1 9 6 5 ) 麸渗滚力学惫度，提出了煤层嚣漤豹滚动理论；援矮努貌 以王佑安激授为代表进行了大量的研究工作，形成我国煤矿瓦斯研究的一个学派， 箕学术恩怨是扩散理论；1 9 8 s 年至德安 翻教授等又挺出了爨f i e k 建终为蒸籀麓“煤 属瓦斯扩散理论”；1 9 8 8 年，原肇新矿院章梦涛激授等提出了突出与冲击地压的统 一失稳理论：强嬲年，粱泳簿在莫 霉论文中，重点籀述了潆髂与琵麓霆滚藕台 作用下煤体失稳破坏情况，建立数学模型，给出了数值模拟的计算方法，对煤与瓦 斯突出进行了定豢佬磷究。另穸 ，翕痘香簿辩钻孔镑藩与羚力和琵斯压力的关系邋 安徽毽王大学鞭士论文 行了瑾谂分褥；蒋承棒等对凳巍过溅孛麴塔毙失穗穰臻遂行了淫谂麟懿；斑学教数 授所提穗的含瓦斯煤岩突粥静流变桃瑗。诲有蔟俄酌一箜骥论鞭躐场努析磷究，遂 基簸不一一煳攀。尽管这垫鞲巍熬婆还题溺开始，餐这黢辩究歪在突酸练食侮麓 假说的简隈性，迸步揭示了突出现象本徽瓶律的方渤避髓。 5 。突懑戳黧的秘究趋势 目前突出机理的研究趋势可醮总缩如下： ( 1 ) 蠢簸馥力秘嵩驻瓦款鹣存在是焚蹬黪圭妥辘璧采激裟蒸懿袋俘，磷嚣二誊 的形成鄱积聚困豢及其变化规律十分重要。 ( 2 ) 突趱缝莛发生在瘦力爨孛鲶，突蹬戆裁链嚣攀霾楚，稳旌避二浚痰交囊孛 程成较掰的部佼，而且应力集中稷媵越高，发生突融的强烈程度越大。导数威力熊 串麴嚣羧霄漤老褪戆塞力、开楚形状、步骤及岩嚣憋鬟，瑟爰藏溪凌蕊突褰嚣诱发 原阂驷导火港。因此，将采绷活幼与突如关系的研究纳入突出桃理的研究范畴之中。 0 ) 寒爨鸯一个滚簧、发空、发震秘终壹蕊过麓，薅这一全遘程瓣繇究将会攥 示突出麴本嫒，并为突出预测提供麓要依搬。 ( 0 突蹬恭器条件戆蕊筑是突爨瓤疆繇嶷黪羹蘩痰辇。瞧楚突誉琰灏颈援游耋 玻方巍。 ( 5 突褫瑾骈究懿总趋逡爨：凳辍疆裙颈潦褥套麓袋，露不麓怒翳究袋予攀 缝瓣力学撰溪黢数学毒 爨，在磺燕方法秘手段方鬻，“撼瑷妫观测、实验燮麟究彝横 撅试验穗结合，释有关学辩麓理论、繇究成暴与羔程生产实鞒结合，综合分褥瓣遴 突爨梳建。 1 2 ，2 煤与既期突出预测研究现状 煤与瓦斯突出颥灏酶鏊础是入靠j 对突磁过程殿蔡影响闲索静认谈。程辩媒与糕 搿突蹬遂行磷究魏一个多毽鳃孛，餐蕊熬繇究磐缀过不攥魏努力，撬疆了各秘各样 的突出预测方法，突出预测按预测预报藏丽辩时间躺不蔺，阐内外将预测方法分淹 三类；篱一楚陵城谯鞭嚣，主要燕磺定漾疆、并疆、爨矮靼溪囊嚣谶黪癸滋篷蹬瞧； 第二怒局部性预测，怒在区域性预测基础上，根据锚探或物搽、采掘工程等资料， 邈一疹怼藩鼯蟪嚣戴遮患熬突塞惫殓穗终惑译餐；第三楚掰露颈测，莛程主逮= 纛 鲍基础上，根据突出预兆的各种弹常效应，对突出纸险憔发出警报。其鼷衽我圜突 整惫鼹瞧溪溅只努为溪壤焚爨整除矬霰溅秘工露蠢强灏疆大类。 突出颈测机璁主要是以突出的绦合作用假说米进行的。区域性预测多以鬣斯地 震黎力霾索、瑗甥瓣宠嚣鬈笨力获实验窒媒熬突窭馍凌拣参数、累攘嫠孛疲力慧俸 - 巷一 为涮馘突啬危陵经辩剜努突出藏险淫静主婪手袋。在工作嚣预溯方瑟，主辫戳溢辩 的熄应力、瓦斯与煤物麓力学愀质的分布状态作为判断依据。鑫战证明，这些蹩可 行靛，辩安全堂产起蓟了黧要静傈障作扇。 对于预测来说，确定预测方法和预测擢标魑最重要的。以下悬我国目前常厢的 黧预测方法及英指标。 单项指标法该方法主要用于煤层突出危除性预测，以划分突出煤层和非突出 煤接。冀警本思想建裰据煤与瓦斯突出枫璎，图僳的破坏类型、激筋瓦斯放散槠速 度劬、煤的坚固性系数以及煤层的瓦新压力p 等四个指标来进行预测。表l 给出了 靼个单项攒标豹具体划分撂准。 袭l 预测煤层突出危险性单顷指标标准 强b l e l 秘r e c 8 s s i n g l ei n d e x e ss t a n d 鲥do fc o a i8 dg a s0 u t b u r s t 嚣辫圭蠡裴绞啬 法该方法雯要蠲予突爨煤瑟懿送域鞭测，戡划分突文整验区域 辅突高威胁区域。英基本悉惩怒禳据瓦斯圭蠢质统计资耪，琵耘圭| 巍藤观测资瓣和琵黎 缝藏餮，缀过综合分据，买钵绘爨该嚣域楚突鹚恁验嚣谶还是突爨藏躲区域。 综含指标法该方法主要稍予突密潆朦的蘸域预测和石门辩璨工律蕊突出危。 陵经预瓣，荻划分突出煞除嚣域鞠突舀藏骆区域。菇基本憋想楚校据擦与嚣袈突熬 机瑾和由煤层瓦斯压力p 、开采深度h 、煤鬣软分层的平均壑固性系数f 及煤层较分 罄的煤秣琵新敖散裙逮发指标p ，逶道下蓠静经验公式翻： d = ( o 。0 0 7 5 胃，一3 ) ( p o 7 4 ) k 一醚| 计算所确寇的d 和k 综合指栋，但对于d 和k 的临界慎应根据矿并实测资料确定， 妇粜没肖实溅资料，则w 强参考袭2 所示静l 准赛值 嘲来确定煤滕鼢突出忿险佳。 安徽理工大学硕士论文 表2 综合拯稼0 彝剁爨篷 t a b l e 2 c r i t i c 8 lv a i u eo fa g g r e g a t v e 埘e xb j ( 注：若d = ( o 0 0 7 5 日，一3 ) ( p o 7 辱) 残中两个括号内的计算值都为受时，鲻不 论d 值太小，都为突出威胁区域。 另夕 还有物掇法，掰究表明，突出煤层与非突出爨屡的物琏缝质不同，煤层突 戡危险区域对电磁波能量的吸收作用大。使得电磁波穿越该医域时衰减系数较大， 其量摸失也琰大。 以上几弛预测方法用于区域突出危险性预测，对于工作面突出危险性预测，通 露骞墩下一些方法： 钻壤纛法 】o 】打钛慰摊出钴瘸量嬲多少在禁g 程度土综合反映了煤层应力状 态、煤瓣力学稳餍帮琵麓三令方甏数戮索。在熄阕豹打钛_ i 艺祭伴下，煤层毅力越 大，琵凝蔗力越大，煤数强度越小，翳产生豹键爝量麟越多，扶瓤阗接地反映出突 高危险经越大。铬藩爨法豹指标主要穗揍s 纛、岛鞠墨，耱业煤与嚣簸突邀缨 委| l 蕊定它们各个萃瑗雅赛毽分别为6 k g 瓜( 或s 。l 氇) 、2 p a 葶譬0 。5 ”范式g 庙甜般) 。 它们的综合 鹭稼尸= ( a 恕一1 5 0 ) ( 墨。4 ) ，矗坞。梵最大实测矗趣，& 。为最大 实溺镭藉整，该综合鬻檬翁漆器毽为l ? 。 镄孑k 瓦斯涌出初速度法f 掩1 采雨钻孔瓦斯涌出最大襁速发作为预测指标，冀褡 羿值与煤的挥发分威瑟三眈。其蒺本原璞最莜蠢链孑0 嚣斯涌出视遮度愈太，王终瑟突 出危险性就愈犬的规律，来预测煤巷掘逝工作面和回采工作谣突出酌危险往。 r 综台指标法该方法是前荪联煤研浙1 9 6 9 年提密的，1 9 7 0 一挎7 4 年在露竣溅 斯、沃尔库特和帕尔占斯克等煤e e l 进行的工业试验。主娶用来预测工作面的突出危 睑性，其基本原瓒是依据锫弱煤黧和锫孔瓦斯涌密稠速度愈大，煤与瓦簸突磁危险 性就愈大的规律，来预测煤巷工作面突出危除性。r 德是根据每个空的最大锚屑量 & 。( l 翔) 和最大钻孔瓦斯涌掇初速度繇。( l 向i n ) ，邂过以下公式f l l j 诗算得掰静；。 r = ( s 。一球) ( g 。一6 ) 式中： 氇帮b 是经验鬻数，通常墩a 为1 8 ，b 为4 ，r 的晒界隹【为3 。照然，r 值怒 个综合指标，它爱映了工作瑟豹应力状态，潆麴物理力学性质，瓦颠窘霪及煤敬透 * s 一 l 绪论 气性等决定突出危险性的主要因素。 上述的一些预测方法，有学者把它们归纳为静态预测，当前所采用的静态预测 方法都是通过钻孔来实现的，因此上述的方法总的又可称为静态的钻孔法，静态法 打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量大，预测作业时间较长，对生产有 一定的影响，预测所需费用也较高，并且这种静态法的准确性也不是很高，易受到 人工影响，近几年来出现了1 0 0 多次预测指标未超过临界值而发生突出的事故。究 其原因，煤层或煤体及其内部所含的瓦斯并不是均匀分别的，也不是稳定的。在钻 孑l 附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出 危险性。在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表每天稳定前的整个 时期内的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是很好的例证。因 此动态连续预测的研究引起了人们的重视。目前，突出的连续预测有3 条途径：1 、 声发射监测技术；2 、利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分 析瓦斯涌出与突出的关系从而预测突出；3 、电磁辐射监测技术。 1 3 研究课题及其主要内容 1 t 3 1 课题的提出 煤矿开采的实践表明煤与瓦斯突出是煤矿安全工作的最大危险。用石门揭开煤 层时，如何预防突出这一问题，已经进行了大量细致的研究，并且取得了较成熟的 理论和经验。对煤矿的安全生产做出了较大贡献。但对于立井揭开突出危险地层， 煤与瓦斯突出现象发生的条件和过程，到目前为止，类似的专著并不是很多，只能 在一些相关杂志上看到为数不多，且以防治措施为主的资料。 立井穿越有煤与瓦斯突出危险的煤( 岩) 层时，如何创造安全条件的问题，早在 5 0 年代就被提出了。当时由于井筒深度较小，采用石门揭开煤层的类似方法及技术 参数来预防煤( 岩) 突出还有可能。但随着开采深度的增大，地层发生突出危险的程 度剧增，这个现象可用井筒工作面附近岩体状态的特点来解释。 根据矿山技术条件及发生突出时的危害程度，所有施工的井筒可分为三类【1 2 j ： ( 1 ) 类从地表掘进的井筒( 新建或改建矿井) 。在需要揭开及穿越有突出危险 的地层时，各种工作，如探查工作，查明突出危险程度及采取预防突出的措施，均 只能在井筒工作面进行。突出引起的危害，只涉及井筒及井口附近的地表。但如果 是改建矿井，在井筒穿越煤层地点附近时，往往有生产巷道，可在矿井生产巷道 预先探查地层突出的危险程度及采取预防突出的措施。 9 安徽理工大学硕士论文 罄) 类委奁廷深转矿井戮风并，这类著楚突出对，危害提艘较麓。揭开或穿 越突出纯除静麓瀑漕，应黠茭预防突鑫 躲方法挺舞较鬻鹣要求。 ( 3 ) 粪燕在廷涤熬矿井涟贰井，这类莠麓突警辩，靼搜突器强褒不大，趣会 使矿并生产巷邀受到瓦凝污染。掇进这类并篱辩，应辩箕预防突蹬静方法育最为严 格静要求。 本文将在总结箭入研究的瑾论和窝践经验的纂碲上，对立并擒逶过稷中的煤与 瓦新突密琥象进行研究，并结合淮南矿区张就煤矿立势( 淄( i ) 类井舞) 据送韵魏场 情况，对瓦斯突出进行预测，研究立并煤与瓦斯突出褫理并运用突变璇论解释这 现象，研究箍邈中豹立弗工作瑟前方蘸应力分布放对突蹬澎嘀，分桥在立并中发生 煤与瓦斯突出的条件，并建立数学模型，运用r f p a 对立并突出进行模拟，分析模撒 得出的嗣裘，从而尽量筏斑立并煤与琵新突啬发生髂些援襻，为立辩擒迸过程静 安全生产提供一份参考。 1 3 2 谍题酶主凝醋究辫密鞫悉路 本漾题将首先通过对所研究对象进行现存数据采集熬理和处理，进行突出颈溯 和煤与瓦擞突出机理研究，并应用突变理论解释突出现象，对突姐过程进行模拟， 分辑掰褥的图袋，总结立井在撼避过瑕中甄颠突出现象发生的一些条件釉规律。其 ，主要痰容包括： f 1 ) 试验嚣突波煤层琵戆纂溅参数的测定魏计算 投援地震炊况确定突毽煤按豹透气性系数、煤层瓦期的平均溺出霪、煤的筏烦 敖敬初遮发指标、煤豹鏊强毪张鼗等蒸硝参数麴渊定裟计算。尤其是突出煤鼷戆嚣 蘩莲力，本潆趱滚蛋慕鼹蘑搜熊麴资料，蹲未知麴瓦辫压力进行反滨分攒，从弱诗 冀出瓦斯压力。 f 2 ) 磷究对象突出鞭溺 通过实验稻蕊场数据渊定，采用综合指标傻( d 、狳法帮葳演分桥送行突磁蔻险 後预测，并确定矿井鹣煤层熬菠域危除悭。 ( 3 ) 煤与瓦斯突出帆理的研究甑及和掰突褒疆论解释分丰斤媒与瓦斯突出。 ( 4 ) 分析攒进立弗工作面蒋蓄穷的痰力分蠢祷蔹及对突盘影蛹。 将岩体视为服从弹性理论方程的各向同羧半空间，从而寇佳箍讨论并筒工体面 附近应力分布特征。掇遥并筒后，出现威力熏新分布。在垂蠢及承平方向上麴交形 成该与这蝗附加威力有关。 ( 5 ) 立井掇避过程中工作掰煤( 岩) 与瓦蓊突潞r f 融数值侪其模熬计冀分轿 * 1 0 一 l 绪论 在这酃分内容，通过建立模型，蓄筑模拟立拌握进过程孛，不同壹镪下豹共筵 的应力分布状况，并分析所得数据和图片，对不同直径下的井筒威力分布进行比较 爨模拟阉瀣径下，不曩掇避深度工搀瑟威力分布，分据群褥结果；最最对立劳撼避 过程中，其工作掰进行煤( 岩) 与瓦斯突出模拟，并根据所得数据和图片进行分析。 1 1 蜜徽理工大学硕士论文 2 矿搏凝流及立并瓦斯突出渤力现象发生原匿笃条件分耩 2 + l 矿捧概况 张j e 煤矿位于风台甚张集镇，隶属于淮南矿业( 集团) 有限责任公嗣，是潍南 矿区第三耱建若发袋史上，首嶷开工建设釉投产的现代化国有特大型矿井。矿并 占地面积总面积1 0 6 0 寓，井田面积约3 0 平方公里，憩储量5 5 亿吨，煤质属中 获富灰，裹攘发耪、中中凌发热霆，特低硫、中磷特低磷的气煤和l 3 焦煤，是良好鲍动力用煤釉炼焦配燥。 2 1 1 并田位黧与交通 本势井舀彼予安徽省淮素常藏台暴城嚣约2 0 如娥，北与颁捺并囊糖接，露与 漆辑势潮蹴镪鬻到瑟簇、藐裘漤井疆j e 努。 本井暖内霄亳( 集) 张( 集) 稻潘( 巢) 溅( 桥) 公潞，癸揍风 台) 列( 睾) 魏 熙( 台) 鬏( 上) 公路；铁秘方嚣，国铁漤枣) 肇( 黧) 线扶井翻囊裁经过，矿隧 自营铁路从并黼就部矫铡遂遗。承运方瑟，流经并鑫索乾部懿霞滚潺常年骞承， 可行船只，莠疑蘸澹海阑惹酉进入洼渗承运。 论文研究的张集j e 透矿劳( 张j e 矿) 作为张集矿并静一个分送，僚予芳辩j 蠢 部。南肖躐( 音集) 张( 巢) 公路通往矿并中灾区工煎殇壹瞧，张集矿著铁路专髑线 从北区井口附 i 艟经过，向北约1 4 4 k m 可运西淝河。总的来说，交通比较方便。 2 ，1 2 矿井璐袋特征 l 。她层 本隧为全隐蔽含煤隧，钻探所及地鼷由煮刘新依次有奥陶系、石炭系、二叠 蓉、三叠蓉褥辩生界。 2 。她覆构造 本势疆搜予滩袁煤灏落援阻瓣j e 翼麴陈攒鹜斜泰壤转辑端，总体形态为一磷 形展布的单斜构造。地层走向自疆向东幽北磁西渐变为北北麟，倾向由南渐变为 系，暇角在2 。1 5 。，局部达3 0 。著霹内次缴藜魑不甚发肖，仅鼹部有明照 懿渡获起伏；涂憩都边缘及赢都良靛璇黠近断层比较发育外，主体郝分完整性较 好。 资料表臻，本著蹬痰窍数层5 7 象。其中张j e 矿所在豹北区范围内羁。，断层以 - 1 2 一 2 矿井概凝及立井嚣颧突出动力现象发生原斟与最件分季厅 客窍落差大予l 翻酶正断层9 条，震毒方疑致j 疆囊为为主，远薅j l 囱瓣i 东嶷 较少。此外，还有多条落麓小于l o m 的地震控制断层。五。以西有6 条正断层。最。 以零主要凝层将缝蔑表3 。 表，3 张北e 0 9 妣米主要断层特征 ， 羊曲l e 3 融i n 氩娃王专f e a t h r e 。ft h ee a s t 专。z h 8 建如e i 班i n e 曼 注：1 、断麟都为正断层；各断层静鸯明程度均为奁明； 2 、袁中资料来源予张集煤矿电子舨鞲查域震报告汇编。 3 煤篆及煤层 。零并疆瀑系她攫为石炭系积二叠系，其中二霆系的由疆组与土、下磊金予级 为主要含煤层段。 黉嬲逡二叠系含煤段总厚度为7 2 妇，共含爨3 2 层，煤层总露3 6 。o 弧，含燥 系数为5 0 1 ，自下向上依次分为7 个含煤段e 张北区内以东含可来煤层l o 瑟，霹采煤篡总爆蔻2 7 ，l l 疆。该嚣蠹可袋煤层主要畜1 3 l 、l l 一2 、8 、6 窝l 爨， 平均总厚度为2 1 8 6 m ，欺主要特征见表4 。 4 ，媒痰 井田内煤层煤质稳定，煤类单一，桶低中中高灰、低特低硫、中磷特 低磷、齑撵发傍、富灌嵩涵、窜等麓发熬萋懿气媒秘i 3 焦溱。主要霹终炼 焦配煤和动力用煤。 1 3 。 安散理二：大学硕士论文 表张乳可采潆缮主簧特征表 t a b e 哇凇i nf e a t u r eo fz h a n g b e im i n em i n 曲l es e a m 厚度( 口) 最小最大 攥层 顶扳豢性 底扳岩性 结构 稳定性 平均 1 9 3 8 ，2 8 多为泥岩，少 】3 一i 淀岩及移矮潺老较簿嚣稳定 5 2 0 量砂质混岩 1 3 一l o 2 - 2 3 以泥岩、砂质以泥岩、砂质 裁单复杂石稳定 下 o 8 0 泥岩为主泥岩为盎 以泥嚣、砂质泥岩 o 7 8 5 9 l 琵者及砂 1 1 2为主，局 | j 糟、细简单复杂稳定 3 1 3 蕊泥春 砂者 0 。s 8 5 5 3 多为浞岩、砂质澹多为涎告、砂质 8 较简单、稳定 3 ，l o 岩，秒嚣步量娓岩，妙岩少量 泥岩、砂鹱妮 0 5 8 7 8 泥岩、移鹱泥卷岩，塌部少量楚犟鬟杂稳定 3 4 4 缨、粉移岩 o l o 3 5 多为泥砉、砂囊淀多芳泥者、砂 简单艇杂稳定【l 矿 岩、局部砂者袋澹岩 注：资料来源于张集煤矿电子版藕奄地质报告汇编( 2 0 。2 5 ) 5 水文地隘 ( 1 ) 主要充水因素 本井圈基岩被厚度介于1 9 7 9 0 2 6 7 ，8 0 之间的南薄北厚的新生界松散滕所 覆盖。按照沉积物的组合特征和含、隔水情况，可将新生界自上而下大致分为上、 中、下、底四部分。其中下部的隔水组以粘土为主，毁密，粘韧，具有膨胀性， 正常沉积范围内厚度比较稳定，可以起到良好的隔水作用：而在局部有古潜山存 在的地段，下部的弱含水组或者中部的含水组与纂岩直接接触，珂能成为基岩含 水层的羚给承源。 二璺悉砂岩裂隙含水组位于可采煤层与淀岩之间，一般以中、细粒为主，裂 豫多发育袭颧层硬侧破碎媸中，塞水性弱，农自然状态下，砂岩含水层之间龙密 切豹水力联系，属以存姥量为主麴不均一裂黢含水组。但是，萋被断层切割绒采 1 4 2 矿茹概撼及立弗嚣斯突出动力现象发生原因与条件分享斥 动影嫡霖致逮下承均囊邂至l 破荪孵，上、下岔水篷之闼可戆互摆渴通，从l 嚣出现 局部砂岩袋隙水的突溃现浆。 石炭系太灰豢溶裂踩含零缀主要由上嚣下编号兹1 3 层获豢与其凌熬淀砉、 粉砂岩和薄煤层缀成，其中灰岩累厚5 9 1 5 m ，且以第1 、第4 和第1 2 屎灰岩厚 爱较大。获砉装潞裂酝分带不稳，富隶瞧弱串等。该含承组土距l 漾璐较近， 平均为1 6 6 0 m ，顶部的1 4 灰糟为l 煤层底板盥接充水含水层。如果飘接开采 i 煤层，袋将因灰岩零涯避高瑟萼| 发底投突农事数。 本区断层带为多粘土岩类和粉、细砂岩充填，钻探中未出现严重漏水现象。 一般情撬下可起至l 穗对蕊东 睾爰。翟是，装不嚣菇经翡含承层受颧：层韬割蒋对霜， 且断层带又未被粘土岩和粉、细砂岩碎堍所充填，或者受到采动的影响，破坏了 戆下东的水力平德，导蘩鞭层活纯，断层鬻；i 拜琵露戆或爻魂下隶突溃豹只要途径。 、由上可看出，本区新生界中、下部含水层孑l 隙大、二曼系砂岩裂隙求和石炭 系太灰者溶裂除永辩弗下开采其裔较大影响。毽楚，灵要在可秀采煤层豹浅部整 设适当的防水煤年主，新生界松散滕孔隙水一般不至于溃入矿坑而对开采构成大的 威胁。这样，二藏系属予袋陈求稻石炭系太灰岩溶袭陈永便成为本区开采静主蘩 充水因素。 ( 2 ) 矿井涌永髓预计 张集矿弗一水平开聚4 。2 0 煤层、开采面积为8 k 心对，预计正常涌水量 5 0 0 甜h 。开采l 煤层时太灰的初始突永鼙为1 0 8 8m 3 h 。 6 其窿工程条传 ( 1 ) 煤层顶、底板岩石工程地质条件 张i b 矿主要可才煤层顶底扳以泥岩、砂质泥港为主，其次为粉、细砂岩。其 中泥岩、砂质泥崭力学强度较低，易坍溻冒落：细砂岩抗压强度禽，顶极不易坍 壤；羚砂袭抗疆强度刘分予砂质溅岩与镪砂岩之橱。底叛主要为溅岩、砂腹混岩， 局部有粉、细砂糟。其中泥岩、砂质泥岩抗压强度较低，岩性多松散且拐破碎， 髑都霹箍产生底数；羚、缨妙裘抗嚣强度较高，般不易发生廉皴。 ( 2 ) 瓦斯 援疆气藏分小手7 溅、沼气含量枣予2 掰3 ， 剡分熬本劳困瓦聚爨馥带大致绞 于基岩界谳下约2 0 0 m 处。井田内实测瓦斯最大禽量为1 3 6 6 3 f 。据生产实际 满鑫量箍算，一隶擎瓦蓑含塞戈6 ，7 掰3 ，f ，矿劳琵矮涌出繁荛1 4 ，6 1 8 。鹈方， ， 由上可确定本矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井。 ( 3 ) 煤金与煤麓鑫撩 1 5 安徽理工大学硕士论文 各可采煤层的煤尘均舆有爆炸性。煤的自燃倾向性属很易自燃不囱燃。 ( 4 ) 她温 资料装骥，本井田援温带深度为自地袭向下潼深3 0 m ，温度为1 6 。8 。井豳 内地温梯度一般以大于3 o 1 0 0 m 为主，属璁温异常醒。各可采煤层6 0 0 m 水 平速澄多大于3 l ，处予一级裹涩区，部分离予3 7 ，已进入二级嘉激区。 2 1 3 张北矿回风井概 兕 张北矿回风并位于张集矿中央区西北约8 k m ，面积约6 刚渤2 。地面标商 十2 l 。0 2 s 融。酝在区域满季风缓湿带气候，季节性鹤爨，冬冷夏热，乎均气漂 在+ 1 5 1 。最大降雪厚度为1 6 0 m m ，最大冻土为3 0 0 m ，平均降雨量为9 2 6 3 3 i i i l ， 最大达到1 7 2 3 。5 黼。 矿井设计设计生产能力4 o m t a ，采用立井开拓方式，在工业场地内设有主、 戮、菇三个并篱。宙予矿井首援开工蘸势 毒是霞瓣劳，氛本次论文磅变鹣圭要硬 究对象也是回风井，故熟悉回风井的十分必要。井筒在施工过稷中穿过1 1 个煤 滋，其中l l 一2 、8 、7 渫鼷为率嚣懿可采煤层。势篱蒋繇参数蕹袭。 表5 张北回风井井筒特征袭 t 8 b l e 5 程e l lc a s i n gf e a t u r eo fz h a n 9 8 e i8 i rr e t u r 珏一s h 8 f t 本井筒穿过的二叠系主要煤层有；一 l l 一2 煤，深凄受3 7 3 。4 2 3 7 7 。4 7 霸，簿度为4 。0 5 瑶，鼓嬉漾为主，少量轰潆， 属暗淡型煤，其顶扳为深灰色粉砂岩，粉砂岩厚1 1 4 7 m ，粉砂结构，致密，为一 燹蠲蘩采箍颈投，其底馥为获爨色混老，淳荛2 1 泌； 1 卜1 煤，深度为3 8 9 5 0 3 9 0 5 6 m ，厚度为0 6 0 m ，“与1 1 2 煤间隔2 1 5 m 的 淀岩 9 一l 煤，深度为4 4 1 3 2 4 4 2 0 6 m ，厚度为0 7 4 m ，顶板中粒砂岩，底板为泥 密。 1 6 。 2 矿井概淡及立井琵酝突出动力现象发生愿匿与条 孛分梃 8 煤，漾庭必4 5 5 ，2 s 垂5 8 + 8 ，搏3 ，3 7 l l ，呈荻炊及块状， 三l 黯媒、亮煤为主， 属半暗型煤，其伪顶为泥岩及炭质泥岩，厚度为0 8 m ，其直接顶为深灰黑色的砂 黢淀岩，浮2 。4 3 臻，泥屡缝稳，靛臆，爱帮含炭，潺嚣发寄，其求平层瑗，为一 周期来压强烈顶掇，其底板为深获黑色的泥岩，厚度为3 7 0 。 表6 井筵雾l 璧瓣漂盛姆征 t a b l e 6t h ep a s s i n gc o a ls e a mf e a t u r eo fw e l lc a s i n g 矮瑟 ， 类型辫性厚度( m )深度( m )间距( m ) 号 蠢搂顼粉砂砉 1 1 ? 1 1 21 1 2 煤4 0 53 7 3 4 2 3 7 7 4 7 底扳漉者 2 1 5 鸯接顶泥岩 1 3 0 l l l l 卜l 煤 1 0 6 3 8 9 5 。3 9 0 5 61 2 0 3 底撮溅岩 2 。3 0 赢楼顶中粒砂岩 8 7 2 9 一i 9 一l 煤 o ，7 44 4 l 。3 2 4 4 2 0 65 0 7 6 底叛沉岩 o 7 0 煮攘疆移凄泥岩 2 鹳 88 煤3 3 74 5 52 5 4 5 8 6 21 3 1 9 ， 溉岩 3 7 4 残扳 崴接顶纲砂岩 5 4 9 7 咤 7 吨潆 1 5 04 7 3 1 3 4 7 4 s 3l ，5 l 麟板泥岩 2 3 4 赢接硬游砉 2 。3 4 7 1 7 1 煤 1 ，5 04 7 7 ，5 7 4 7 9 0 72 9 4 赢扳淀岩 3 2 0 宜接顶细砂岩 9 2 6 66 煤5 7 04 9 6 6 0 5 0 2 3 01 7 5 3 底板绒砂岩 i o 6 5 7 - 2 煤，深度为4 7 3 1