（安全技术及工程专业论文）高瓦斯突出煤层快速揭煤方法研究.pdf

a b s t r a c t nt h ec o a la i l dg a so u t b u r s tm i n e s ，t h ec m s s c u t t i n gi st h em o s td 锄g e m u s ，a si t g e tt h em o r ea d v 柚t a g et oo u t b u r s tt 1 1 a nt h ed r i f t ，u p l l i l l ，d o w l l l l i l la n dt h em i n i n gf a c e i tn o to n l yh a sc h eb i g g e s tb u r s t i n gi n t e n s i t y ，l 哪ei n f l u e n c es c a l ea n dh i g hr a t e ，b u t a l s oh a st h cm o s tt i m e s ，w h n et h eb i g g e s to u t b u 菇to f t h ew o r l dh a p p e n e dd u r i n gm e c r o s s c u t t m g a si td a m a g e ss om u c hm a ti tc a u s c sl o n gt e 咖a n dl l i g hc o s t ，a n di t i m p e r i l st h es a f e t yp m d u c tg r e a t ly t h e r e f o r e ，t h ec u t t i n gm e t h o da l w a y si st h ep o i to f s c i e n t j f i cr e s e a r c h a 盘e ra n a l y z i n gt h ed a t ao fh o m ea n da b r o a d 跚dt h ep r a c t i c eo f z | h 蛆酣im i n e ，i ta n a l y s e sm eo u t b u 格tt h e o r yo fc m s s c u t t i i l g 蛆d “o p t i l i z e st h ed r i i l p l a nb yn u m e r i c a ls i m l l l a t i o n a n dw ec a ng c tt h e0 u t b u r s tl a w a n dt h e np r e p a r ef o r t h eq u i c kc r o s s c i l t t i n g a f t e re f f i c i e n tf o r e c 硒t t h ec o a la i i dg a so u t b u r s ti sc a u s e db yt h es t r e s s ，g 躯p r c s s u r c ，c o a ls t i u c t u r ea n d s 0o n a f t e rr c s e a r 洲n go u t b u 船t h c o r y 锄dt h ei n d c x e so ff o f c c a s t s u c ha sk 1 ，f p ，强， p 孤ds oo n ，i tg e t sai n o r ee f f i d 锄tf o r e c a s tm e t h o d ，w l l i c hi sc 伽曲i n c dw 讹t h e r e a l i t yo fz h a n g j im i n e t h em u l t i - p a r 锄e t c fi n d e xf o r e c a s tm c t h o dg u 甜a n t e e st h e a c c l i r a c ya i l dr c l i a b i l i t yi nal a r g es c a l e b a s e d0 nt h em a a bn 啪鲥c a ls i n l u l a t i 伽，卸dt l l e 柚a l y s j so ft l l ep a 埘n e t e f s ， w ec a nm a k em ed r a i n a g em o me f f j c i e n t ，t h ef o r e c a s tm o r ea c c u r a t c l y 蛐db yl o t so f t e s t i n gg r o u n dw o r k ，w em a k eo u tt h ef i v e - s t e pc l l t t i n g ，w h i c hi saq u i c kc u t t i n g m e t l l o da n dd om u c h9 0 0 dt ot l l ec o a lm i mo fh i g hg a s 强dl o wa i rp e 皿e a b i l i ty t h e r e 砌。e ，i tg e 协m u c hs e n s ei nt h e o r ys t u d ya n dp r a c t i c ea p p l i c a t i o n f i g 【3 2 】t a b l e 【1 5 】r e f e r e n c e 【6 4 】 k e yw o r d s ：c o a la l l dg a so u t b u 璐t ，c r o s s c u t t i n 舀n 哪e r i c a ls i m u l a t i o n ，f o r e c a s t ， 6 v e - s t e pc u t t i n g c b c n ：t d 7 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 塞微堡王盘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。 p- 学位论文作者签名：每舯签字日期；。7 年7 月t 瑁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄三太堂有保留、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。本人授权塞筮理工 盍堂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。 学位论文作者签名： 锄蔫 导师签名： 爿l 缈 签字日期：少，咩i 月。，日 签字日期：a 0 年i 月厂日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 目前，随着煤矿开采深度的延伸和开采强度的加大，地压和瓦斯涌出量越来 越大，突出危险性也不断加大。在很短时间内，从煤( 岩) 壁内部向采掘工作间 突然喷出煤( 岩) 和瓦斯的现象，即煤( 岩) 与瓦斯突出，它是一种伴有声响和 猛烈力能效应的动力现象，能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦 斯和煤( 岩) 抛出物，造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾 事故，导致生产中断【l 】“【1 2 】。因此，煤与瓦斯突出是煤矿最严重的自然灾害之， 严重威胁着煤矿的安全生产，制约着我国煤炭工业的发展。 从1 8 3 4 年3 月2 2 日法国鲁阿尔煤田依萨克矿井发生了世界上有记载的第一次 突出至今，已发生过突出的国家有法国、前苏联、中国、波兰、日本、美国等2 0 多 个国家和地区。据不完全统计，截止1 9 8 1 年发生突出的次数已超过3 万次，其中强 度最大的一次突出发生在1 9 6 9 年7 月1 3 目前苏联顿巴斯矿区加加林矿井，突出煤 1 4 2 0 0 t ，喷出瓦斯达2 5 0 万m 3 【1 h “。 我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，其特点是突出矿井分布面广， 且分布于不同类型的煤层，突出矿井的始突深度不一，中小型突出占较大多数， 大强度突出次数也不少；在区域上的表现为南北都有分布，但南强北弱。在突出 煤层形成的地质时代上，南方主要发生在早石炭世测水组，晚二迭世龙潭组和晚 三迭世安源组的含煤地层中，北方则主要发生在早二迭世山西组、侏罗世北票组 和晚侏罗世城子河组的含煤地层中。在构造上，各种类型构造体系控制下的煤田 都有突出分布，其中以华夏系和新华夏系构造控制下的煤田突出最为严重，而突 出区并不位于构造活动( 特别是剧烈活动) 的地区，多数属于地台区，也常见有突 出区位于复式褶皱中的短轴向斜区域内【6 】。建国后，第一次煤与瓦斯突出于1 9 5 0 年4 月2 0 目发生在辽源矿务局富国矿的西二坑，此后，随着我国煤炭工业的迅猛发 展，老矿井开采的愈来愈深，新矿井又不断增多，突出矿井也日益增多，不仅突 出次数大幅度增加，而且其突出强度也在提高，其中最大的一次突出发生在1 9 7 5 年8 月8 日天府矿务局三汇坝一矿主平硐震动性放炮揭穿6 号煤层时，突出煤岩 1 2 7 8 0 t ，突出瓦斯1 4 0 万m 3 ，居世界第二【2 j 【3 j 。 近些年来，我国煤矿的安全生产形势同益严峻，煤矿安全事故也层出不穷， 8 0 以上都是瓦斯事故，其中以石门揭煤突出最为严重，造成了大量的人员伤亡 和财产损失，而且我国能源又以煤为主。截止2 0 0 4 年，国有重点煤矿中。有高瓦 安徽理工大学硕士论文 斯矿井1 5 2 处、煤与瓦斯突出矿井1 5 4 处，高瓦斯、突出矿井数量约占4 9 8 ， 煤炭产量约占4 2 ，主要分布在安徽、四川、重庆、贵州、江西、湖南、河南、 山西、辽宁、黑龙江等省区；4 5 户安全重点监控企业中，有高瓦斯、突出矿井2 5 0 处，其矿井数量和产量分别占6 0 2 、6 0 6 ，2 0 0 4 年瓦斯涌出量为6 6 亿立方米。 对于煤与瓦斯突出，特别是石门揭煤突出，各园都投入了大量的人力、物力、 财力，许多国家还建立了专门的研究机构，专门研究其机理和防治工作；我国于 五十年代成立了抚顺煤炭研究所，主要承担煤和瓦斯突出的研究工作，六十年代 初又成立了重庆煤炭研究所从事这方面的研究，以后相继有中国矿大、阜新矿院、 焦作矿院及我校等高等院校也都进行这方面的研究工作。 可以看出，如何做好突出矿井的安全工作，是我们煤矿安全工作者所面临的 严峻任务。因此，研究煤与瓦斯突出机理、预测理论及一种安全快速的揭煤技术 具有非常重大的意义，特别是对高瓦斯突出矿井具有很大的理论和实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 煤与瓦斯突出机理的研究现状 煤矿开采过程中，直到十六世纪末，在煤矿的井工开采中，才遇到有害气体， 到十八世纪初期英国有的深井开始发生甲烷爆炸。随着工业的发展，煤炭开采日 益加剧，矿井瓦斯事故也日益加剧，引起了世界各采煤国家的密切关注，研究工 作也取得了一定的成果，但由于突出机理的复杂多样性，迄今为止形成了多种假 说，国外主要存在三种假说，分别是瓦斯作用说、地应力说和综合作用说【1 卜同。 1 ) 瓦斯作用说：该学说认为，煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素， 在这类假说中“瓦斯包”说占重要地位，它认为在煤层中存在着瓦斯压力与瓦 斯含量比临近区域高得多的煤窝，即瓦斯包，其中煤松软、孔隙与裂隙发育它 具有较大的存储瓦斯的能力，被透气性差的煤所包围，存储着高压瓦斯：当巷 道揭穿“瓦斯包”时，在瓦斯压力作用下将松软的煤窝破碎并抛出而形成煤与 瓦斯突出。 另一类瓦斯作用说认为，甲烷在煤中以不稳定的化合物形式存在，例如有多 聚甲烷或结晶水化物存在，或者煤可以自然地分解并放出大量瓦斯，当巷道揭开 饱含不稳定化合物煤区时，因温度上升或瓦斯压力下降，促使它们急剧地分解， 放出大量瓦斯并夹带着煤喷出。 2 ) 地应力说：该学说认为，突出主要是高地应力作用的结果。然而对高地应力的 2 1 绪论 构成又有不同说法，一种认为除自重应力外还存在着地质构造应力，当巷道接 近存储构造应变能高的硬而厚的岩层时，后者将像弹簧一样地伸张，将煤破坏 和粉碎，从而引起瓦斯剧烈涌出而形成突出；另一种认为采掘工作面前方存在 着应力集中，当弹性厚顶板悬顶过长或突然冒落时，可能产生附加的应力，在 集中应力作用下，煤发生破坏和破碎时，伴随着大量瓦斯涌出而构成突出。 3 ) 综合作用说：该学说认为突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用 的结果。因为它较全面地考虑了动力与阻力两个方面的因素，因而得到各界学 者的普遍承认，在综合作用说的多种说法中又以苏联b b 霍多特的能量假说 影响最大，他认为，突出是煤的变形潜能w 和瓦斯内能突然释放所引起的近工 作面煤体的高速破碎，并推断出激发突出的三个条件，可表述为如下三个公式： ( 1 ) 激发突出的第一条件： 对于回采w + 3 f + u ( 1 1 ) 对于掘进w f + u( 1 2 ) 对于石门揭煤w + q f + u ( 1 3 ) 式中： w 一煤的变形潜能； 3 一顶板岩石的动能： q 一煤内游历瓦斯所含的内能； f 一煤向巷道的移动功； u 一煤的破碎功。 ( 2 ) 激发突出的第二条件： v p v x( 1 4 ) 式中： v p 一煤的破碎速度； v x 一煤裂隙中瓦斯压力下降速度，取决于煤的裂隙性。 ( 3 ) 激发突出的第三条件：要求在煤破碎完成之前，瓦斯压力应保持在比已破碎 煤的抛出阻力更大的水平上，即： p ( m ，s ) & ；( fc o s a s i n n ) + 】( 1 - 5 ) 式中： s 一煤破碎区段的横段面积； f 一煤沿某一表面移动时，该面的摩擦系数； 拉一煤沿某一表面移动时，该面与水平面所成的倾角： 3 安徽理工大学硕士论文 g 一重力加速度； m 一煤的质量； a 一为了把煤抛出必须给煤的加速度； 一煤移动方向向上抛出时取“十”，反之取“一”。 测算表明，在瓦斯矿井中，激发突出的第二与第三条件实际上总是可以满足 的，故能否满足第一条件便成为发生突出的主要而必需的条件。霍多特认为，只 有当煤中应力状态突然改变时，煤层可能产生高速破碎，下述原因可以引起煤中 应力状态的突然改变：煤层中坚硬区段或坚硬包裹体的承载能力以脆性破坏形式 消失了；围岩作用于煤层的动载荷；放炮落煤时，巷道迅速进入煤层；放炮揭开 煤层。 地应力与瓦斯压力在上述过程中起到本质作用，而煤和围岩构造的非匀质性 是突出的最普遍原因，1 9 7 9 年霍多特对上述假说又作了补充【1 0 l ： 煤体的破坏分为两类：一是转变为临界状态的破坏：二是煤体破碎成煤块和煤 粉。在自然条件下，静态加载时只产生第一类破坏，第二类破坏必须具备其他 条件，外部因素作用于煤层时，若煤层本身的潜能转变为破坏功的速度大于临 界状态的发展速度时，则工作面附近的煤出现第二类破坏，其中外部因素可以 成为激发和发展突出的条件； 第二类破坏的发展速度和破碎程度，足以不断形成瓦斯放散表面和能使煤悬浮 的瓦斯流： 更加强调了瓦斯在突出时的作用，无论是游离瓦斯还是吸附瓦斯都参与突出的 发展。 我国对煤和瓦斯突出的研究是在本世纪5 0 年代开始起步的，多年来我国许多 科技工作者对对突出煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等开展 了一系列的研究，根据现场资料和实验研究对突出机理进行了探讨，提出了新的 见解和观点，概括起来主要有中心扩张学说、流变假说( 何学秋等，1 9 9 0 ) 【2 9 】、二 相流体假说、固流耦合失稳理论( 梁冰和章梦涛，1 9 9 5 ) f 1 1 】、球壳失稳理论( 蒋 承林和俞启香，1 9 9 5 ) 【3 0 】等。具体在我国突出研究中，经过几十年的探索，假说 主要有： 1 ) 中心扩散说：该假说认为煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处地中心开始地， 尔后向周围扩展，由发动中心周围的煤一岩石一瓦斯体系提供能量并参与活 动，在煤与瓦斯突出地点地应力、瓦斯压力、煤体结构和煤质是不均匀的，突 出发动中心就处在应力集中点，煤体的低透气性有助于建立大的瓦斯压力梯 4 l 绪论 度； 2 ) 流变假说：该学说认为煤与瓦斯突出是含瓦斯煤体在采动影响后地应力与孔隙 瓦斯气体偶合的一种流变过程，在突出的准备阶段含瓦斯煤体发生蠕变破坏形 成裂隙网，之后瓦斯能量冲垮破坏的煤体发生突出。该观点对延期突出给予了 很好的解释； 3 ) 二相流体假说：该假说认为突出的本质是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流 体，二相流体受压积蓄能量，卸压膨胀放出能量，冲破阻碍区形成突出，强调 突出的动力源是压缩积蓄、卸压膨胀能量，不是煤岩弹性能； 4 ) 固流耦合失稳理论：该理论认为突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发 生迅速、突然破坏而生成的现象，采深和瓦斯压力的增加都将使突出发生的危 险性增加； 5 ) 球壳失稳假说：该观点认为突出的过程实质是地应力破坏煤体、煤体释放瓦斯、 瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤壳失稳破坏，煤体的破坏以球盖状煤壳的形 成、扩展及失稳抛出为主要特点。 突出机理研究存在的问题主要有： 1 ) 突出机理认识有分歧。目前，国内外对煤与瓦斯突出机理仍然停留在假说阶段， 没有一个科学的结论，( 突出过程及特征解释：突出的力学实验研究；数学力 学模型研究) ； 2 ) 煤与瓦斯突出是多种影响因素综合作用的结果，是一个准备、发生、发展直到 终止的过程，研究突出的发生条件需考虑不同因素的作用过程，加强发生条件 的动态研究，了解突出时的各参数的变化以及他们之间的关系，从而揭示突出 的本质，为预测和防治提供可靠的理论依据； 3 ) 在突出机理和条件的定量研究基础上，加强突出过程的物理特征研究，对其进 行观测和总结，必要时进行实验模拟，为监测和防治提供科学依据。 今后的研究重点主要体现在以下几个方面： 1 ) 高地应力和高压瓦斯的存在是突出的主要能量来源和基础条件，研究二者的形 成和积聚因素及其变化规律十分重要。由于高压瓦斯的存在是地应力分布不均 的结果，研究地应力的分布和变化规律也是研究高压瓦斯源分布规律的基础； 且煤层必须具有较高的瓦斯容量才能形成高压瓦斯，这就要研究煤层中瓦斯的 赋存突出煤层倾向性特征等问题，它涉及煤体结构、煤的孔隙性质、微孔隙的 比表面积、煤的吸附和解吸、瓦斯放散速度、煤的围岩的透气性等一系列问题 的研究； 5 安徽理工大学硕士论文 2 ) 突出往往发生在应力集中处，当应力集中程度越高，发生突出的强烈程度越大， 导致应力集中的原因有围岩初始应力、开挖形状、步骤及岩石性质。因此，采 掘活动是突出的诱发原因，在已经具备突出条件的区域，如果不采取防突措旖， 一旦采掘活动波及这些部位，破坏了暂时的临界平衡，就会发生突出，故诱导 作用十分重要应将采掘活动与突出关系的研究纳入突出机理的研究范畴之 中，即突出煤层的开采应考虑巷道部署，采煤方法、采掘工艺、矿山压力、采 掘后的围岩移动与变形的稳定性等问题； 3 ) 突出i | 缶界条件的研究是突出机理研究的重要内容，基本工作是对突出能量的主 次、煤与瓦斯、耦合作用及其灾变动力学特性的研究，而突出的具体工程地质 条件的差异导致了难以用某一机理解释所有的突出问题，因此针对具体工程地 质条件研究可操作性强的定量指标划分突出危险程度是当前防突工作的急待 解决的问题； 4 ) 突出机理研究的总方向是把机理和预测结合起来，在研究方法和手段方面，将 现场观测、实验室研究和模拟实验相结合，将有关学科的理论、研究成果与工 程生产实际结合，综合分析阐述突出机理。 1 2 2 煤与瓦斯突出预测的研究现状 各国对于突出预测的研究，主要是以突出的综合作用假说来进行的，围绕地 应力、煤层瓦斯压力与含量及煤地力学性质等因素开展实验和现场的试验工作。 其中，前苏联在煤与瓦斯突出防治方面做了大量研究工作，而且研究成果居世界 领先水平，建立了较完善的突出危险性预测体系，包括区域性预测、局部性预测 以及工作面预测【2 h “。 顿涅兹克工学院研究利用煤体的两个主要变形指标弹性模量e 和剪切模量g 来 确定煤层突出危险性，研究对1 8 0 个煤层进行了采样，包括顿涅兹克、马凯耶夫、 苏维埃和奥尔忠尼启泽等几个煤炭联合公司所属矿井6 5 个突出危险煤层。关于煤 样纵向和横向弹性波传播速度测定，则利用煤层中涌出的氦体积或氡浓度的变化 预测，此外，前苏联的主要煤田还研究出了石门揭煤预测突出危险性的指标，如 在沃尔库京斯基、诺里利斯基、萨哈林以及近海的一些煤田，当测定瓦斯压力高 于1 m p a 时则认为揭煤处有危险。 另外，在不断完善突出跟踪预测的基础上，有些国家已经开展了研究瓦斯突 出的动态预测技术和突出危险区域的预测技术。如：俄罗斯已建立了区域预测预 报的专家系统，将突出煤层划分为突出危险区( 占突出煤层面积的2 0 3 0 ) 和 6 1 绪论 非突出危险区( 占突出煤层面积的7 0 8 0 ) ，从而解放了大片煤层，降低了 防突工作量；德国应用v 3 0 等瓦斯涌出动态参数连续预报突出，己有较成熟的经 验1 1 0 ) 【1 1 】1 3 2 】。【3 4 】。 总的来说，对瓦斯突出预测已初步形成了一些卓有成效的方法，并在实际使 用中取得了定地成效，将其按预测范围大小可归纳为三类，一是区域性预测， 它主要是确定煤田、井田、煤层和采掘区域的突出危险性；二是局部性预测，它 是在区域性预测的基础上，根据钻探或物探、采掘工程等资料，进一步对局部地 区或地点的突出危险性做出评价：三是工作面预测，它是在区域性预测和局部性 预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应，如声、电、磁、热等，对突出危 险性进行警报【1 0 1 。 1 ) 微震技术预测突出危险性 研究表明，煤和围岩受力破坏过程中发生破裂和震动，当从震源传出震波或 声波的强度和频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏而发生突出。且突 出是由连续的多起断裂引起的，其异常的微震发射通常在断裂之前5 4 5 s 内产生， 俄罗斯在地震声学预测方法中取得了较好的研究成果。 2 ) 煤层温度状况预测突出危险性 其理论依据为瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低：温度降低越多，说明煤 层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。前苏联学者对近工作面地段的煤体温 度状况进行了考察研究，并用于突出危险性日常预测，并对掘进中发生的6 次突 出全部做出了预报；另一些学者则采用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差 作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。 3 ) 煤层中涌出氦或氡浓度的变化预测突出危险性 研究表明，在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。前 苏联学者考察了顿涅茨煤田中2 个不突出煤层和4 个突出煤层的氦含量后指出， 自由释放的瓦斯中，若氮含量高，则瓦斯压力也相应的高；故煤中涌如的氦可以 作为预测突出的一个指标，该技术正在发展和完善之中。 4 ) 电磁辐射强度预测突出危险性 电磁辐射( e m e ) 是煤糟体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的物理现 象，与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关。研究表明：在煤岩层受力变 形破坏过程中产生的电磁辐射强度取决于所受力的大小和煤岩层的物理力学性 质，并且电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等灾害动力现象的主要影响因素， 可实现真正的非接触预测，无需打钻，对生产影响小，易于实现定向及区域性预 7 安徽理工大学硕士论文 测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动态连续监测及预报，能够反映 含瓦斯煤体的动态变化过程，既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方 位，又能检验防突措施的效果。 目前岩体破裂电磁辐射效应的研究取得重大成效，煤炭科学研究总院重庆分 院利用这一原理研制的煤与瓦斯突出危险探测仪，在四川芙蓉矿务局进行了实际 应用，取得了较好的效果。 5 ) 神经网络法预测突出危险性 煤与瓦斯突出是由地应力、高压瓦斯、煤的结构性能、地质构造、煤厚变化、 煤体结构及围岩特征等诸多因素决定的，突出灾害的发生是极不规则的，各种力 学作用与这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态。人工神经 网络法的出现为解决这一问题开辟了一条新途径。一方面它在实际应用时无须做 出因素与突出相关关系的任何假设，只需将实际数据直接提供给网络来训练；另 一方面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值( 只要训练数据足够多) ，能够抽 提、捕捉隐藏在历史数据中的规律，尤其是那些尚未被人类认识和揭示的规律， 有着其他方法无法比拟的一些优点。 我国的突出危险性预测方法分为区域突出危险性预测和工作面预测两种，区 域突出危险性预测，即区域预测，用于预测煤层和煤层区域( 包括井田、新水平 和新采区) 的突出危险性，在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓和准备 时进行；工作面预测又叫点预测、日常预测，用于工作面煤( 岩) 层的突出危险 性预测，它包括石门揭煤、煤巷掘进和回采工作面的突出危险性预测。其对应地 机理为：区域性预测多以瓦斯地质动力因素、现场测定瓦斯压力及实验室测定煤 的突出倾向性参数，采掘集中应力等作为判断突出危险性和划分突出危险性的主 要手段：在工作面预测方面，主要以当时的地应力、瓦斯与煤( 岩) 物理力学性 质的分布状态作为判断依据【3 1 【6 】【1 0 】。 在石门揭煤的瓦斯突出危险性预测上，我国主要采用综合指标法和钻屑瓦斯 解吸指标法来实现有效的突出危险性预测。此外，还有用于区域性预测所采用的 单项指标法和综合指标法，在煤巷掘进工作面采用的钻孔瓦斯涌出初速度法、r 值指标法和钻屑指标法等等，这些都需要现场实测突出临界值，有依赖现场经验 的部分。近年来，经过理论和实践的研究，人们开始发现这些方法存在一些不足， 有待进一步研究和解决，主要有： 1 ) 突出与地应力、瓦斯压力和煤体强度等因素有关，但地应力目前现场很难直接 定量测定，尤其是在软煤层内的地应力目前还无法测定。在综合指标法中，用 1 绪论 煤层的赋存深度h 代表地应力，但其只能代表正常条件下的平均地应力大小， 而突出往往发生在地应力异常地点，此处的地应力可能比正常条件下大几倍甚 至几十倍，因此用煤层赋存深度不能准确反应地应力大小； 2 ) 目前煤体强度普遍采用取样法测定的煤样坚固性系数来代表，但突出煤体内的 f 系数一般低于0 5 ，此时煤体内的原始强度指标很难测定，测出的数据也只 能代表地应力破坏后的煤体强度，且现有的坚固性系数测定方法测定同一煤样 得出的数值误差也较大； 3 ) 无统一的临界值，因为各地的临界值都不一样。具体用于某个煤矿时，需要通 过相当一段时间去摸索突出临界值，大大增加了预测的难度，当要进行揭煤时， 还得先揭几个煤层试试，等临界值出来后在预测判断突出，从某种角度上说就 失去了突出预测的意义。 煤与瓦斯突出是一种自然界现象，有其规律可寻，而且突出应该有统一的临 界值。在研究突出预测方法时，应以煤与瓦斯突出机理和规律为理论指导，用科 学的方法探寻其预测技术，达到定时定位的安全可靠标准。 1 2 3 石门揭突出煤层的研究现状 在煤矿生产中，石门揭穿煤层比煤层平巷、上下山和采煤工作面具有最有利 于突出的发生与发展的条件，因此它的危险性也最大，不仅突出强度大、概率高 而且典型突出次数最多，国内外最大的突出均发生在石门揭煤时，即在爆破揭开 煤层的瞬间，由于表层突然破碎，煤体应力状态和瓦斯赋存状态突然改变，富含 瓦斯的煤层在瓦斯压力和应力作用下急剧向巷道空间抛出大量煤岩和瓦斯而造 成石门揭煤突出【2 l f 6 】【1 0 l ，严重影响了矿井和采区的顺利接替，因此一直是防突研 究的重点。 根据石门条件下发生的突出情况不同，石门突出可分为：爆破揭开石门时的突 出、延期突出、过煤门时的突出和自行冲破岩柱的突出，其中以放炮揭开煤层时 的突出所占的比例最大。在这些石门揭煤研究过程中，国内外都取得了宝贵的技 术成果【1 卜【1 2 】： 1 ) 石门揭穿煤层前，必须遵循： ( 1 ) 必须打预测煤层突出危险性钻孔，控制突出煤层层位的前探钻孔和测定煤层 瓦斯压力钻孔。预测煤层突出危险性钻孔可以和测定瓦斯压力钻孔合并，要 求能够确切掌握煤层的突出危险性、煤层的层位、倾角、厚度、顶底板岩性、 地质构造等煤层赋存情况，为安全岩柱设计尺寸和安全快速揭穿煤层提供可 9 安徽理工大学硕士论文 靠资料； ( 2 ) 前探钻孔，在石门工作面掘至距煤层( 垂距) 1 0 m 之前，至少打两个穿透煤 层全厚，并进入顶( 底) 板不少于o 5 m 的钻孔，详细记录岩芯资料。如果 遇到地质构造复杂、岩石破碎的地区，在石门工作面掘至距煤层2 0 m 之前， 就必须在石门四周外缘5 m 的范围内布置一定数量的钻孑l ，保证确切掌握煤 层厚度、倾角变化、地质构造和瓦斯情况等。同时，为防止误穿煤层，在距 煤层垂距5 m 以上时，可在石门工作面顶( 底) 部两侧补打3 个直径为4 2 m m 底超前钻孔，但其超前距离不得小于2 m ； ( 3 ) 测压钻孔，可兼作预测孔。在石门工作面距煤层5 m 以外，至少打两个穿透 煤层全厚的钻孔，测定钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标、煤的瓦斯涌出初速度和 坚固性系数等；为准确测到瓦斯压力值，测压孔应布置在岩层致密完整处， 并且测压孔的见煤点与前探钻孔的见煤点之间的间距不得小于5 m ，否则应 将后者密封。在近距离煤层群内，层间距小于5 m 或层间岩层破碎时，可测 得这些煤层的综合瓦斯压力； ( 4 ) 石门掘进工作面与煤层之间必须留设一定厚度的安全岩柱，岩柱的尺寸应根 据预防突出措施的要求、岩石的性质、煤层倾角和地应力大小等确定。但两 者间底最小垂厚应为：急倾斜煤层不小于3 m ，缓倾斜煤层不得小于2 m ； 采用震动放炮措旎时，最小垂厚是：急倾斜煤层2 m ，缓倾斜煤层1 5 m 。 如果岩石松软、破碎，还应当适当增加垂距； ( 5 ) 石门揭穿突出煤层前，若预测有突出危险时，必须采取预防突出措施，并经 效果检验有效后，方可用震动放炮揭穿煤层；当预测无突出威胁时，可不采 取预防突出措施，但必须采用震动放炮揭穿煤层和安全防护措施； ( 6 ) 石门揭穿突出煤层前，经预测有突出危险性或瓦斯压力大于1 m p a 时，必须 采用抽放瓦斯、水力冲孔、排放钻孔、金属骨架或其他经实验有效的预防突 出措施，并配以震动放炮揭穿煤层；如果煤层瓦斯压力小于1 m p a 或煤层厚 度小于o 3 m 时，可采用震动放炮揭穿煤层。 在实施预防突出措施时，必须进行实际考察得出符合本矿井实际的有关参数。 采用排放钻孔措施预防石门揭穿缓倾斜煤层突出时，当钻孔不可能一次打穿煤层 全厚时，可采取分段打钻，但第一次打钻的钻孔穿煤长度不得小于1 5 m ，见煤后 掘进必须留有5 m 煤内钻孔超前距离。采用金属骨架措施时，必须与抽放瓦斯、 水力冲孔或排放钻孔等措施配合使用； 2 ) 从石门工作面距突出煤层垂距不小于1 0 m 处开始，直至穿过煤层进入顶( 底) 1 0 1 绪论 板2 m 的全过程作业中，都必须采取防突措施，并须编制专门设计； 3 ) 石门揭穿突出煤层的专门设计必须包括： ( 1 ) 预测有突出危险的钻孔布置，控制突出煤层层位和测定煤层瓦斯压力钻孔的 布置； ( 2 ) 建立安全可靠的独立通风系统，并加强控制通风风流设施的措施； ( 3 ) 揭穿突出煤层时的预防突出措施； ( 4 ) 准确确定安全岩柱厚度的措施； ( 5 ) 制定石门揭穿突出煤层全部作业过程中防治突出和保证人员安全的措施。 石门揭煤具体防突技术也有很大发展，有水力冲孔、排放钻孔、金属骨架、 震动放炮等，目前在我国揭煤技术上存在着的一些问题主要有： 1 ) 预测准确性不高；由于受地层条件，施工条件限制以及操作技能影响，很难准 确测定瓦斯压力，并且所费时间很长，而且钻孔指标的测试是随孔径、孔深、 取样方法不同而不同的随机变量，很难真实反映揭煤点突出状况；此外还缺乏 煤结构因素考虑，有时出现钻屑解吸值很大而没有突出危险，却盲目增加了防 突工程量，有时又出现钻屑解吸指标很小却发生突出的情况； 2 ) 震动性放炮易诱发突出；震动放炮是一项安全措施，是在没有把握消除突出危 险的情况下，采取多打眼，多装药的办法，一次性揭开煤层让该突的煤层在放 炮时突出，不伤害人员，但由于装药量大，极易诱发突出，且突出强度很大， 孔洞处理困难，且因震动放炮的震动强烈而致煤层暴露面积大，易导致巷道两 帮出现集中应力急升，后续施工中在刷齐巷道时常造成突出： 3 ) 安全揭煤岩柱很难准确控制；放炮施工受打眼、装药、岩柱等条件变化，不易 控制得恰到好处，为了保证揭煤安全，往往岩柱留得偏大( 按规定需有1 5 2 m 安全岩柱) ，经常揭不开煤； 4 ) 揭煤时间长；不管采取何种防突措旋，一般都需几个月时间，甚至几年时间， 揭煤时全井断电撤人，影响全矿井几个班生产，难以进行安全生产管理； 5 ) 耗费大；放一次震动炮一般耗炸药1 3 0 2 5 0k g ，雷管1 0 0 发左右，由于震动 大，巷道跨落、冒顶的维护等都增加了支护材料消耗，如果发生突出处理孔洞 时材料消耗更大，这些都使得掘进成本相应增加。 安徽理工大学硕士论文 1 3 本文研究内容 1 3 1 课题的提出 针对我国煤矿突出灾害，虽然国家提出了突出预测、局部防突措施、措施效 果检验、人身安全防护之“四位一体”的综合防突措旖，但仍然存在安全技术支 撑不足1 1 。在我国，公益性、前瞻性、基础性关键技术装备等安全科学技术研究、 科研资金投入、人才建设、科研基地建设等环节还很薄弱；而在美国、澳大利皿 等先进采煤国家，对瓦斯灾害的治理一般都设有专业研究机构，从人才到研究经 费都有可靠保证。目前，国家虽有支持煤矿安全科研经费投入，但还远远不能满 足煤矿安全科技发展的实际需求，而石门揭煤技术一直是技术研究部门的攻关重 点。 总体上，我国在石门揭煤过程中一直存在两大难题：一个是传统揭煤技术侧 重于安全角度而存在揭煤速度慢，揭煤时间长的问题，一个是防治措施不到位而 致安全性不够。所以，研究一种技术可行、经济合理、生产安全豹快速揭煤技术 有很大的理论和应用价值，既能提高揭煤速度、减少措施工程量、缩短工期，又 节约了成本，缓解了安全投入少的压力，寻求一种快速揭煤技术即为本论文研究 的重点。 1 3 2 本文研究内容及思路 1 3 2 1 试验区考察 考察张集矿区生产、地质状况以及煤与瓦斯突出地情况，收集相关资料，并 由此分析确定突出煤层的瓦斯压力、透气性系数、煤层瓦斯平均涌出量、钻孑l 瓦 斯涌出初速度指标、钻屑解吸指标、煤的硬度系数等基础参数。 1 3 2 2 力学分析及数值模拟 结合淮南矿业集团张集矿西一至西二采区1 3 1 煤层，建立数学模型，运用 m a t u 出软件进行数值模拟分析，分析其瓦斯流场情况，合理选取参数值，优化 钻孔布置，并根据突出规律进行瓦斯突出预测，为实现快速安全揭煤做准备。 1 3 2 3 石门揭煤危险性预测 利用现场与实验室测定的煤与瓦斯参数，运用多种参数综合参数预测方法， 对石门揭煤进行有效的突出预防。 1 3 2 4 快速揭煤现场试验 经过研究分析和模拟工作之后，结合淮南矿业集团张集矿西一至西二采区回 l 绪论 风斜巷石门现场情况，进行石门揭1 3 1 煤层试验。在判断其突出危险性后，采取 优化后的钻孔抽放瓦斯技术手段，之后检验防突效果，开始揭开煤层，并和传统 的揭煤方法进行对比分析，总结推广安全快速的石门揭煤技术。 1 3 2 5 本文研究思路 图1 研究思路 f i 1s t i l d yr o u t e 1 3 安徽理工大学硕士论文 2 石门揭煤突出的力学机制研究 2 1 引言 石门揭煤突出是一种危害性最大的突出，其突出力学机制、预测及防突措施研 究对安全揭煤都有着非常重要的意义，目前，我国的研究已有初步的成果，形成 了预测、防突措施、效果检验和人身防护措旌四位一体的综合防治技术。煤与瓦 斯突出的发生和煤的力学性质密切相关，揭煤过程中因采动的影响而使煤层透气 性变化、瓦斯压力迁移、煤体应力状态变化，在各种综合因素作用下最终发生突 出。因此，研究煤岩体的突出原理对突出危险性预测及指导揭煤工作的进行都有 着重要的意义。 2 2 石门突出类型及影响因素 2 2 1 石门揭煤突出类型 在煤矿现场，根据石门条件下发生的突出情况不同，石门突出可分为以下几 种【2 卜 1 0 】【1 8 l ： 1 ) 爆破揭开石门时的突出 在有突出危险的地点，围岩的透气性都要比煤层本身小得多。在石门巷道揭 开煤层之前，煤层内瓦斯未经排放，保持着较高的原始瓦斯压力，当放炮揭开煤 层的瞬间，具有突出危险的煤层压力状态遭到破坏，由于内外瓦斯压力梯度很大， 受地应力破坏的软煤在此瓦斯压力差的作用下抛向巷道，同时又使内部的煤体暴 露，暴露的煤体又在地应力的作用下破坏，破坏后又被瓦斯压力抛向巷道，这样 连锁的破碎及煤体抛出使突出向煤体深部扩展，形成连续的突出。其鲜明的特征 有： ( 1 ) 靠近突出点一段距离的直巷几乎都被突出煤填满，弯曲巷道或上山也有堆积； ( 2 ) 当煤层有一个软分层或几个软分层时，突出只沿着这些软分层扩展； ( 3 ) 突出孔的位置、深度及形态主要受瓦斯压力和软煤结构的分布控制。在许多大 型的突出中，突出孔深入煤层内部很远，超过1 0 m 以上，有的甚至超过6 0 m 。 2 ) 延期突出 在石门揭煤过程中，大部分的都是在放炮后即刻发生的，但也有些是在放炮 后延期一段时间才发生，即为延期突出；此外，在有些急倾斜煤层中，揭开煤层 后未能及时进行支护，引起顶部冒落，致使有突出危险的煤体突然暴露而引起突 1 4 2 石门揭煤突出的原理研究 出，也属延期突出。由于这时有人员施工，因而对安全生产威胁很大，为此，现 场必须采取一些防治措施：在爆破放炮揭煤时，要求达到o 8 5 o 9 的炮眼利用率， 保证爆出规定大小的断面，使软煤层充分暴露，创造最有利于突出的条件；在易 于冒顶处，爆破后要及时支护，以防冒顶上方有突出危险的软煤突然暴露而产生 突出。 3 ) 过煤门时的突出 爆破揭开石门时，有些地点在爆破揭开煤层时并束发生突出，而在传越煤门、 甚至过了石门后才发生突出，即过煤门突出。在过煤门时，煤层内的瓦斯流动属 于径向流动和球向流动，其瓦斯压力梯度都较煤巷工作面的单向流动高有利于突 出的发生；而且有些煤层往往在底板或顶板中存在坚硬的岩石，从较软的岩石一 方揭开时，不发生突出，但在工作面进入坚硬的岩石后却发生了突出。 4 ) 自行冲破岩柱的突出 在掘进爆破时未将煤层暴露，还留有一段岩柱，但由于地应力作用超过了安 全岩柱的强度，而致煤体自行将这段岩柱破坏产生的突出。这类突出发生的较少， 一般存在于揭开方向的岩石为硬岩且其煤体内部瓦斯压力较高( 超过2 m p a ) 的 情况。 2 2 2 煤与瓦斯突出影响因素 2 2 2 1 地质构造因素【1 3 】 据资料分析，在发生突出的地段内，煤岩层产状及其变化，地质构造的类型、 规模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等的差异，对瓦斯突出均有不同 程度的影响。在具有良好的瓦斯形成和保存的地质条件前提下，上述某些方面的 特殊性是发生突出的重要内在因素，地质构造与突出的关系主要有： 1 ) 煤岩层产状及其变化与突出的发生关系密切，在煤、岩层走向，倾向或倾角突 然变化的部位，多属于应力集中的块段，应力变化梯度大，这些部位突出的突 出危险性较大； 2 ) 突出箴险性与褶皱紧闭程度、复杂程度有关，形变量增大，突出危险性增加。 在不协调褶皱发育的多煤层矿井，不同煤层的突出危险程度，和煤层褶皱幅度、 强度密切相关； 3 ) 同煤层的不同分成比较，突出危险程度决定与层间滑动和层间揉皱的发育程 度。软硬相间的煤、岩层或同一煤层的不同自然分层，由于力学性质的差异， 在褶皱过程中往往发生层间滑动，产生层间揉皱，造成不同自然分层煤体结构 1 5 安徽理工大学硕士论文 的破坏程度的差别，破坏严重的分层，突出危险性增大； 4 ) 在褶皱的不同部位，突出危险性也有较大的差别。一般褶曲轴部的突出危险性 大于翼部，有些矿区在断层两侧牵引褶曲的轴部突出点分布较为集中； 5 ) 断裂构造是岩层受应力作用发生脆性变形的一种表现【1 4 】。沿破裂面发生明显 位移的断层，可根据两盘相对位移方向分为多种类型：按力学性质又可分为张 性、压性、扭性等几种形式，不同性质、不同力学性质及不同规模的断层，在 小断层发育、分布密集的地带，反映了构造应力分布不均衡和相对应力集中点 增多，这些部位的突出危险性也较大； 6 ) 不同的构造组合特征的块段，其突出危险程度不同。突出危险带地质构造类型 的划分，主要是以构造形态和构造组合特征为基础，还综合考虑了构造应力引 起的煤厚变化和煤体结构破坏等三项影响瓦斯突出分带的地质因素，因此，突 出危险带地质构造类型也是瓦斯突出地质条件的综合体现。 2 2 _ 2 2 煤层的影响 据有关统计，突出危险点通常分布在煤层厚度大和煤厚变化大的部位，突出 危险程度的差异与煤厚及其变化的关系有： 1 ) 在煤层厚度较稳定的多煤层矿井，各煤层的突出危险性决定于煤层的厚度，随 着煤层厚度的增大，突出危险性增加； 2 ) 在煤层厚度变化大的矿井，突出多发生在厚煤地段和煤厚变化带。凸透镜状煤 包和被薄煤带包围的厚煤地段突出危险性大； 3 ) 在煤厚度变化较大的多煤层矿井，不同煤层相比较，突出危险性随煤厚变化的 增大而增强。煤厚变化大的块段比变化小的块段突出危险性大。厚煤带还为瓦 斯的储集提供了场所，一些矿井煤层厚度变化时，瓦斯绝对涌出量也呈明显的 正比例变化，煤层厚度变化造成了瓦斯分布上的差异，煤厚变化的梯度在一定 程度上反映了瓦斯的变化梯度，造成了瓦斯突出的不均衡分布【3 】【5 】【1 5 l 【1 矾。 2 2 2 3 煤体结构的影响 通常，在原生结构的煤中不发生突出，属非突出煤；受构造应力作用，煤的 原生结构遭受破坏后所表现出的结构称为构造结构，突出煤层均具有构造结构特 征。 据统计，在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱、煤质松软的特点， 该种煤层即为软煤【1 3 l 【1 4 】。在突出矿井中，煤质变软是突出的一种预兆，所谓软分 层煤或者软团块、软煤，是与正常煤层相比较而言的。这种煤层比正常煤分层的 强度明显降低，具有