石門揭煤防突效果快速檢驗(yàn)的原理及方法研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中危害最大的災(zāi)害事故。隨著煤礦開采逐漸向深部延伸，深部礦井在揭煤過程發(fā)生突出的危險(xiǎn)性越來越大，進(jìn)行深井揭煤工作時(shí)，突出事故時(shí)有發(fā)生。究其原因，與防突效果的準(zhǔn)確檢驗(yàn)這一環(huán)節(jié)的缺失不無關(guān)系。防突效果的檢驗(yàn)實(shí)際上就是在揭開煤層之前對(duì)工作面前方煤層進(jìn)行最后一次突出預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果決定能否直接揭開煤層。因此，這種檢驗(yàn)和判斷是保證揭煤安全必不可少的重要手段。
　　由于石門揭煤工作面采取防突措施后，工作面打滿鉆孔如馬蜂窩

2、一樣，很多地方的防突效果檢驗(yàn)實(shí)際上就是采用原先突出預(yù)測(cè)的指標(biāo)對(duì)工作面前方的煤層再作一次同樣的預(yù)測(cè)，這些均存在一定的不足。如地層被破壞，殘余瓦斯壓力難以準(zhǔn)確測(cè)定；預(yù)測(cè)時(shí)間長，操作復(fù)雜；一些預(yù)測(cè)指標(biāo)的臨界值為經(jīng)驗(yàn)值，普適性較差；采用靜態(tài)預(yù)測(cè)法，覆蓋范圍較小等。因此研究一種快速而準(zhǔn)確的防突效果快速檢驗(yàn)方法是非常有必要的。
　　根據(jù)石門揭煤工作面采取防突措施前后煤層變化的特點(diǎn)，本文提出了一種新的適合快速檢驗(yàn)煤層防突效果的方法。通過理論分析

3、，得到連續(xù)鉆進(jìn)初始瓦斯流量法檢驗(yàn)石門揭煤防突效果的理論基礎(chǔ)；然后采用COMSOL Multiphysics軟件模擬不同條件下的連續(xù)鉆進(jìn)過程瓦斯涌出特性；采集有代表性的煤樣進(jìn)行100次鉆孔初始瓦斯流量測(cè)定試驗(yàn)，得到每一個(gè)煤樣的連續(xù)鉆進(jìn)初始瓦斯涌出量與瓦斯壓力的關(guān)系，根據(jù)瓦斯壓力與初始釋放瓦斯膨脹能的關(guān)系，獲得鉆孔初始瓦斯涌出量的突出臨界值。具體結(jié)論如下：
　　（1）分析打鉆過程中煤體瓦斯的流動(dòng)模型，得到向鉆孔涌出的三部分瓦斯的滲流方

4、程和解析解，采用COMSOL Multiphysics軟件模擬不同條件下的連續(xù)鉆進(jìn)瓦斯涌出特性。
　?。?）研制一套連續(xù)鉆進(jìn)初始瓦斯流量測(cè)定試驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)在向煤層打鉆的同時(shí)連續(xù)測(cè)定鉆進(jìn)過程中涌出的瓦斯流量及其分布。從西北、西南、東北、中東部的主要產(chǎn)煤省份采集11個(gè)不同變質(zhì)程度的煤樣，進(jìn)行了100次鉆孔初始瓦斯流量測(cè)定試驗(yàn)，獲得了不同煤階在不同氣體壓力下的連續(xù)鉆進(jìn)初始瓦斯流量及其分布。
　?。?）對(duì)鉆孔涌出的初始瓦斯流量分

5、布曲線進(jìn)行圖譜分析，發(fā)現(xiàn)無論是長焰煤、氣煤、焦煤還是無煙煤，鉆孔初始瓦斯流量分布均能表征煤層的不同突出危險(xiǎn)程度。
　?。?）噴孔是一種瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，屬于一種小型突出。試驗(yàn)過程中成功檢驗(yàn)到噴孔時(shí)的鉆孔初始瓦斯流量分布曲線，河南薛湖煤樣在充入0.944MPa的CO2時(shí)，檢測(cè)到噴孔時(shí)的最大瓦斯流量達(dá)到7.316L/s，是平均值的18倍。
　　（5）為了定量地描述鉆進(jìn)過程中煤體的突出危險(xiǎn)性，我們把單位長度鉆孔的初始瓦斯流量之和作為指

6、標(biāo)，也就是每鉆進(jìn)一米鉆孔涌出的瓦斯總體積，我們稱之為鉆孔初始瓦斯涌出量。研究發(fā)現(xiàn)鉆孔初始瓦斯涌出量與瓦斯壓力呈正比，瓦斯壓力越大，鉆孔初始瓦斯涌出量也越大。測(cè)定每一個(gè)煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能，得到鉆孔初始瓦斯涌出量與初始釋放瓦斯膨脹能也是呈正相關(guān)關(guān)系。依據(jù)初始釋放瓦斯膨脹能的弱突出和強(qiáng)突出的臨界值為42.98mJ/g和103.8mJ/g，得到鉆孔初始瓦斯涌出量的弱突出和強(qiáng)突出的臨界值為44.65L和92.1L，并進(jìn)行了突出模擬試驗(yàn)驗(yàn)證鉆

7、孔初始瓦斯涌出量指標(biāo)預(yù)測(cè)突出的準(zhǔn)確性。
　?。?）由于現(xiàn)場(chǎng)煤層賦存條件及地質(zhì)條件不一致，其測(cè)試條件與本試驗(yàn)相差較大，實(shí)際的突出的臨界值可能有所變化，因此。每個(gè)石門或井筒揭煤時(shí)，應(yīng)獨(dú)立考察其鉆孔初始瓦斯涌出量法的臨界值。其方法是：在預(yù)測(cè)石門揭煤突出危險(xiǎn)性時(shí)，同時(shí)測(cè)定鉆孔初始瓦斯涌出量、煤層的原始瓦斯壓力和初始釋放瓦斯膨脹能，可以得到本鉆孔初始瓦斯涌出量與初始釋放瓦斯膨脹能之間的相關(guān)關(guān)系，從而得到進(jìn)行本石門揭煤防突效果檢驗(yàn)的鉆孔初始瓦