3、蒋承林—煤与瓦斯突出预测技术-培训3

煤与瓦斯突出预测新技术中国矿业大学突出预测及安全装备研究所蒋承林教授2013年8月目录•1.煤矿井下动力现象的分类研究•2.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理•3.石门揭煤突出危险性预测方法的研究•4.石门及井筒揭煤突出快速预测技术•5.突出矿井鉴定方法及区域预测研究•6.煤巷突出预测新技术及装备•7.建议1.煤矿井下动力现象的分类研究煤矿井下的动力现象，指的是发生在巷道周围的一切具有运动和声响特征的现象。煤矿井下动力现象的种类繁多，对所有的动力现象进行笼统的研究是困难的，必须对这些动力现象按其性质进行准确的分类，将具有相同属性的现象放在一起进行研究，这将有利于揭示各种动力现象的本质和规律。•进行井下动力现象的分类必须要有一定的标准。分类的标准不同，则分类的结果就不一样。后续的防治思路就不一样。确定分类标准应当了解井下各种动力现象本质特征。任何一种井下动力现象的发生都离不开“力”和“介质”。“力”是动力现象产生的原因，“力”的种类不同，产生的动力现象也不一样。“力”是动力现象产生的一个重要的内因，是一个最重要的分类指标。“介质”是动力现象产生的物质基础，“介质”不同，在同一个力的作用下会产生不同的现象。因此，对井下动力现象的分类应该从“力”和“介质”两个方面进行。动力现象分类的标准煤矿井下动力现象的分类结果根据井下动力现象的分类结果，煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯压力共同作用于含瓦斯软煤时产生的动力现象。在发生突出时，一定要有煤体受瓦斯压力推动的迹象。它与压出及卸压瓦斯的喷出属于同一类。对于同一类的动力现象，其产生的原因及介质是相同的，因此，采用的预测方法及防治方法也是相同的。但是倾出是由重力引起的；原始洞缝中的瓦斯喷出仅由洞缝中的气体压力引起，与突出并不属于同类现象，防治的方法也不同。同一位置的煤体在各种不同的“力”的作用下，有可能发生不同的动力现象。如倾出与突出，这在急倾斜煤层中是常见的。要防止这两类动力现象的发生可以从两个方面分别对其进行预测和预防。⑴.突出机理研究解释突出原因和突出过程的理论称为突出机理研究现状：综合学说对于突出过程是怎样进行的？地应力、瓦斯压力及煤体强度三种因素是如何作用的？并没有说清楚。现场有些突出现象也无法解释。如延期突出，突出孔洞的形成过程，过煤门突出等等。原因：对于突出过程的研究还没有人从系统和动态的角度去探索。2.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t煤与瓦斯突出南桐东林矿+310m水平石门突出，突出煤量130t3.煤与瓦斯突出机理的球壳失稳理论图3-1掘进头及突出孔洞顶端处的形状(a)掘进头；(b)突出孔洞(单位：m)[]4⑴掘进头前方的静态应力场巷道岩体弹性带破裂带煤体巷道弹性带破裂带煤体图3-2球形应力场中的微元体球形应力场中的微元体球形应力场中的静态应力场分布rpkArRPAA0111011104111.cot[()].sinsinpkArRPAA011111011104111.cot[sinsin()].sinsin破裂带弹性带rtpppAwRrRrRrk111010120333333{().(.cot)×[()]}sinsinRRPAAp0412211tppAwRrRr1112012203333{().RrkRRPAApp330412220111(.cot)[()]}sinsin掘进头前方的静态应力场掘进头前方含瓦斯煤体内的的静态应力场掘进头前方非突出状态下的动态应力场⑵.突出过程的动态应力场⑶.单个煤体质点在突出过程中的变化•(1)原始应力状态•(2)应力集中过程•(3)地应力破坏过程•(4)瓦斯撕裂裂纹过程•(5)煤壳失稳抛出阶段•(6)搬运及静止解吸阶段⑷.发生煤与瓦斯突出的力学条件•①含瓦斯煤体在地应力作用下发生剪切破坏•②煤体内的裂隙在瓦斯压力作用下扩展•③裂缝扩展形成的煤壳在瓦斯压力作用下失稳破坏⑸.球壳失稳假说•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假说。突出过程中的能量耗散规律•在前三个阶段，地应力起主要作用；在后三个阶段，瓦斯压力起主要作用。•地应力作用产生的弹性潜能消耗在煤体的破碎过程中，增大了煤体的表面能，为煤体内瓦斯的释放创造了条件。但决定煤体破裂后能否突出的是煤体内初始释放的瓦斯膨胀能，煤样的初始释放瓦斯膨胀能代表了地应力，瓦斯压力及煤体强度三者在突出过程中的作用。⑹.球壳失稳假说的解释性研究•①可以解释以往的假说所解释的各种突出现象；•②可以解释以往的假说所不能解释的现象，如过煤门时的突出，突出孔洞的形成机理，延期突出产生的原因，爆破对突出的影响，金属栅栏抑制突出的机理及突出过程中的温度变化的原因等等。⑺.球壳失稳假说的验证(爱丁顿伯爵)•推论1：如果在突出过程中某处煤体能够满足第一和第二个力学条件，但不满足第三个力学条件，则球盖状的煤壳将不抛出，并保留在原地，阻碍突出的发展。通过煤与瓦斯突出模拟试验可以找到这种球盖状煤片。弱突出后的残余煤样残余煤样沿中部锯开后的情况推论2•突出煤体暴露后，就会在地应力作用下很快破坏，要就在瓦斯压力推动下发生突出；否则，暴露面附近的煤体内的瓦斯会通过径向裂隙很快释放出去，在暴露面处形成一个卸压带，不可能产生延期一段时间后再突出的情况。因此，延期突出中的延期现象不是突出煤体本身造成的，只可能是在突出煤体前面残存的部分硬岩或硬煤发生蠕变破坏造成的。推论3•突出的发生需要连续满足的三个力学条件，如果我们增加巷道中的大气压力，也就是增加第二和第三个条件中的大气压力P2，就会使得突出停止或不发生。ppMKaifc2112≥ppRtEtRimiiiii222100087520100017503≥[.()](.)(.)增压揭煤实验原理图增压揭煤实验•图7-29增压爆破法揭开煤层的设想•1—巷道；2—安全岩柱；3—前探钻孔；4—压气管；•5--放炮电缆及管路；6--密闭墙；7--密闭门；•8--煤层；9--阀门3.石门揭煤突出危险性预测方法的研究无论是石门揭煤还是井筒揭煤，当忽略重力的作用时，可得如下简化的模型。依据突出的三个力学条件，石门揭煤的突出影响因素有：自然因素：地应力，瓦斯压力，煤体的强度，软煤厚度，阻挡层及软煤透气性系数。人为因素：等待时间，阻挡层的厚度，进尺长度，钻孔数量，钻孔分布，钻孔长度，钻孔直径及排放间。人为因素的作用：影响软煤中瓦斯的泄漏量及瓦斯压力的分布，不可能增加煤层内的瓦斯压力及突出危险性。“理想石门揭煤”突出预测模型：假定阻挡层及煤层的透气性为零，按致密坚硬岩层条件下突然揭开石门的情况来考虑，这时煤层内瓦斯的泄漏量为零，突出危险性最大。这时人为因素不起作用，仅有自然因素的影响。突出预测指标的确定：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。石门揭煤的突出预测指标为初始释放瓦斯膨胀能及软煤厚度。突出预测指标的科学检验：针对每一个石门，测定突出预测指标，然后在正常生产条件下揭开煤层，观测是否发生突出动力现象，由此获得一个样本(突出或非突出)。这种样本一般需要30个左右，多多益善。然后用判别分析法确定这些样本的临界值，按此临界值对这些样本进行回判，如果回判准确率较高，则证明该方法准确；否则，则被淘汰。如果该石门预测后采取了防突措施，则该样本作废。无论是在实际的石门揭煤，还是突出模拟试验，发生突出的原理是一样的。因此，这种检验也可在突出模拟试验中进行，并且突出模拟过程更符合“理想石门揭煤”的预测模型。打钻取样取出的煤样(含有地应力作用的痕迹)非突出弱突出(压出)突出点击此处看突出视频初始释放瓦斯膨胀能测定各次突出模拟中预测指标的测定1.软煤厚度；2.初始释放瓦斯膨胀能。喷口打开后罐内瓦斯压力的变化发生不同动力现象的煤样中涌出的瓦斯膨胀能与时间的关系曲线突出模拟数据的线性判别分析法处理结果弱突出的临界值：42.98mJ/g，准确率96.7%突出的临界值：和103.8mJ/g。准确率90.9%石门及井筒揭煤突出危险性预测方法：采集石门及井筒周围卸压带范围内最软的煤体，测定其最大的初始释放瓦斯膨胀能，按“理想石门揭煤”条件下是否突出来预测。4.石门及井筒揭煤突出快速预测技术意义：减小预测占用的时间，快速拿出预测的结果，提高掘进的速度。思路：⑴.加快煤层瓦斯压力的测定速度；⑵.用完整煤芯取芯器采集整个煤层的煤芯；⑶.突出参数测定；⑷.与临界值相比，确定是否突出。快速测压的原理⑴.加快煤层瓦斯压力的测定速度复杂地质条件下影响瓦斯压力测定:⑴.瓦斯压力测定前必须进行地层处理。⑵.向煤层至少打两个以上的钻孔，且两个钻孔见煤点至少相距10m以上。快速测压步骤：①先打一个Ф113mm，2.3m时深的钻孔。②注浆加固孔口管，注浆压力达6MPa，孔口管外不跑浆为止。③注水进行孔口管耐压试验，要求耐压超过当地地下水压，稳定时间不小于30min。④用Ф75mm钻头打孔直到距煤层0.5m左右。⑤注单液浆，先稀后浓，注浆终压达当地地下水压以上或5～6包水泥。⑥待水泥浆凝固8h左右，用Ф75mm钻头扫孔，钻进入煤1～1.5m左右停钻。⑦封孔测压。充气加速压力稳定。粘液封孔器封孔原理图薛湖煤矿T1测压钻孔瓦斯压力测定曲线(见煤后12小时封孔)00.511.522.5301020304050607080时间（h）瓦斯压力（MPa）第2次第1次图6-8屯留北风井T1钻孔瓦斯压力测定曲线00.30.60.91.21.501020304050时间(h)瓦斯压力(MPa)第一次测定第二次测定(见煤后半小时封孔)图6-9淮南潘一矿第二副井11＃煤瓦斯压力曲线00.40.81.21.6201020304050时间（h）瓦斯压力（MPa）1号孔3号孔(见煤后半小时封孔)⑵.用完整煤芯取芯器采集整个煤层的煤芯必要性：只有取出工作面前方煤层整个煤厚的煤芯，并且尽量减少取芯过程对煤芯的破坏，才能保证不致于丢失软分层，客观地对煤层的突出危险性进行预测。井下突出煤层取芯器。采用双管单动机构，内管偏心，确保打钻取芯期间内管始终不动，将外管划出的煤芯装入内管保护起来。同时采用压风和外管的螺旋机械排渣，确保钻进过程中排屑通道的畅通。井下取芯情况薛湖煤矿取芯情况屯留煤矿北风井取芯情况潘一矿第二副井取芯情况⑶.突出参数测定①.测定煤芯煤样的D,K综合指标根据《防突细则》的要求，测定煤样的硬度，瓦斯放散初速度及煤的类型，计算综合指标D,K；硬度测定放散初速度测定D、K综合指标法该法是抚顺煤炭研究分院提出的，其指标是：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——层瓦斯压力，取两个测压孔实测瓦斯压力的最大值(绝对压力值)，MPa；△P——煤层软分层煤的瓦斯放散初速度指标。)74.0)(30075.0(pfHDfPK②.测定煤芯煤样的初始释放瓦斯膨胀能序号矿井煤层煤种压力硬度△PDK1薛湖二2无烟煤1.120.2214