專利名稱：石門揭煤動力現(xiàn)象預(yù)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于煤礦井下在揭開煤層時(shí)是否會發(fā)生動力現(xiàn)象及發(fā)生哪一類動力現(xiàn)象的預(yù)測方法，從而提醒各級生產(chǎn)管理人員采取相應(yīng)的安全措施，防治事故的突然發(fā)生，本發(fā)明屬于煤礦災(zāi)害預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域。
眾所周知，目前在煤礦井下對于石門揭煤動力現(xiàn)象的預(yù)測方法，普遍采用的傳統(tǒng)作法為綜合指標(biāo)法，即執(zhí)行中華人民共和國煤炭工業(yè)部制訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第26條的規(guī)定石門揭開突出煤層前，應(yīng)選用綜合指標(biāo)法或石門鉆屑量指標(biāo)法預(yù)測工作面突出危險(xiǎn)性。其綜合指標(biāo)法的步驟如下1.在巖石工作面向突出煤層至少打兩個(gè)測壓鉆孔，測定煤層內(nèi)的瓦斯壓力。
2.在打測壓鉆孔的過程中，每米煤孔采取一個(gè)煤樣，測定原煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f。
3.將兩個(gè)測壓鉆孔所測得的堅(jiān)固性系數(shù)最小值加以平均，作為煤層軟分層的平均堅(jiān)固性系數(shù)。
4.將堅(jiān)固性最小的兩個(gè)煤樣混合后，測定煤樣的瓦斯放散初速度指標(biāo)。
突出煤層的區(qū)域突出危險(xiǎn)性(或工作面的突出危險(xiǎn)性)，可按下列兩個(gè)綜合指標(biāo)來判斷D=(0.0075Hf-3)(P-0.74)-----(1)]]>K=ΔPf-----(2)]]>式中D—煤的突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)之一。
K—煤的突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)之一。
H—開采深度，m。
P—煤層瓦斯壓力，取兩個(gè)測壓鉆孔實(shí)測瓦斯壓力的最大值，MPa。
ΔP—煤層軟分層的瓦斯放散初速度指標(biāo)。
f—煤層軟分層的平均堅(jiān)固性系數(shù)。
綜合指標(biāo)D和K的突出危險(xiǎn)臨界值，應(yīng)根據(jù)本礦區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)確定。將該煤層的測定結(jié)果與本礦區(qū)的突出臨界值相比較可將該煤層確定為突出危險(xiǎn)煤層或突出威脅煤層兩類。
以上技術(shù)的不足之處在于現(xiàn)有的石門揭煤危險(xiǎn)性預(yù)測方法是人們對突出過程的認(rèn)識尚處于經(jīng)驗(yàn)時(shí)期的產(chǎn)物，盡管人們認(rèn)識到，突出過程與地應(yīng)力，瓦斯壓力及煤體強(qiáng)度等因素有關(guān)。但是，目前在井下，地應(yīng)力的測定是非常困難的，在軟煤中幾乎是無法測定，而突出恰恰是發(fā)生在這樣的軟煤中。因此在現(xiàn)有的技術(shù)中，采用了煤層的賦存深度H來代替地應(yīng)力的作用，這是不合理的。盡管地應(yīng)力與煤層的賦存深度成正比，但地應(yīng)力的大小更與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，有些現(xiàn)場地應(yīng)力的測定數(shù)據(jù)表明水平構(gòu)造應(yīng)力達(dá)到地層平均應(yīng)力的20倍以上，因此采用煤層的賦存深度指標(biāo)H，來反映地應(yīng)力的作用誤差太大。此外，突出主要發(fā)生在軟煤層中，從煤層中取出的煤樣無一不受到地應(yīng)力的破壞，越是具有突出危險(xiǎn)的軟煤，這種破壞性就越大?，F(xiàn)有的技術(shù)中采用所取煤樣的堅(jiān)固性指標(biāo)f來代替煤樣的原始煤體強(qiáng)度指標(biāo)也是不準(zhǔn)確的。由于這些因素的影響，現(xiàn)有的技術(shù)沒有統(tǒng)一的突出臨界值，這給現(xiàn)場在使用上帶來不便，難以把握，特別是那些沒有多次石門揭煤經(jīng)驗(yàn)的地方尤其如此。因此煤礦現(xiàn)場迫切需要一套新的石門揭煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測方法，這套新的預(yù)測方法中指標(biāo)應(yīng)能夠直接從現(xiàn)場測定、并能夠直接根據(jù)測定的指標(biāo)值大小預(yù)報(bào)石門揭煤時(shí)是否會發(fā)生動力現(xiàn)象以及會發(fā)生哪一類動力現(xiàn)象，為煤礦現(xiàn)場的科學(xué)管理提供依據(jù)。這正是本發(fā)明的目的之所在。
本發(fā)明的任務(wù)是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的為生產(chǎn)現(xiàn)場提供一套可靠的準(zhǔn)確的石門揭煤時(shí)突出危險(xiǎn)性預(yù)測方法。
根據(jù)近年來對突出機(jī)理的研究結(jié)果表明，在煤與瓦斯突出過程中，煤體的破壞是以球殼失穩(wěn)的形式破壞，突出陣面推進(jìn)過程中所遇到的任一煤體質(zhì)點(diǎn)都經(jīng)歷了①原始地應(yīng)力階段，②應(yīng)力集中階段，③應(yīng)力破壞煤體階段，④瓦斯撕裂煤體階段，⑤瓦斯拋出煤殼階段，⑥搬運(yùn)及靜止解吸階段。在前三個(gè)階段，煤體的破壞以地應(yīng)力作用為主，地應(yīng)力的作用在于破壞煤體，為煤體內(nèi)瓦斯的釋放創(chuàng)造了條件，在后三個(gè)階段中，煤體的破壞以瓦斯壓力為主，瓦斯能否撕裂煤體、能否將形成的煤殼拋射出去決定于煤體受地應(yīng)力破壞后釋放出來的初始瓦斯能的大小，煤體受地應(yīng)力破壞后越破碎，原始瓦斯壓力越高，煤體內(nèi)初始釋放的瓦斯能就越大，這些瓦斯能中具備做功能力的初始釋放瓦斯膨脹能就越大，突出就越容易發(fā)生。這些對突出過程的描述稱之為煤與瓦斯突出的“球殼失穩(wěn)”機(jī)理，它的結(jié)論已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。利用這些結(jié)論不但可以解釋以前的假說及其突出現(xiàn)象，還可以解釋現(xiàn)場一些過去不能解釋的現(xiàn)象。球殼失穩(wěn)機(jī)理的發(fā)現(xiàn)為本發(fā)明提供了理論上的依據(jù)。
下面對本發(fā)明的實(shí)施方法作一簡單介紹，在揭開煤層之前，首先在掘進(jìn)工作面通過巖層打一穿層鉆孔，取出完整煤芯，其第一個(gè)作用就是由煤芯可以準(zhǔn)確測定出軟分層的厚度H。根據(jù)球殼失穩(wěn)機(jī)理給出的發(fā)生突出的力學(xué)條件分析，實(shí)際煤層中軟分層的厚度也是決定該軟分層是否發(fā)生突出等動力現(xiàn)象的重要因素之一。第二，完整的煤芯中，保留了地應(yīng)力作用的“痕跡”，地應(yīng)力越大，煤芯中軟分層煤樣就越破碎，軟分層原始強(qiáng)度越低，取出的煤芯也越破碎。因此軟分層煤樣的裂隙分布狀況綜合反映了地應(yīng)力與原始煤體強(qiáng)度對突出過程的影響。
第二步，封孔測定煤層原始瓦斯壓力及煤層的溫度，它是為煤樣的初始釋放瓦斯能的測定確定環(huán)境條件。
第三步，進(jìn)行煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能的測定。初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)可以在初始釋放瓦斯能測定裝置上測出來，該測定裝置的機(jī)械部分見

圖1所示，控制電路部分見圖2所示。首先將軟分層煤樣置于初始釋放瓦斯能測定裝置中，充入與原煤層同樣壓力的瓦斯，在與原煤層同樣的溫度下恒溫保持8小時(shí)后，突然打開該裝置上的閥門，煤樣罐內(nèi)瓦斯氣流的壓力與溫度變化均由煤樣罐上的壓力傳感器、溫度傳感器通過控制電路在計(jì)算機(jī)中記錄下來，由此，可以測出由噴口噴出來的瓦斯氣流中動能的大小隨時(shí)間的變化曲線。再用同體積的鐵塊放入該測定裝置中，在同樣的條件下測出另一條能量曲線，將兩條能量曲線相減就是一條表示由煤樣中涌出的瓦斯流的動能曲線，它相當(dāng)于從煤體內(nèi)釋放出來的具備做功能力的瓦斯膨脹能曲線。在10秒的時(shí)間內(nèi)對煤樣的瓦斯動能曲線進(jìn)行積分后除以煤樣的重量，可得煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)Wp。煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)Wp是一個(gè)綜合指標(biāo)，它反映了地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體原始強(qiáng)度等幾個(gè)因素對突出過程的影響，它也是本發(fā)明的關(guān)鍵步驟。
第四步，將測得的軟分層厚度H(單位毫米)，初始釋放瓦斯膨脹能Wp(單位毫焦耳/每克煤)分別代入下面三類動力現(xiàn)象判別函數(shù)式中，計(jì)算可能發(fā)生各類動力現(xiàn)象的判別函數(shù)值無動力現(xiàn)象時(shí) f1(Y)＝f1(Wp，H)(3)壓出時(shí) f2(Y)＝f1(Wp，H)(4)突出時(shí) f3(Y)＝f3(Wp，H)(5)再由下式計(jì)算出發(fā)生各類動力現(xiàn)象的后驗(yàn)概率 若 則將該軟分層歸屬于kg類，也就是說該軟分層在揭開后會發(fā)生kg類的動力現(xiàn)象。
第五步，如果一個(gè)煤層中有多個(gè)軟分層，則分別對這多個(gè)軟分層按照上述步驟進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測，以所有軟分層中可能發(fā)生的最大的動力現(xiàn)象作為整個(gè)煤層突出危險(xiǎn)性的預(yù)報(bào)結(jié)果。
下面對本發(fā)明所提交的附圖作進(jìn)一步的描述圖l為初始釋放瓦斯能測定裝置，它由鋼制煤樣罐(1)，測試煤樣(2)，過濾網(wǎng)(3)，測壓與測溫傳感器(4)，鋼制漸縮噴口(5)，銅制球閥(6)，充氣口(7)，鋼制閥把(8)，信號采集電路(9)所組成。
圖2為信號采集電路(9)的圖。
圖3為數(shù)據(jù)采集工作流程圖。
測定時(shí)，快速將球閥的閥把(8)轉(zhuǎn)動到90°的位置上，煤樣罐內(nèi)的瓦斯氣流將迅速從漸縮噴口5涌出，閥把打開的同時(shí)帶動槽式藕合器上的阻隔片start，啟動計(jì)算機(jī)開始采集數(shù)據(jù)。測定過程的工作流程見圖3所示。開始時(shí)，計(jì)算機(jī)一邊采集高壓傳感器信號和溫度信號，一邊將采集到的高壓傳感器信號與電磁閥DCF0的啟動值d1相比較，當(dāng)高壓傳感器的壓力值降到d1時(shí)，由PIO電路板發(fā)出信號，驅(qū)動放大電路MC1413將繼電器J0接通，電磁閥DCF0打開，計(jì)算機(jī)開始采集高壓、中壓及溫度信號。同樣，在采集過程中，計(jì)算機(jī)不斷將中壓信號與電磁閥DCF1的啟動值d2比較，一旦中壓信號降到d2以下，PIO電路板發(fā)出信號，驅(qū)動放大電路MC1413將繼電器J1接通，電磁閥DCF1打開，計(jì)算機(jī)開始采集高壓、中壓、低壓及溫度信號。當(dāng)?shù)蛪盒盘栔到档浇刂怪礵3時(shí)，整個(gè)測定工作結(jié)束。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它依據(jù)的是的對突出過程的理論研究成果。根據(jù)關(guān)于突出的″球殼失穩(wěn)″機(jī)理，所取的煤樣中裂隙的分布狀況反映了地應(yīng)力與煤體原始強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果，而單位重量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)Wp又綜合反映了瓦斯壓力及煤樣裂隙分布狀況，因此，測定煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能也就相當(dāng)于測定了原始煤層中的地應(yīng)力、煤體強(qiáng)度及瓦斯壓力對突出過程的綜合作用，也就把原先無法測定的指標(biāo)變成了可測定的指標(biāo)。無論實(shí)際煤層內(nèi)地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度怎樣變化，都可通過煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能反映出來。由于在本發(fā)明中，所需測定的指標(biāo)都是可以準(zhǔn)確測定的指標(biāo)，如瓦斯壓力，溫度，軟分層厚度以及煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能等指標(biāo)，因而采用本發(fā)明所敘述的方法來預(yù)測煤層揭煤時(shí)的動力現(xiàn)象時(shí)就比較準(zhǔn)確。此外，本發(fā)明中所給的判別函數(shù)適用于一切含瓦斯的軟煤層，不管煤層內(nèi)所含氣體是CH4還是CO2，無論在任何煤礦，均可使用。
目前，采用該發(fā)明已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對46次突出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測。實(shí)驗(yàn)是在一超大型突出模擬裝置上進(jìn)行的，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，將幾十公斤粉煤樣放入突出模擬裝置中，在500噸的壓力機(jī)下用不同的壓力壓制成型(相當(dāng)于煤礦現(xiàn)場的V類突出煤)，然后充入不等的瓦斯壓力，吸附48小時(shí)。根據(jù)理論分析，這時(shí)突出模擬裝置中的煤樣相當(dāng)于獨(dú)立的小煤層。在吸附瓦斯平衡后突然打開突出裝置的側(cè)面突出口，由于突出裝置中各次的條件不一樣，突出裝置中的煤樣發(fā)生了不同程度的動力現(xiàn)象，有突出，有壓出，也有的沒有發(fā)生任何動力現(xiàn)象，而用上述三個(gè)判別函數(shù)根據(jù)每次測定的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)Wp及軟分層厚度H進(jìn)行判別預(yù)測，其準(zhǔn)確率達(dá)100％。
權(quán)利要求
1.一種用于煤礦井下揭開煤層時(shí)動力現(xiàn)象的預(yù)測方法，其特征在于將全新的測試原理，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完整的測定裝置與測試過程結(jié)合在一起，相輔相成構(gòu)成的一種新的預(yù)測方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揭煤動力現(xiàn)象預(yù)測方法，其特征在于預(yù)測原理為煤層的突出危險(xiǎn)性與地力，瓦斯壓力及煤體強(qiáng)度密切相關(guān)，也與煤層中軟分層的厚度密切相關(guān)，而單位重量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)綜合反映了地應(yīng)力，瓦斯壓力及煤體強(qiáng)度等因素對突出過程的影響。通過測定煤層中軟分層的厚度和單位重量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能這兩個(gè)指標(biāo)可以準(zhǔn)確地預(yù)測出煤層的突出危險(xiǎn)性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的揭煤動力現(xiàn)象的預(yù)測方法，其特征在于揭煤前通過打鉆取出煤層的完整煤芯，測出各段軟分層的厚度，煤層的原始瓦斯壓力，煤層溫度，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用所取軟煤測出單位重量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)，將軟分層厚度及單位重量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能兩個(gè)指標(biāo)代入判別函數(shù)，預(yù)測出所測煤層在將來揭開時(shí)會發(fā)生突出、壓出還是無動力當(dāng)中的哪一類現(xiàn)象以及相應(yīng)的概率。
4.一種用于測量煤樣初始釋放瓦斯能的測定裝置，其特征在于該裝置由煤樣罐(1)，帶球閥的漸縮噴口(5)，壓力傳感器，溫度傳感器(4)，電磁閥，槽式藕合器及與電子計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(9)構(gòu)成，當(dāng)煤樣罐(1)內(nèi)的煤樣(2)吸附瓦斯平衡后，快速打開球閥(6)的閥把(8)，煤樣罐(1)內(nèi)的煤樣(2)中的瓦斯將快速通過過濾網(wǎng)(3)和漸縮噴口(5)進(jìn)入大氣，煤樣罐(1)上的壓力傳感器和溫度傳感器(4)就通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)將煤樣罐(1)內(nèi)瓦斯氣流的總壓與總溫記錄下來。通過數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理，可以計(jì)算出由煤樣罐內(nèi)煤樣中涌出的單位重量煤樣的初始釋放瓦斯能和初始釋放瓦斯膨脹能曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煤樣初始釋放瓦斯能測定裝置，其特征在于煤樣罐(1)上裝有三個(gè)量程不同的壓力傳感器及溫度傳感器、電磁閥，能測定出煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力變化時(shí)由煤樣中涌出的初始釋放瓦斯能及初始釋放瓦斯膨脹能。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煤樣初始釋放瓦斯能測定裝置，其特征在于數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(9)由硬件和軟件組成，硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集板、可編程六路PIO接口板、驅(qū)動放大電路組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于煤礦井下石門揭煤動力現(xiàn)象預(yù)測的方法及裝置，其特征在于只需測定工作面前方煤層中軟分層的厚度，軟分層煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)就可以判斷在該煤層全面揭開時(shí)是否會發(fā)生動力現(xiàn)象，以及會發(fā)生突出、壓出的無動力三種現(xiàn)象當(dāng)中的哪一類現(xiàn)象。由于本發(fā)明不測定那些與突出過程密切相關(guān)的地應(yīng)力、原始煤體強(qiáng)度等無法測定的指標(biāo)，而去測定既可以準(zhǔn)確測定又綜合反映了地應(yīng)力、原始煤體強(qiáng)度及瓦斯壓力對突出過程綜合影響的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)，因而，采用本發(fā)明預(yù)測的結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高。
文檔編號E21F17/00GK1117113SQ9411137
公開日1996年2月21日 申請日期1994年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月29日
發(fā)明者蔣承林, 俞啟香, 周世寧, 陳松立 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)