煤巷工作面突出危险性预测模型构建及辨识体系研究

发布时间：2020-03-23 05:44

【摘要】：煤巷工作面作为井下突出事故最易多发的地点,开展煤巷工作面突出发动机制及突出预测体系完善工作对突出发生的防治极其重要。对一个实际的煤巷工作面开展突出预测工作时,预测结果的准确性及可信性依赖于预测指标选择的合理性及其临界值确定的可靠性、预测钻孔布置的科学性以及预测钻孔动力现象表征突出危险性辨识的准确性。本文以岩石断裂力学、瓦斯渗流理论为理论基础,采用理论分析、数值模拟、实验室试验及工程应用试验相结合的研究方法,开展了煤巷工作面突出危险性影响因素影响成因的研究,并在分析不同应力加载模式下煤体发生破坏所需应力临界条件的基础上,提出了一个可表征煤巷工作面突出危险性水平最大情况时的突出预测理论模型;搭建了模拟煤巷工作面预测指标测定平台,并基于该平台,开展了钻屑量测定影响因素权重理论分析及实验室测定试验,检验了该平台的可靠性,表明了突出预测模型的优越性;揭示了喷孔、卡钻等钻孔动力现象间的联动体系及其与突出危险间的直观联系;基于钻孔初始瓦斯流量预测指标,建立了钻孔初始瓦斯流量临界值划定体系;量化了煤巷工作面突出预测钻孔布置模式;开发了钻孔初始瓦斯流量现场测定系统并成功实施工程应用试验。主要取得以下研究结论:(1)煤巷工作面煤岩体随应力加载模式的不同而表现差异化的失稳破坏形态及临界受力条件。简化其突然暴露时的受力状态为围压加载,并考虑其内瓦斯无泄漏,此时的煤岩体具有的突出危险性水平最高,以此模型搭建煤巷工作面突出预测指标测定平台,得到的预测指标判别突出危险性临界值可实现判别不突出危险准确率为100%。(2)基于实验室搭建的煤巷工作面突出预测指标测定平台开展了钻屑量测定实验,根据初始释放瓦斯膨胀能判别突出危险性的临界值得到的钻屑量判别突出危险性的临界值预测突出危险性准确率为93.75%,远大于《防治煤与瓦斯突出规定》中钻屑量提供的参考临界值所回判的突出危险性准确率。表明了本煤巷工作面突出预测试验平台的优越性。(3)煤巷工作面的突出危险性水平越高,突出预测钻孔发生瓦斯动力现象的频率越大。发生喷孔现象表明预测区域内的煤体具有突出危险性,顶钻现象可以视为喷孔现象发生的预兆。而发生卡钻现象的原因多样化,表征煤体具有突出危险性的卡钻现象一般和喷孔现象相伴而生,相继触发,两者构成了联动体系。(4)钻孔初始瓦斯流量是能反应地应力、瓦斯压力及煤体性质的综合突出危险性预测指标,在实验室开展其应用于现场指导的突出危险性预测临界值判定实验,最需调控的影响因素是模拟煤层的瓦斯压力及打钻的钻进速度。(5)预测钻孔的开孔距离与巷帮控制范围及预测超前距成正比,与预测深度成反比。选取预测钻孔的开孔距离为0.5m时可以保证在不同预测条件下满足工作面在经过新一轮的突出预测后继续推进,其推进距离达到上一轮预测留下的预测超前距离时,能够进入新一轮预测形成的有效预测带内。(6)无明显软分层但存在硬煤体裹挟“煤包”式构造软煤体的煤巷工作面,突出预测钻孔应在控制煤体范围内均匀布置,预测钻孔在终孔截面保持的钻孔间宽度宜为4~6m,高度需根据已探构造普遍范围决定。根据预测钻孔布置后的煤巷工作面可能的突出煤量可进一步调整预测钻孔的布置。该论文有图93幅,表29个,参考文献222篇。
【图文】：

瓦斯压力,突出危险性,煤体强度,煤体

图 2-4 煤体突出危险性与瓦斯压力及煤体强度之间的关系[90]re 2-4 The relationship between outburst risk and gas pressure, coal s吸能力斯的解吸能力实质上决定了煤体在地应力下发生初始破生失稳形成层裂煤体。由于突出过程一般仅数秒，瓦斯初的发动密切相关。研究表明构造煤的瓦斯吸附总量远远大煤相比，构造煤瓦斯解吸初期速度更大，可达数倍于非构同时解吸速率随粒径的增大而减小，但在极限粒径以上的吸速度影响较小[49]。研究也表明前 60s 瓦斯解吸速率规律。煤体解吸能力越大，裂纹中积聚的瓦斯压力越大，式于裂纹的扩展及进一步撕裂煤体，使层裂煤体发生失稳般仅持续数十秒，且突出过程所需的能量主要为瓦斯能煤及构造变形煤的最初十几秒瓦斯解吸规律及瓦斯能量结果表明在瓦斯解吸过程中，构造煤的瓦斯压力降低速率瓦斯解吸速率比非构造煤大，在最初的几秒两种煤样中绝

应力监测,煤岩柱,围压

图 2-10 应力监测面和监测线Figure 2-10 The surface and line monitoring stress拟过程中，模型试件#1、#2 以步进 0.1MPa 加载围压，每次果，以抗压强度是抗拉强度的 10 倍时的模拟结果为例进行分析过自制的真三轴应力加载装置实施了砂岩在三向不等应力模式果表明随着最小主应力的减小，砂岩会从产生压应变逐渐变为应力大小越接近最大主应力，砂岩发生拉应变的量越大。在井的工作面，会发现工作面前方产生了平行于工作面的横向张裂，在给煤岩柱施加围压时，煤岩柱内部所承受的应力应该是平选取代表性的 3 组围压模拟后的应力分布结果，分析试件内部的变化规律，如图 2-11 所示。从图 2-11 可以看出，在围压加现的应力类型为拉应力，随着围压的增大，两种煤岩柱的轴向围压达到 2.7MPa 时，在煤岩柱的中部位置轴向拉应力峰值达强度，1.17MPa；围压达到 1.9MPa 时，在煤岩柱的中部位置到#2 岩柱的抗拉强度，0.457MPa。模拟得到的抗拉强度比表抗拉强度略小 3.8%。当围压值已使煤岩柱受的拉应力达到抗拉
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD713

【参考文献】