石门揭煤防突效果快速检验的原理及方法研究

发布时间：2017-11-25 23:09

  本文关键词：石门揭煤防突效果快速检验的原理及方法研究

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【摘要】：煤与瓦斯突出是煤矿生产中危害最大的灾害事故。随着煤矿开采逐渐向深部延伸,深部矿井在揭煤过程发生突出的危险性越来越大,进行深井揭煤工作时,突出事故时有发生。究其原因,与防突效果的准确检验这一环节的缺失不无关系。防突效果的检验实际上就是在揭开煤层之前对工作面前方煤层进行最后一次突出预测,根据预测结果决定能否直接揭开煤层。因此,这种检验和判断是保证揭煤安全必不可少的重要手段。由于石门揭煤工作面采取防突措施后,工作面打满钻孔如马蜂窝一样,很多地方的防突效果检验实际上就是采用原先突出预测的指标对工作面前方的煤层再作一次同样的预测,这些均存在一定的不足。如地层被破坏,残余瓦斯压力难以准确测定;预测时间长,操作复杂;一些预测指标的临界值为经验值,普适性较差;采用静态预测法,覆盖范围较小等。因此研究一种快速而准确的防突效果快速检验方法是非常有必要的。根据石门揭煤工作面采取防突措施前后煤层变化的特点,本文提出了一种新的适合快速检验煤层防突效果的方法。通过理论分析,得到连续钻进初始瓦斯流量法检验石门揭煤防突效果的理论基础;然后采用COMSOL Multiphysics软件模拟不同条件下的连续钻进过程瓦斯涌出特性;采集有代表性的煤样进行100次钻孔初始瓦斯流量测定试验,得到每一个煤样的连续钻进初始瓦斯涌出量与瓦斯压力的关系,根据瓦斯压力与初始释放瓦斯膨胀能的关系,获得钻孔初始瓦斯涌出量的突出临界值。具体结论如下:(1)分析打钻过程中煤体瓦斯的流动模型,得到向钻孔涌出的三部分瓦斯的渗流方程和解析解,采用COMSOL Multiphysics软件模拟不同条件下的连续钻进瓦斯涌出特性。(2)研制一套连续钻进初始瓦斯流量测定试验平台,能够实现在向煤层打钻的同时连续测定钻进过程中涌出的瓦斯流量及其分布。从西北、西南、东北、中东部的主要产煤省份采集11个不同变质程度的煤样,进行了100次钻孔初始瓦斯流量测定试验,获得了不同煤阶在不同气体压力下的连续钻进初始瓦斯流量及其分布。(3)对钻孔涌出的初始瓦斯流量分布曲线进行图谱分析,发现无论是长焰煤、气煤、焦煤还是无烟煤,钻孔初始瓦斯流量分布均能表征煤层的不同突出危险程度。(4)喷孔是一种瓦斯动力现象,属于一种小型突出。试验过程中成功检验到喷孔时的钻孔初始瓦斯流量分布曲线,河南薛湖煤样在充入0.944MPa的CO2时,检测到喷孔时的最大瓦斯流量达到7.316L/s,是平均值的18倍。(5)为了定量地描述钻进过程中煤体的突出危险性,我们把单位长度钻孔的初始瓦斯流量之和作为指标,也就是每钻进一米钻孔涌出的瓦斯总体积,我们称之为钻孔初始瓦斯涌出量。研究发现钻孔初始瓦斯涌出量与瓦斯压力呈正比,瓦斯压力越大,钻孔初始瓦斯涌出量也越大。测定每一个煤样的初始释放瓦斯膨胀能,得到钻孔初始瓦斯涌出量与初始释放瓦斯膨胀能也是呈正相关关系。依据初始释放瓦斯膨胀能的弱突出和强突出的临界值为42.98mJ/g和103.8mJ/g,得到钻孔初始瓦斯涌出量的弱突出和强突出的临界值为44.65L和92.1L,并进行了突出模拟试验验证钻孔初始瓦斯涌出量指标预测突出的准确性。(6)由于现场煤层赋存条件及地质条件不一致,其测试条件与本试验相差较大,实际的突出的临界值可能有所变化,因此。每个石门或井筒揭煤时,应独立考察其钻孔初始瓦斯涌出量法的临界值。其方法是:在预测石门揭煤突出危险性时,同时测定钻孔初始瓦斯涌出量、煤层的原始瓦斯压力和初始释放瓦斯膨胀能,可以得到本钻孔初始瓦斯涌出量与初始释放瓦斯膨胀能之间的相关关系,从而得到进行本石门揭煤防突效果检验的钻孔初始瓦斯涌出量指标的突出临界值。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD713

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本文编号：1227697