煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究

生艷鳳

鶴壁煤業(yè)技師學(xué)院，河南鶴壁 458000

1 瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)測(cè)試

1.1 瓦斯壓力測(cè)試

瓦斯壓力促使瓦斯在煤層中流動(dòng)，它決定了煤層中瓦斯含量和涌出量的大小，是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的主要參數(shù)之一，因此我們必須對(duì)瓦斯壓力進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定點(diǎn)應(yīng)選擇在巖石沒有斷層、不發(fā)育的地點(diǎn)進(jìn)行。瓦斯壓力均隨埋藏深度的增加而增大，壓力增長梯度公式為：

m=(P2-P1)/(H2-H1)

式中：m-煤層瓦斯壓力梯度，MPa/m；

P1-在深度H1處的瓦斯壓力，MPa；

P2-在深度H2的瓦斯壓力，MPa。

1.2 瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試

1）鉆孔自然瓦斯涌出量及衰減系數(shù)

鉆孔瓦斯自然涌出量隨時(shí)間的延續(xù)呈減小變化關(guān)系，通常用下式描述：

qt=qo.e-at

式中： qt-時(shí)間為t 時(shí)的鉆孔瓦斯涌出量，m3/min.hm；

qo-初始瓦斯涌出量，m3/min.hm；

α-鉆孔瓦斯涌出量衰減系數(shù)-1；

t-排放瓦斯時(shí)間，d。

這種減小速度的系數(shù)叫做鉆孔瓦斯自然涌出量衰減系數(shù)，該系數(shù)值可作為評(píng)價(jià)煤層預(yù)抽瓦斯難易程度的一個(gè)重要參考依據(jù)。

1.3 煤層透氣性系數(shù)

煤層透氣性是指煤層對(duì)瓦斯流動(dòng)的阻力，通常用透氣性系數(shù)表示，它是煤層瓦斯流動(dòng)難易程度的標(biāo)志。目前我國廣泛采用中國礦業(yè)大學(xué)提出的方法來測(cè)定煤層透氣性系數(shù)，這一方法是在煤層瓦斯向鉆孔流動(dòng)的狀態(tài)屬徑向不穩(wěn)定流動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的。

2 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

2.1 控制煤與瓦斯突出的因素

2.1.1 高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)、壓性、壓扭性構(gòu)造帶是突出的主要地帶

1990年的統(tǒng)計(jì)資料，全國共發(fā)生煤與瓦斯突出11 470余次，華南地區(qū)6 900 余次，占全國突出總數(shù)的60%以上，而華南地區(qū)的煤炭產(chǎn)量遠(yuǎn)不到全國的百分之十。主要原因就是華南地區(qū)有著較全國其他地區(qū)更為復(fù)雜的地質(zhì)條件：高構(gòu)造應(yīng)力，華北地區(qū)平均水平主應(yīng)力為3.3MPa，華南地區(qū)為8MPa；華南地區(qū)的多數(shù)煤田是以復(fù)雜的褶皺構(gòu)造和壓性、壓扭性斷裂構(gòu)造為主體，煤層變形極為強(qiáng)烈，“構(gòu)造煤”普遍發(fā)育。

2.1.2 發(fā)生煤與瓦斯突出的地點(diǎn)都是“構(gòu)造煤”發(fā)育的地帶

所有發(fā)生煤與瓦斯突出的地點(diǎn)都發(fā)育有構(gòu)造煤，“構(gòu)造煤”本身就位于構(gòu)造應(yīng)力集中的部位，煤層強(qiáng)烈變形、破壞，特別是Ⅳ類煤和Ⅴ類煤，主要是韌性變形的產(chǎn)物。“構(gòu)造煤”較之原生結(jié)構(gòu)的正常煤堅(jiān)固性系數(shù)明顯降低，降低了煤與瓦斯突出時(shí)所需要的能量。

2.1.3 突出往往發(fā)生在小斷層附近

小斷層落差小，當(dāng)煤層頂板是透氣性巖層時(shí)，有時(shí)會(huì)聚集瓦斯；斷層活動(dòng)造成了斷層兩盤應(yīng)力集中分布帶；斷裂破壞和斷盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)剪切，在斷層面附近的上、下盤形成較厚的“構(gòu)造煤”。

2.2 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)

2.2.1 煤層原始瓦斯壓力（p）

影響煤與瓦斯突出的因素很多，但導(dǎo)致突出的基本因素之一是瓦斯壓力，因?yàn)榘l(fā)生發(fā)瓦斯突出時(shí)必須要達(dá)到一定的瓦斯壓力，其臨界值是造成突出的必要條件。我國煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的瓦斯壓力臨界值確定為0.74MPa，該值是通過對(duì)我國多次突出事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后而最終確定的。

2.2.2 煤的堅(jiān)固性系數(shù)（f）

煤體的堅(jiān)固性系數(shù)越大，發(fā)生突出的可能性就越小。因此，我們將煤的堅(jiān)固性系數(shù)作為煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的單項(xiàng)指標(biāo)之一，其臨界指標(biāo)值為0.5。當(dāng)f＞0.5 時(shí)，煤層發(fā)生突出的危險(xiǎn)性較??；當(dāng)f ≤0.5 時(shí)，煤層存在發(fā)生突出的潛在危險(xiǎn)性。

2.2.3 瓦斯放散初速度（Δp）

當(dāng)瓦斯含量相同時(shí)，煤的放散初速度越大，煤體就越容易遭到破壞，也就越容易發(fā)生煤與瓦斯突出。因此我們將瓦斯放散初速度作為煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)單項(xiàng)指標(biāo)之一，確定其臨界值為10，當(dāng)Δp＞10 時(shí)，煤層具有發(fā)生突出的潛在危險(xiǎn)性。

2.2.4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)選擇

煤與瓦斯突出時(shí)多種因素共同作用產(chǎn)生的復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，采用單一因素指標(biāo)難以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，必須考慮多因素共同作用效應(yīng)。

1） 單項(xiàng)指標(biāo)

單項(xiàng)指標(biāo)方法包括煤的瓦斯放散初速度、破壞類型、煤層瓦斯壓力和煤的堅(jiān)固性系數(shù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)臨界值見表1。當(dāng)四個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)達(dá)到或超過臨界值時(shí)，煤層就具有突出危險(xiǎn)，否則為無突出危險(xiǎn)的煤層。

2）綜合指標(biāo)D、K

綜合指標(biāo)D 較全面地考慮了影響突出的3 個(gè)主要因素，即地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤質(zhì)，是判別煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。K 值是煤的物理學(xué)性質(zhì)的反映，也是判斷煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的重要依據(jù)。綜合指標(biāo)D、K 值計(jì)算公式如下：

D=（0.0075H/f-3）（p-0.74）

K=Δp/f

式中：H-煤層開采深度，m；

Δp-軟分層煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)；

f-軟分層煤的堅(jiān)固性系數(shù)平均值；

p-煤層瓦斯壓力，MPa。

綜合指標(biāo)D、K 的突出臨界值指標(biāo)見表2。當(dāng)D、K 值同時(shí)達(dá)到或超過下表中數(shù)據(jù)時(shí)，煤層才具有突出危險(xiǎn)性，否則視為無突出危險(xiǎn)煤層。

表2 綜合指標(biāo)D 和K 預(yù)測(cè)煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的臨界值

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].2001，10：31-49.

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