郑州矿区三软煤层突出敏感指标研究

null郑州矿区突出敏感指标研究郑州矿区突出敏感指标研究国家“十五”科技攻关项目 专编号2005BA813B07-07 汇报内容汇报内容一、主要研究内容 二、进展情况 三、阶段成果 四、存在问题 五、下一步计划1 前言1 前言1.1 立项背景 （1）郑州矿区位于河南省中部，主要开发新密煤田和登封煤田，郑煤集团公司现有7对主要生产矿井，主采豫西三软不稳定煤层——二1煤层。二1煤层为半亮型煤，由于受滑动构造的影响，常呈粉末状、鳞片状、糜棱状，煤层流变现象非常明显，机械强度极低，手捻即碎成粉末，原生结构不复存在。在地质赋存方面，二1煤层呈厚薄相见的复煤包体，厚度变化很大，具有突然增厚、变薄以至尖灭、挤灭现象。二1煤层坚固性系数极低，瓦斯放散速度快，瓦斯吸附能力强，为典型的煤与瓦斯突出煤体。1 前言1 前言1.1 立项背景 （2）自1989年11月1日郑煤集团公司大平煤矿11111工作面开切眼掘进发生突出以来，截止2005年底，在郑煤集团公司大平煤矿、告成煤矿和超化煤矿共发生各类瓦斯异常涌出和瓦斯动力现象36次，其中大平煤矿16次，告成煤矿17次，超化煤矿3次。从突出发生的地点看，岩巷揭穿断层和石门揭煤突出3次，煤巷突出13次，上山（开切眼）突出20次。特别是大平煤矿21岩石下山掘进工作面于2004年10月20日22时09分发生的特大型煤与瓦斯突出事故，突出煤岩量为1894t，瓦斯量约25万m3，造成巨大的经济损失和人员伤亡。1 前言1 前言1.1 立项背景 （3）突出危险性预测存在一定问题： ①各矿临界值不一致，相差很大。如告成煤矿R值临界值为4.5、q值临界值为5L/m.min，大平煤矿R值临界值为5.3、q值临界值为8L/m.min，超化煤矿R值临界值为6、q值临界值为9L/m.min。 ②采用的玻璃浮子流量计不适合测定q值，测试结果误差大。玻璃浮子流量计用于测定q值，存在两大缺点，一是仪标校刻度为空气流量，不是甲烷流量，测定甲烷流量必须进行换算，目前郑煤集团各矿测定的q值均没有进行换算；二是钻孔内瓦斯压力较低，用浮子流量计测定q值时，浮子跳动剧烈，难以稳定，读数困难。 ③玻璃浮子流量计使用方法不一致，读数差距大。浮子流量计测定q值时，转子跳动剧烈，各矿对此的读数方法不一样，如大平煤矿、超化煤矿取浮子跳至最高处的读数作为预测结果，告成煤矿则利用浮子流量计底部的调节阀，减小转子流量计进气口的面积，增大孔内瓦斯压力，使转子降至稳定再读数，两种读数方法数值相差很大。 ④个别矿井预测指标选用不当，对防突指导作用有限。如告成煤矿采用的R值指标法，R＜0的预测次数占70%以上，造成利用R值无法判定工作面的突出危险性。1 前言1 前言1.2 研究的目的意义 针对掘进工作面突出危险性预测存在的问题，郑煤集团公司委托河南理工大学进行“突出煤层煤巷掘进突出敏感指标及其临界值研究”，并将其列入国家“十五”科技攻关项目“豫西‘三软’不稳定突出煤层防突示范技术研究”的组成部分，通过综合研究确定郑州矿区二1煤层的突出敏感指标及其临界值，并研制和配套预测仪表，制订预测方法操作规范，使掘进工作面的突出危险性预测实现预测指标敏感、临界值可靠、预测仪表配套、预测方法及管理规范，提高突出危险带预测准确率，减少防突费用，保证突出煤层掘进工作面的安全生产。1 前言1 前言1.3 主要研究内容 （1）郑州矿区二1煤层煤与瓦斯突出的区域性瓦斯地质规律； （2）突出机理和预测指标的选择； （3）预测指标临界值（钻屑解吸指标K1和Δh2、煤体温度T）的理论和实验室研究； （4）预测指标（钻孔瓦斯涌出初速度q值、卸压带长度、钻屑量S值、钻屑解吸指标Δh2、煤体温度T）的跟踪观测和统计分析； （5）敏感指标临界值可靠性评价方法； （6）郑州矿区二1煤层突出煤层掘进工作面敏感指标临界值的确定； （7）预测仪表的开发研制和操作规范； （8）煤巷突出危险性预测方法及管理规范。2 煤与瓦斯突出区域性规律 2 煤与瓦斯突出区域性规律 （1）二1煤层瓦斯含量、吸附常数、瓦斯压力、瓦斯放散初速度及甲烷的自然组分等随采深的加大有明显增大的趋势，瓦斯垂直分带性明显；煤层的坚固性系数却有随采深的加大而出现减小的趋势。 （2）各矿的突出点都发生在掘进巷道，始突标高±0以下，垂深均在250m以深；主要以小型突出为主，随着采深的加大，突出强度明显增大，突出类型由压出型向突出型转变。 （3）始突点瓦斯含量一般大于8m3/t，瓦斯压力大于0.5MPa。 （4）典型动力现象发生前一般具有明显预兆。 （5）突出一般发生在地质构造附近3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.1 预测指标及临界值 采掘工作面突出危险性采用R值指标法预测，预测（效检）钻孔个数为4～5个，孔深6～7m，每个钻孔一般在钻孔深度3.5m和5.5m处或4.5m和6.5m处进行测试，每次预测保持2～3m的预测超前距。各矿采用的临界值如表3-1所示，R值、q值、S值任一指标超标，即判定工作面为突出危险工作面。3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.2 大平矿3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.2 大平矿大平煤矿R值超标时q值与S值超标次数统计表3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.3 告成矿3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.3 告成矿告成矿R值超标时q值与S值超标次数统计表3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.4 超化矿3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.4 超化矿超化矿R值超标时q值与S值超标次数统计表3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.4 超化矿3 矿井原预测资料的统计分析3 矿井原预测资料的统计分析3.5 初步分析结果 ①在R、q、S三个预测指标中， q值最敏感，R值比较敏感，S值不敏感。 ②R值超标主要是由于q值超标引起的，S值对R值超标几乎没有影响。 ③根据超化矿资料，q值对动力现象的敏感性高于R值。4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制 4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制 4.1 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪工作原理 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪为差压式瞬间流量计，用于测定煤层钻孔瓦斯涌出初速度，预测采掘工作面的突出危险性，按流量计原理工作。 瓦斯由进气管嘴经过连接尼龙胶管进入到流量调节阀后，一路通流量调节阀喷孔，另一路经过连接尼龙胶管进入到膜盒压力表中。由于流量调节阀喷嘴的节流作用，密封室内瓦斯压力升高，推动膜盒压力表指针摆动，从而测得煤层钻孔瓦斯涌出初速度。4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制4.2 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪技术性能 ①流量测量范围0.5～30L/min； ②精度等级2.5%； ③仪表重量0.97Kg； ④外形尺寸长×宽×高=155×100×125mm。4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制null4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制4 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的研制4.3 WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪技术优点 ①WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪为差压式瞬间流量计，可以测定出钻孔瓦斯涌出初速度最大值，提高预测可靠性。 ②WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪指针稳定，不象浮子流量计的浮子那样上下跳动，读数准确。 ③ WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪采用膜盒微压表作为压差传感装置，不象ZLD-2型孔板多级流量计那样造成水柱压出，保证测试工作的正常进行。 ④ WY-Ⅰ型瓦斯q值测定仪的专用流量调节阀，克服了ПГ-2МА型仪器档位转换的不足，保证了档位切换的迅速方便，准确测定钻孔瓦斯涌出初速度的最大值。5 浮子流量计的实验室试验5 浮子流量计的实验室试验6 预测指标可靠性评价方法6 预测指标可靠性评价方法6.1 敏感指标、临界值的定义 突出危险敏感指标，是针对某矿井某煤层的采掘工作面进行日常预测时，能明显地区分出危险和不危险的预测指标，即在突出危险工作面和不危险工作面实测的该指标无相同值或相同值很少。在突出危险工作面与不危险工作面各测定值之间无明显区分的指标，即属于不敏感指标。 敏感指标临界值是指用该指标划分突出危险与不危险的临界值。在煤巷工作面预测时，凡实际预测值等于或高于临界值的，属于突出危险工作面，凡实测值低于临界值的，属于不危险工作面。6 预测指标可靠性评价方法6 预测指标可靠性评价方法6.2 敏感指标及临界值评价方法 ①三率法 三率法由中国煤炭科学研究总院抚顺分院提出的，主要是根据预测资料，突出资料计算预测危险率，预测危险性准确率，预测安全准确率来评价预测指标的可靠性。 ②二率法 “二率法”由前苏联姆.斯.安采费罗夫提出，根据预测资料、突出资料计算预测突出准确率和预测危险带准确率来评价预测指标的可靠性。 ③统计法 俄罗斯科琴斯基矿业研究院技术科学博士博.米.伊万诺夫提出了标准统计法，根据工作面无危险预测总次数和无危险预测条件下发生的瓦斯动力现象次数计算无危险性预测的可靠性，从而评价预测指标的可靠性。 6 预测指标可靠性评价方法6 预测指标可靠性评价方法6.3 确定敏感指标、临界值的程序 （1）预测未超过《细则》规定的临界值不突出，或虽超过《细则》规定的临界值，但采取防突措施后不突出。从实测资料看，绝大多数属于这种情况，可适当提高指标临界值，反复进行试验，直到发生突出，打预测钻孔喷孔或出现明显突出预兆，也可以判断出临界值。 （2）未超过《细则》规定的临界值发生了突出，则应降低指标临界值或选用其他指标。6 预测指标可靠性评价方法6 预测指标可靠性评价方法6.3 确定敏感指标、临界值的程序 （3）超过《细则》规定的临界值，未采取防突措施不突出，则应提高指标临界值。 （4）超过《细则》规定的临界值，未采取防突措施发生了突出，取最小的实测值即为新的临界值。 （5）超过《细则》规定的临界值，采取防突措施后发生了突出，则以效果检验的最小实测值作为临界值。6 预测指标可靠性评价方法6 预测指标可靠性评价方法6.4 预测指标可靠性评价方法 （1）通过对目前国内外突出危险性预测指标评价方法的分析，决定采用安全性、经济性指标评价预测指标的敏感性并确定其临界值。 （2）安全性指标：PB=BW/B×100% （3）经济性指标：PL=LW/L×100% 7 突出危险性预测方法7 突出危险性预测方法7.1 预测方法及指标 ①采用4个指标，即钻孔瓦斯涌出初速度q值、钻屑量S值、瓦斯解吸指标Δh2值和煤体温度T进行跟踪预测。 ②每一掘进工作面，布置四个预测钻孔，深度8m。 ③1#、2#、3#、4#钻孔第1m打完后，自第2m开始，每米测定一次q值和S值，每2m测定一次Δh2值。 ④对于煤体温度的测定，则在排钻屑过程中进行，即：在钻屑稳定排出过程中用MST60红外测温仪测定粉尘袋中煤屑的温度，以此作为煤体的温度。 7 突出危险性预测方法7 突出危险性预测方法7.2 预测指标临界值 郑煤集团试验矿井相应预测指标暂定的临界值8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.1 试验地点 现场连续跟踪预测于2006年3月开始，截止2006年10月底，在大平煤矿13091回风联巷和下付巷、16121上付巷和下付巷连续预测巷道517.8m，在告成煤矿21021下付巷、21041上付巷、21041下付巷连续预测巷道413.8m，在超化煤矿22081下疏水巷、22091高抽巷等连续观测巷道617m。现场累计预测巷道长度1547.6m。 8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据图8-1 16121下付巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据图8-2 16121切巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据图8-3 13091下部下付巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据图8-4 13091回风联巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据表8-1 郑煤集团大平煤矿q值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据表8-2 郑煤集团大平煤矿S值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据表8-3 郑煤集团大平煤矿Δh2值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.2 大平矿连续观测数据表8-4 预测打钻过程中瓦斯动力现象统计8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据图8-5 21021下付巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据图8-6 21041上付巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据图8-7 21041下付巷辅助巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据图8-8 21041下付巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据表8-11 郑煤集团告成煤矿q值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据表8-12 郑煤集团告成煤矿S值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.3 告成矿连续观测数据表8-13 郑煤集团告成煤矿Δh2值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.4 超化矿连续观测数据图3-9 15运输巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.4 超化矿连续观测数据图3-10 21091东高抽巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.4 超化矿连续观测数据图3-11 21091东高抽巷预测指标随巷道走向的变化 1—q，L/min；2—S，Kg/m；3—Δh2，Pa；4—Q，m3/min； XZ—吸钻；JZ—夹钻；DZ—顶钻；PK—喷孔；MP—煤炮8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.4 超化矿连续观测数据表8-21 郑煤集团超化煤矿q值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.4 超化矿连续观测数据表8-22 郑煤集团超化煤矿S值统计分析结果8 跟踪观测数据统计分析8 跟踪观测数据统计分析8.5 试验结果分析（1）巷道瓦斯涌出量Q与钻孔瓦斯涌出初速度q值、钻屑瓦斯解吸指标△h2值之间具有一定的相关性，当钻孔瓦斯涌出初速度q值、钻屑瓦斯解吸指标△h2值增大或减小时，巷道瓦斯涌出量Q随之作相应变化，巷道瓦斯涌出量Q与钻孔瓦斯涌出初速度q值的相关性最为密切，钻屑瓦斯解吸指标△h2值次之。 （2）对于三软煤层，钻屑量S值变化不明显，对动力显现不敏感，且受人为影响因素较大，预测结果可靠性差。 （3）动力现象与钻孔瓦斯涌出初速度q值的关系最为密切，当发生夹钻、吸钻、煤炮等动力现象时，钻孔瓦斯涌出初速度q值均大于5L/min。 （4）预测指标△h2变化明显，按200Pa的临界值统计，超标频率太高，并且与动力现象之间无明显相关性。 （5）钻孔瓦斯涌出初速度q值最为敏感，其临界值初步确定为5L/min；钻屑解吸指标△h2次敏感，其临界值有待于进一步研究；钻屑量S值不敏感。9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.1 大平煤矿13091下回风联巷△h2随瓦斯压力的变化 9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.2 大平煤矿16121下付巷△h2随瓦斯压力的变化 9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.3告成煤矿21021下付巷△h2随瓦斯压力的变化 9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.4 告成煤矿21041上付巷△h2随瓦斯压力的变化9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.5 告成煤矿21041下付巷△h2随瓦斯压力的变化9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9 钻屑解吸指标Δh2的实验室研究9.6 △h2突出临界值的确定 根据实验室实验结果和始突瓦斯压力（大平0.37MPa，告成0.57MPa），大平煤矿13091回风联巷△h2突出临界值为453Pa，16121下付巷△h2突出临界值为292Pa，告成煤矿21021下付巷△h2突出临界值为279Pa，21041上付巷△h2突出临界值为245Pa，21041下付巷△h2突出临界值为221Pa。