掘进工作面煤与瓦斯突出实时监测预警技术研究

摘要

随着煤矿开采深度的延伸，地应力、瓦斯压力越来越大，煤与瓦斯突出灾害日趋严重、复杂，低指标突出、低参数突出及顶底板岩巷突出等时有发生。传统的预测手段已经不能完全满足矿井的安全、高效开采需求，煤与瓦斯突出的防治急需准确、实时的监测预警。煤与瓦斯突出的发生是一个复杂的煤体在应力与瓦斯耦合作用下动态演化过程。对此，本文对煤与瓦斯突出实时监测预警技术进行深入研究，分析含瓦斯煤受载破坏前及掘进工作面煤与瓦斯突出前的瓦斯涌出规律，研究工作面瓦斯涌出动态模型、瓦斯含量反演模型及瓦斯涌出的主要影响因素，建立煤与瓦斯突出实时预警指标体系，提出煤与瓦斯突出危险性的预警方法，开发煤与瓦斯突出实时监测预警软件并进行验证。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了含瓦斯煤受载破坏瓦斯涌出监测实验系统，分析了不同加载速度、吸附压力和围压条件下含瓦斯煤受载破坏过程的瓦斯涌出规律，发现含瓦斯煤受载破坏前瓦斯涌出具有临界慢化的特征，瓦斯涌出的方差及自相关系数的增大趋势反映了含瓦斯煤受载破坏的前兆信息。⑵研究了九里山等典型突出矿井掘进工作面煤与瓦斯突出前的瓦斯涌出异常特征，发现煤与瓦斯突出危险前，瓦斯涌出量主要表现出升高型、波动型和先降后升型三类异常前兆类型，并表现出临界慢化的特征。瓦斯涌出升高型主要是由于工作面具有较高的瓦斯压力梯度，随着掘进的进行，工作面瓦斯涌出将持续升高，同时也极易造成典型的煤与瓦斯突出；瓦斯涌出波动型主要是由于煤层深部存在高地应力、高瓦斯压力，在掘进等外力扰动下，煤体发生阵发性的变形破裂，导致瓦斯涌出的异常波动；瓦斯涌出先降后升型主要发生在地应力异常增大区域，煤体受到高应力的强烈压缩，瓦斯的渗流通道被挤压导致连通性较差，形成了低渗透区域，瓦斯涌出逐渐降低，随着掘进的进行，采掘应力叠加高地应力逐渐破坏了瓦斯的赋存环境，煤层裂隙逐渐增多，瓦斯渗流通道增多且贯通，瓦斯涌出逐渐增大。⑶根据掘进工作面瓦斯涌出的来源，建立了考虑损伤的有效应力、煤体吸附瓦斯膨胀效应和孔隙压力压缩煤体骨架综合作用及其对渗透率影响的、能够反映瓦斯涌出动态特征的瓦斯涌出模型及瓦斯含量反演模型；对掘进工作面瓦斯涌出主要影响因素进行了数值模拟分析，瓦斯压力及应力的增大、掘进速度的加快、煤层厚度及煤体强度的变化导致应力梯度或瓦斯压力梯度或二者皆增大，工作面煤与瓦斯突出危险性增强，瓦斯涌出表现出升高、降低等异常特征，揭示了煤与瓦斯突出前瓦斯涌出异常前兆的产生机制。⑷建立了包括表征瓦斯涌出临界慢化特征的方差、自相关系数、瓦斯含量、声发射及电磁辐射的煤与瓦斯突出实时预警指标体系，提出了费歇判别与模糊综合预测相结合的煤与瓦斯突出的协同耦合预警方法，开发了煤与瓦斯突出实时监测预警软件，对煤与瓦斯突出实时监测预警技术进行了验证。结果表明：采用费歇判别与模糊综合预测相结合的煤与瓦斯突出的协同耦合预警方法共监测72次，预警有突出危险7次，5次得到了常规指标超标或喷孔等突出危险的验证；采用费歇判别与模糊综合预测相结合的煤与瓦斯突出的协同耦合预警方法有效的避免了漏报，提高了预警准确性。