井下煤层突出危险区域划分方法

摘要

一种井下煤层突出危险区域划分的方法：涉及一种对煤矿井下煤层进行突出危险区域划分的方法。该方法包含以下几个步骤：1、根据煤层瓦斯地质基本信息对煤层的地质单元进行划分；2、在各地质单元内布置测压点，记录其经纬坐标并快速测定煤层中各点的原始瓦斯压力；3、采取煤层的软分层煤样,测定煤层温度,并测定其初始释放瓦斯膨胀能；4、使用SUFFER软件绘制煤层中的初始释放瓦斯膨胀能等值线图；5、将绘制的初始释放瓦斯膨胀能等值线覆盖到矿井的采掘工程平面图上，将煤层中初始释放瓦斯膨胀能大于42.98mj/g的区域划分为突出区域，小于该值的区域划分为非突出区域。这对煤层中采掘作业的安全具有重大的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及井下煤层突出危险区域划分方法，尤其适用于煤矿灾害的预测。

背景技术

目前井下煤层突出危险区域划分方法是根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进 行。《防治煤与瓦斯突出规定》中第43条对使用瓦斯压力或瓦斯含量进行预测的方法和临界 值作了规定:根据煤层瓦斯压力P进行预测，如果没有或者缺少煤层瓦斯压力资料，也可根据 煤层瓦斯含量W进行预测。预测所依据的临界值应根据试验考察确定，在确定前可暂按下表 预测。

根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值

(参考文献：国家安全生产监督管理总局，《防治煤与瓦斯突出规定》，煤炭工业出版社，2009 年8月，P15。)在使用这种方法进行预测时，预测所主要依据的煤层瓦斯压力、瓦斯含量等 参数应为井下实测数据。且测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同地质单元内 根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置；同一地质单元内沿煤层走向布置测 试点不少于2个，沿倾向不少于3个，并有测试点位于埋深最大的开拓工程部位。但这种预 测方法的预测及所使用的指标，不管是瓦斯压力还是瓦斯含量，预测的临界值对于不同的矿 井和煤层均不相同,且各矿井在自行试验考察指标临界值的难度较大,几乎全是使用的《防治 煤与瓦斯突出规定》中推荐的临界值，与矿井的实际情况不一定相符，从而可能会出现低指 标突出，即在那些按照推荐临界值预测没有突出危险的区域可能发生突出，这已为现场的大 量实际所验证，对现场的安全生产带来了较大的威胁。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中存在的问题，提供一种方法简便、准确可 靠的井下煤层突出危险区域划分方法。

技术方案：本发明的一种井下煤层突出危险区域划分方法，包括如下步骤：

第一步，根据煤层瓦斯地质基本信息对煤层的地质单元进行划分；

第二步，在各地质单元内布置测压点，记录其经纬坐标并快速测定煤层中各点的原始瓦 斯压力；

第三步，采取煤层的软分层煤样，测定煤层温度,并测定其初始释放瓦斯膨胀能；

第四步，使用SUFFER软件绘制煤层中的初始释放瓦斯膨胀能等值线图；

第五步，将绘制的初始释放瓦斯膨胀能等值线覆盖到矿井的采掘工程平面图上，将煤层 中初始释放瓦斯膨胀能大于42.98mj/g的区域划分为突出区域，小于该值的区域划分为非突 出区域。

有益效果：本发明根据近年来对煤与瓦斯突出机理的研究，并使用能量守恒定律对煤与 瓦斯突出过程中地应力和瓦斯压力的作用进行分析发现：在“理想石门揭煤”条件下，煤与 瓦斯突出是否会发生主要取决于煤体的暴露的初始时刻所释放出来的具有膨胀做功能力的瓦 斯能量的大小，即初始释放瓦斯膨胀能。把现场采取的软分层煤样送到实验室后，置于该装 置中，经过真空脱气和向煤样中充入与煤层相同压力的瓦斯，在与煤层相同的温度下吸附稳 定后，突然打开阀门，用计算机记录这一过程中煤样罐内的气体压力及温度变化，即可计算 出前10秒从喷口中涌出的瓦斯膨胀能，除以煤样重量，就得到了该煤样的初始释放瓦斯膨 胀能。同时通过实验室的突出模拟试验对使用初始释放瓦斯膨胀能指标进行煤层突出危险性 预测的准确性进行了科学检验，试验表明：当初始释放瓦斯膨胀能超过42.98mj/g时，煤层 具有弱突出危险；当初始释放瓦斯膨胀能超过103mj/g时，煤层具有强突出危险。使用初始 释放瓦斯膨胀能指标预测的准确性达到96%以上。对于一个单元内的煤层，其突出危险性不 但与煤层的原生状态有关，而且与揭煤方式有关。同一条件下的煤层，采用石门揭煤的方式 揭开，其突出危险性最大，因为这时的瓦斯泄漏量较少；而在煤巷掘进或者采煤工作面推进 条件下揭开，其突出危险性较低，这时煤层内的瓦斯易于提前泄漏。但是对于整个煤层单元， 我们无法对煤层中各处的煤体如何揭开一一确定，因此，从安全的角度考虑，假定整个煤层 单元的煤体都是采用理想石门揭煤这种最危险的方式揭开的。因此在这种条件下，就可以采 用初始释放瓦斯膨胀能指标来划分中的突出区域和非突出区域。

主要优点：应用煤层瓦斯压力快速测定技术，能准确快速地测定出煤层的瓦斯压力；同 时，采用初始释放瓦斯膨胀能测定装置和指标，保证准确地预测出煤层中各点的突出危险性。 通过计算机处理数据，将煤层划分为突出区和非突出区，为现场决策提供了可靠的依据。

目前已用该方法对河南、安徽、山西等地的多个矿井的煤层进行了突出危险区域划分。 实践证明，该方法能够准确的对煤层的突出区和非突出区进行准确的划分。在那些划分为无 突出危险的区域进行采掘作业，确实没有任何动力现象。且随着采掘向初始释放瓦斯膨胀能 较大的区域延伸，井下的动力现象和突出预兆也就越趋明显。这对煤矿现场安全生产具有重 大的指导意义。

附图说明

图1是本发明的煤层突出危险区域划分方法的操作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施作进一步的描述:

将初始释放瓦斯膨胀能指标应用到了煤层的突出危险区域划分中,并将其同煤层原始瓦 斯压力快速测定技术、初始释放瓦斯膨胀能等值线绘图技术结合在一起，构成的一种煤层突 出危险区域划分方法。使用时，通过使用初始释放瓦斯膨胀能测定装置测定煤样的初始释放 瓦斯膨胀能，作出煤层内的初始释放瓦斯膨胀能等值线，将煤层中初始释放瓦斯膨胀能大于 42.98mj/g的区域划分为突出区域，小于该值的区域划分为非突出区域。

第一步，根据煤层瓦斯地质基本信息，以井田范围内大的断层和地质构造带为边界，对 煤层的地质单元进行划分；

第二步，分别在各个地质单元内布置瓦斯压力测点，要求是：沿煤层走向布置不少于2 个测压点，沿倾向布置不少于3个测压点；

第三步，根据煤层瓦斯压力快速测定技术测定煤层的原始瓦斯压力，并记录各测压点的 经纬坐标，使用煤层瓦斯压力快速测定技术测定煤层原始瓦斯压力时具体步骤如下：

1）根据选取的测压点及其和煤层的相对位置关系确定测压钻孔的方位角和倾角，每个测 压点布置两个瓦斯压力测定钻孔，按照所确定的钻孔参数，向煤层方向打一个Φ133mm长 2200mm以上的钻孔，插入带有法兰盘的孔口管，用聚氨脂或快干水泥固定，再注入掺有速凝 剂的水泥浆，使得孔口管与周围岩体紧密结合为一体，凝固8h；

2）待水泥凝固后，沿原钻孔方向继续向前打钻，到距离煤层不到100mm的位置，钻孔直 径Φ75mm左右，将注浆泵上的胶管与孔口管上的法兰盘相连，向钻孔中注入压力大于当地水 压的速凝水泥浆，凝固8h；

3）待水泥凝固后继续沿着原钻孔打钻，直达煤层，深入煤层0.5～1.5m，煤孔长度在上 向钻孔适当短些，下向钻孔则长些；

4）用压风管清除测压孔内的煤屑；

5）向钻孔中送入连接好的胶囊粘液封孔器，使封孔器最前端位于距离钻孔中煤岩交界处 100mm左右的位置，使用胶囊粘液封孔器的水压泵往两个胶囊中注入压力水到3MPa，使得胶 囊膨胀，封住钻孔；

6）用胶囊粘液封孔器的粘液泵向两个胶囊中间注入粘液；

7）在瓦斯压力管外端接上压力表；

8）保持水压泵的压力大于粘液泵的压力0.5MPa，保持粘液泵上的压力大于瓦斯压力表 上的压力0.5MPa；

9）钻孔封好以后，要有专人记录瓦斯压力表的压力值，开始时每隔10min记录一次,后 面每隔30min～2h记录一次，直到瓦斯压力表稳定10h以上，即可拆除钻孔中的胶囊粘液封 孔器。以测压点的两个钻孔中压力较高者作为煤层的瓦斯压力；

第四步，测定测压点的煤层的温度；

第五步，在具有煤层暴露面的巷道中，采集煤层中的软分层煤样，放入专用的煤样盒中 保存；

第六步，使用初始释放瓦斯膨胀能测定装置测定所采集到煤样的初始释放瓦斯膨胀能， 其详细测定步骤如下：

1）将采集到的软分层煤样称重后置于初始释放瓦斯膨胀能测定装置的煤样罐中；

2）使用真空泵对煤样罐抽真空8h，再使用甲烷气瓶向煤样罐中充入与煤层各个测压点 同样的瓦斯压力的甲烷气体，并保持其与测压点相同的温度8h，让煤样在煤样罐中恒温吸附 达到平衡状态；

3）打开初始释放瓦斯膨胀能装置中煤样罐上方的阀门，使煤样罐内的瓦斯气流迅速通过 渐缩喷口冲出罐外，此过程中有专门的压力与温度传感器记录煤样罐中气体压力与温度的变 化，并通过控制电路在计算机中记录下来，得到由喷口喷出来的瓦斯气流动能的大小随时间 的变化曲线；

4）再用与煤样罐中煤样同体积的铁块放入该初始释放瓦斯膨胀能测定装置的煤样罐中， 在同样的条件下测出另一条能量曲线；

5）将两条能量曲线相减，得到一条表示由煤样中涌出的瓦斯流的动能曲线，即从煤体内 释放出来的具备做功能力的瓦斯膨胀能曲线；

6）对该曲线前10秒时间内对煤样中涌出的瓦斯流的动能曲线进行积分并除以装入煤样 罐中煤样的质量，可得煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标Wp。

第七步，将各测压点的经纬坐标与初始释放瓦斯膨胀能数据输入绘制等值线的软件 SUFFER中，绘制煤层中的初始释放瓦斯膨胀能等值线图；

第八步，将所绘制的初始释放瓦斯膨胀能等值线覆盖到矿井的采掘工程平面图上，用不 同的颜色将初始释放瓦斯膨胀能大于42.98mJ/g的区域和初始释放瓦斯膨胀能小于 42.98mJ/g的区域区分开来，并将初始释放瓦斯膨胀能大于42.98mJ/g的区域划分为突出危 险区域，而初始释放瓦斯膨胀能小于42.98mJ/g的区域则划分为无突出危险区域，能够一目 了然地看出各区域煤层的突出危险性。