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复杂地质条件下石门及井筒揭煤突出危险性快速预测研究

李晓伟  
【摘要】: 本文在分析国内外现有石门及井筒揭煤突出危险性预测方法的基础上,发现现有单项指标法和综合指标法存在通用性不强、相关性较差、准确性较差及由此造成意外事故和浪费防突资源、预测参数测定时间过长且易受复杂地质条件影响等问题。为解决以上问题,本文以球壳失稳机理为基础,深入分析了石门及井筒揭煤的影响因素及预测模型,得出了合理的突出危险性预测指标。 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理认为初始释放瓦斯膨胀能是煤体发生突出的唯一能源,可以作为石门及井筒揭煤突出危险性预测的指标。蒋承林教授根据46次突出模拟实验数据,采用Fisher判别分析法进行分析处理,证明采用初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度可以准确预测理想石门揭煤条件下的突出危险性,准确率可达到100%。如果单独仅采用初始释放瓦斯膨胀能指标,准确率也能达到90.9%~96.7%,这时发生弱突出及突出的临界指标为42.98 mJ/g和103.8 mJ/g。以此建立了理想石门揭煤突出预测模型,分析了理想石门揭煤条件下突出的影响因素,认为可以将理想石门揭煤模型应用于石门及井筒揭煤突出危险性快速预测。 针对以上指标,详细阐述了初始释放瓦斯膨胀能实验测定方法,发现其测定主要受煤体破碎程度和瓦斯压力的影响,和瓦斯压力存在正比关系和破碎程度存在指数关系,但由于预测煤样均应是破碎程度最大的原始煤样,所以不再讨论其和初始释放瓦斯膨胀能的关系将突出危险预测的主要工作归结为现场瓦斯压力的测定。对瓦斯压力测定的影响因素进行了深入分析,发现人为因素是能否实现瓦斯压力快速准确测定的关键,通过数值解算及现场实验,找出了球向和径向流场卸压半径随时间扩展的规律,发现球向流量法在实现快速测定方面要明显优于径向流场法,平衡时间前者只有后者的10%左右,且排放时间越长,优势越明显。通过数值解算及实验发现,采用球向流量法时,无论透气性系数的大小,排空时间均在前30min内对平衡时间影响最大,达到52%~86%。采用球向流量法并在30min内完成封孔可以实现快速预测。 对复杂地质条件下瓦斯压力的快速测定进行了深入探讨,提出了封堵钻孔水系的对策及措施,利用现场实际和实验室实验,证明了可以在水系小流量渗流时通过瓦斯压力曲线中压力平衡平台的方法分离出水气共存条件下煤层的瓦斯压力。 根据复杂地质条件下瓦斯压力快速测定技术及初始释放瓦斯膨胀能指标,准确为现场预测了十余处石门及井筒,预测的结论与现场的实际突出情况完全吻合,准确率达到100%,弥补了《防突细则》中预测指标的漏洞。并给出了打钻排放后煤层失去突出危险性的最低排放率,为现场进行安全揭煤提供了依据,同时减少了抽放钻孔排放时间,实现了石门及井筒揭煤过程的安全快速掘进。


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