突出危险性评价

突出危险性评价（共7篇）

突出危险性评价篇1

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的重要灾害之一, 同时也制约着我国煤炭工业的发展和威胁着煤矿工人的安全。2009年开始执行的《防治煤与瓦斯突出规定》, 其中就煤层突出危险性鉴定进行了相关规定[1]:当动力现象不明显或者没有动力现象时, 应当根据实际测定的煤层最大瓦斯压力p、软分层煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度ΔP和煤的坚固性系数f等指标进行鉴定, 全部指标均达到或者超过临界值的, 确定为突出煤层。

实践表明, 单项指标能从不同方面衡量煤层发生煤与瓦斯突出的危险性, 但不同矿区、煤层甚至同一煤层的不同区域由于受煤的变质程度、测试工艺、人为因素等影响, 在突出煤层鉴定过程中出现有些实际发生过突出的煤层指标, 并未达到或超过《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》所规定的突出煤层指标临界值, 应鉴定为非突煤层。如贵州金沙新华片区9号煤层、贵阳南山煤矿5号煤层等, 实测瓦斯压力均小于临界值, 但仍多次发生突出。因此, 把煤层是否具有突出危险性看作是一个多因素决定的模糊事件, 通过模糊综合评价方法对煤层突出危险程度进行判别, 以期取得符合实际的效果。

1 模糊—灰色评价方法简介及评价指标的确定

模糊数学和灰色系统理论是目前较为常用的不确定性系统研究方法[2]。模糊数学着重研究“认知不确定”问题, 其研究对象具有“内涵明确, 外延不明确”的特点;灰色系统着重研究模糊数学难以解决的“小样本”、“贫信息”不确定性问题, 与模糊数学不同的是, 灰色系统理论着重研究“外延明确, 内涵不明确”问题。单纯采用模糊方法会造成信息丢失, 若仅采用灰色理论方法, 则不能充分利用评价规则模糊性的特点, 两种情况均造成评价结果与实际存在偏差。对煤层突出危险性的评价, 由于目前还处于各种假说阶段, 对突出的机理认识还不清楚, 因此在评价中引入模糊—灰色综合评价方法将克服目前单一评价方法中的不足。

根据综合假说, 煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力、煤体强度等诸多因素综合决定的动力现象。埋深 (H) 反映了煤层所受地应力大小;瓦斯含量 (Q) 、瓦斯压力 (p) 反映了煤层中瓦斯能量的大小;煤的吸附常数a和b、煤的挥发分V、煤的破坏类型f、煤的放散初速度ΔP综合反映了该煤层发生煤与瓦斯突出的煤质条件。根据评价指标的可量化原则, 选取上述评价指标, 通过对同一矿区同一煤层不同矿井实测数据和突出情况, 根据统计数据建立煤与瓦斯突出预测各项指标的权重和隶属度, 建立评价指标集。

2 模糊—灰色综合评价模型的构建

2.1 理论基础

模糊—灰色综合评价是在信息不充分的条件下进行评判[3], 在综合评判的过程和结果中, 信息量的多少应有相应的参量描述。对同一问题, 信息充分的程度不同, 得到的结果也会不同, 或是所得结果的可信度不同。

设A是空间X={x}上的模糊子集, 若x对于A的隶属度μA (x) 为[0, 1]上的一个灰数, 其点灰度为vA (x) , 则称A为X上的灰色模糊集合, 记作:

undefined

用集偶表示成undefined, 其中undefined称为undefined的模糊部分 (简称模部) , undefined称为undefined的灰色部分 (简称灰部) , 在式 (1) 中, 若μA={0, 1}, 则undefined;若vA (x) =0, 则undefined所以可将灰色模糊集合看作是对模糊集合和灰色集合的综合和推广。

影响煤层突出危险性的不确定因素繁杂众多[2], 利用灰色关联分析确定影响因素的权重系数, 为专家建立的指标 (影响因素) 赋予权重系数。考虑到专家评判信息存在一定的灰度, 基于三角白化权函数的灰色评估, 建立白化权函数, 通过利用灰色聚类理论得到的综合聚类系数矩阵, 构建出模糊隶属度矩阵, 再利用模糊算法评估结构安全, 从而将灰色理论与模糊评价方法相结合, 建立一种基于模糊灰色理论的综合评价方法。

2.2 评价准则

1) 建立危险性因素集。

将影响煤层突出危险性的因素, 即瓦斯含量 (Q) 、瓦斯压力 (p) 、煤的吸附常数a和b、煤的挥发分V及煤的破坏类型f等组成集合, 也是评价指标集, 通常用U来表示, U={U1, U2, …, Un}。

2) 建立评语集并赋值。

将煤层的突出危险性按照《防治煤与瓦斯突出规定》分为无突出危险、突出威胁、有突出危险3个等级, 用V={V1, V2, V3}表示。

3) 求各风险因素的权重。

由于影响煤层的突出危险性因素的复杂性及区域性特点, 仅靠几位专家来确定权重是不恰当的[4]。应当请一组 (群) 专家对已建立的指标进行两两比较, 然后利用群AHP方法确定权重[5]。具体步骤是:首先通过专家判断每对风险因素之间的相对重要程度, 比值用1～9表示 (1表示两个风险因素重要性相同, 3表示一个比另一个稍重要, 5 表示一个比另一个明显重要, 7表示一个比另一个强烈重要, 9表示某种风险比另一个极端重要, 2, 4, 6, 8为相邻两个评语的中值) , 由此建立判断矩阵A;将判断矩阵的每一行按行相乘得到一组新向量, 将该组向量各元素分别开n次方, n为判断矩阵阶数;将n次方根向量归一化得到特征向量W= (W1, W2, …, Wn) , 即所求权重值。

4) 评价矩阵的确定。

建立如表1所示的评价准则。

设共有r位专家根据评价规则对指标进行评价, 得到第i因素的综合评价向量为 (di1, di2, …, dir) 。在危险性评价中, 评语集为V={V1, V2, V3}, 一般情况, V∈{0, 0.1}为无突出危险, V∈{0.1, 0.5}为突出威胁, V∈{0.5, 1}为有突出危险。确定评价灰类就是要确定评价灰类的等级数、灰数及其白化权函数。灰类要根据评价等级, 通过定性分析确定, 可建立如下3种白化权函数:低危险的下限测度白化权函数;中危险的适中测度白化权函数;高危险的上限测度白化权函数。

分别计算ui属于f1 (ui) 、 f2 (ui) 、 f3 (ui) 的灰色统计量, 归一化处理得向量 (ri1, ri2, ri3) , 表示此向量即为因素ui属于危险程度的模糊隶属度, 并构造因素ui的模糊隶属度矩阵R:

undefined

因素ui的隶属度向量可构成一个总的评价函数矩阵R:

undefined

再对R进行模糊矩阵运算, 得到系统的模糊评判矩阵B:

B=[u1, u2, …, um], R=[B1, B2, B3] (7)

根据最大隶属度原则可以判断:当B1=max{B1, B2, B3}时, 煤层无突出危险;当B2=max{B1, B2, B3}时, 煤层有突出威胁;当B3=max{B1, B2, B3}时, 煤层有突出危险。

3 应用实例

南山煤矿位于贵州省贵阳市息烽县小寨坝镇盘脚营村[6], 距县城北6 km处, 隶属息烽县管辖。煤矿始建于1970年, 1978年10月建成投产, 设计能力15万t/a, 1991年经改扩建后设计能力达30万t/a。矿井主要开采5号煤层, 属低中灰、中高硫、特高热值无烟煤, 该煤层突出较为严重, 自建矿以来共发生煤与瓦斯突出189次, 造成人员死亡25人。5号煤层各项突出危险因素实测值如表2所示。

从表2可以看出, 各指标的量化结果相差较大, 如不进行相应处理, 分析过程中量级较大的数据指标会屏蔽量级较小的数据指标。按照灰色系统理论提出的等测度化原则, 通常需要进行如下变换:

式中:undefined;undefined。

经过变换, 每个变量的均值为0, 标准差为1, 且消除了量纲的影响。

对表2数据进行预处理并对指标集进行编号, 结果如表3所示。

组织专家按照AHP法对指标集U={U1, U2, …, U8}中各项指标进行危险性评估, 建立判断矩阵A:

经计算, 各指标的权重如下:

W= (0.165, 0.064, 0.201, 0.073, 0.006, 0.098, 0.291, 0.012) (10)

根据式 (2) — (4) 的白化权函数, 逐一计算各指标的灰色统计量并经过归一化处理, 得到模糊隶属度矩阵R:

对式 (10) 标准化后, 结合式 (9) 可得南山煤矿5号煤层突出危险性评价结果, 并对结果进行归一化处理:

B=W×R=[0.13, 0.33, 0.54]

按照最大隶属度原则, 该煤层应评价为具有突出危险性。

4 结论与建议

1) 基于煤与瓦斯突出的综合假说, 建立了煤层突出危险性的模糊—灰色综合评价模型, 根据专家评判信息的模糊性和灰色性, 能充分考虑不同矿区引起煤与瓦斯突出的主控因素, 使得评价结果更为有效和具有针对性。

2) 分析了贵阳南山煤矿5号煤层突出危险性模糊—灰色综合评价各指标的权重, 得到权重程度依次为瓦斯压力p、煤层坚固性系数f 、煤层埋深H、挥发分Vdaf、吸附常数a、瓦斯含量Q、放散初速度ΔP、吸附常数b。

3) 采用煤层突出危险性的模糊—灰色综合评价方法时, 通过1组专家判断各因素之间的重要程度, 具有一定的主观性, 因此, 综合评判集的建立以及权重的确定都要谨慎考虑。

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[S].北京:煤炭工业出版社, 2009.

[2]李立新, 刘琳, 王强.模糊灰色综合评价方法的构建及应用[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2008 (4) :577-580.

[3]程卫民, 周刚, 王刚, 等.基于灰色—模糊—改进动量BP算法的矿工安全行为评价方法[J].煤炭学报, 2010 (1) :101-105.

[4]郭鹏, 施品贵.项目风险模糊灰色综合评价方法研究[J].西安理工大学学报, 2005, 21 (1) :106-109.

[5]L i Yan xi, Tao Zhi.St ructure method fo r judging mat rixof group in the AHP[J].Journal of Shenyang NormalUniversity (Natural Science) , (in Chinese) 2002, 20 (2) :86-90.

[6]南山煤矿5号煤层瓦斯基本参数测定及可抽性评价技术报告[R].重庆:煤炭科学研究总院重庆研究院, 2008.

突出危险性评价篇2

关键词：煤与瓦斯突出,事故树,评价

0 引言

发耳矿井相邻的盘江和六枝矿区瓦斯突出情况是:六枝矿区1964年至1994年期间共生产原煤3329×104t,共发生煤与瓦斯突出377次,其中千吨以上的特大型突出8次,即平均每年发生12.16次,百万吨原煤突出11.3次,1981年最高达到46次。

发耳矿井煤层厚度1煤最厚2.70 m,3煤层最厚2.37 m,7煤层最厚3.27 m,13-1煤层最厚3.8 m,13-2煤层最厚4.67 m。煤层埋藏深度,由于属中山~高中山地貌,差别极大,最高处标高+1915.6 m,最低处标高+880 m,相差1 000 m以上,总的趋势是初期较浅,后期埋深大。目前尚缺乏各煤层的结构、煤层瓦斯压力,钻孔瓦斯参数等判断其突出危险性的详细资料。因此不能确定其突出危险性。根据同国内瓦斯突出矿井类比,发耳矿井煤与瓦斯突出的危险性不能排除。在矿井建设揭开煤层之前应对煤与瓦斯突出问题作专门研究分析,以便采取针对性的措施防止瓦斯突出事故。

1 危险源分析

1.1 瓦斯来源分为[1]:

a)掘进区。即煤或半煤岩掘进时,从巷壁和落煤中涌出的瓦斯;b)回采区。即工作面煤壁、巷壁和落煤中涌出的瓦斯;c)采空区。即已采过的顶、底板和浮煤中涌出的瓦斯;d)邻近含有瓦斯的煤层和岩层。

1.2 引起瓦斯积聚而导致瓦斯事故的主要原因有:

a)煤层瓦斯含量高,瓦斯未加抽放或抽放不充分;b)采掘工作面产量、进尺超过供风能力,或者供风量达不到设计要求;c)局部通风机停止运转;d)局扇的风筒断开或严重漏风;e)局部通风机出现循环风;f)通风设施质量不好或者遭到破坏,造成风流短路;g)没有监测传感器或者传感器失效,不能传递信息或者信息错误;h)采空区或盲巷瓦斯聚积;i)采掘工作面冒顶区未作处理;j)瓦斯抽放管路发生故障。

1.3 引起瓦斯爆炸火源主要有:

a)电火花;b)放炮火花;c)撞击火花;d)明火。

2 瓦斯爆炸的事故树分析[2]

2.1 事故树的定性分析

a)求解最小割集(布尔代数法)

b)求最小径集

按布尔代数法求解出最小径集为:

c)结构重要度分析

采用排列法求解,其结果排列如下:

2.2 瓦斯爆炸评价结论

通过上述瓦斯爆炸施工树的分析,可以得出以下结论:

a)由事故树可见,或门个数占80%之多。根据或门定义可得大部分单个基本事件都有输出。如局扇停转(x1)就会导致掘进面瓦斯聚集(A3)发生;吸烟就会导致明火发生。而与门个数只占20%,则只有少数的几个基本事件同时发生才有输出。所以,从与、或门的比例数看,可知瓦斯爆炸的危险性大;

b)从最小割集上,由于最小割集个数共有130组,表明导致瓦斯爆炸有130种“可能途径”。这就充分说明瓦斯爆炸的可能性和危险性很大。当任一最小割集Ki中的全部基本事件发生,则瓦斯爆炸事故就发生。如Ki中,当x1(局扇停转)发生,则发生瓦斯聚集,若当x13(放炮起火)也发生,则就产生了火源,且若x26(瓦斯达到爆炸浓度)发生,再若x27(火源与达到爆炸浓度的瓦斯相遇)也同时发生,则K中的全部基本事件同时发生,其结果势必导致瓦斯事故发生。当任一最小割集中的各基本事件发生,则事故一定发生。在一个最小割集Ki中,如果基本事件越多,则同时发生的机率就越小,发生事故就较难。反之,若同时发生的机率较大,就更容易发生事故;

c)从结构重要度看,不同基本事件在系统中的结构度不同。如x26、x27基本事件结构重要度最大,则其重要性在系统中占居首位,其次是x1,x2,x3…..x12,再其次是x13,x14…..x25。由最小割集(最小径集)分布可见,若任一基本事件不发生,则事故就不发生。而当或任一基本事件不发生,则仅可少掉13个可能引起爆炸事故的“可能途径”。因此,在判定预防瓦斯爆炸措施时,可根据各事件的重要度排列,结合客观实际的可能性,从大到小选定,制定出有的放失地有效地预防事故发生的措施。

3 瓦斯安全预评价结论[3]

本井田煤层瓦斯含量大,煤层开采强度高,瓦斯涌出量大,瓦斯将是该项目建设和建成后生产过程中最大的危险。因此,在生产过程中要坚持“预防为主,综合治理”的原则:严格执行瓦斯抽放措施,确保达到抽放效果;加强通风管理,保证通风系统合理,各用风地点风量充足;发挥监测、监控系统功能,使通风瓦斯随时处于受控状态。

参考文献

[1]陈德存.对煤矿瓦斯爆炸事故的几点看法[J].煤炭技术,2008(2):86-87.

[2]陈晓军,侯海苗.瓦斯爆炸及其预防[J].煤,2007(10):53-55.

突出危险性评价篇3

关键词：斜巷揭煤,防突参数预测

一、概况

1、矿井基本概况

我矿属于煤与瓦斯突出矿井, 据2005年瓦斯等级鉴定资料, 矿井绝对瓦斯涌出量61.62m3/min, 相对瓦斯涌出量22.17m3/t。

自1978年10月7日发生第一次煤与瓦斯突出以来, 总共发生煤与瓦斯突出120次, 平均突出强度91.02吨/次, 最大突出强度为810t (2004年4月28日4317下运顺掘进工作面) , 最大突出瓦斯量66784m3 (2003年6月7日4317下运顺掘进工作面) 。

2、工作面基本情况

3308工作面2号联巷从285轨道巷开口, 距4#横穿261.958m, 以329.5°方位掘进56.429m与285进风中巷贯通。3308下部回斜从2号煤联巷开口, 先施工平巷12m, 然后以18°正坡施工斜巷, 预计斜巷41m处揭3号煤。

3、瓦斯地质资料

工作面位于南一采区3号煤层瓦斯突出危险区内, 3号煤层厚度4.2～7.0m, 平均厚度6m, 瓦斯含量8～10m3/T。

二、3308回斜地质情况

1. 围岩情况

3308回斜自下而上依次揭露岩性为中砂岩、砂质泥岩、石英砂岩、粉砂岩、泥岩、3号煤层;3号煤联巷沿煤层顶板掘进, 顶板岩性为砂质泥岩。

2. 地质构造

地层总的构造形态为-走向NNE, 倾向NWW的单斜构造, 在单斜面上分布有宽缓的褶曲及局部小构造。煤层倾角3～8°, 平均5°左右。

三、3308回斜工作面突出危险性预测过程

1、控制3号煤层层位的前探钻孔施工

3308回斜工作面平巷施工12m处停止前进, 此时巷道顶板距3号煤底板11.5m, 掘进队加强巷道支护, 清净浮矸, 做好钻场, 规格:2m×2m, 抽放队按设计施工控制3号煤煤层层位的前探钻孔。

2、揭3号煤层“四位一体”防突措施

停掘位置:斜巷起坡24.8m时停掘, 此时, 巷道顶板距3#煤底板垂距为5m, 掘进队加强巷道支护, 清净浮矸, 做好钻场, 钻场规格:2m×2m, 由抽放队按设计施工3号煤预测钻孔。

3. 突出危险性预测预报

抽放队按3号煤预测 (测压) 钻孔施工见3号煤后改用煤风钻施工, 由防突员收集煤样, 测定钻屑瓦斯指标, 然后抽放队用水泥砂浆或聚氨酯发泡剂封孔测定瓦斯压力。

4.钻屑瓦斯解吸指标确定钻屑解吸指标Δh2

测定开始后, 第2分钟末解吸仪水柱计压差读数。该指标无需计算, 直接从解吸仪水柱计上读取Δh2为:一号孔22 mm水柱;二号孔16 mm水柱。

钻屑解吸指标Δh2的突出危险性临界值应根据煤层的实测资料确定。无实测资料时, 可参考表3所列数据。

依据用MD—2型煤钻屑瓦斯解析仪在3308回斜工作面实测得出一号孔22 mm水柱;超出解吸指标临界值, 该工作面必须严格执行“四位一体”防突措施

5、打钻过程中的突出预兆

3308回斜石门打钻过程基本正常, 在施工一号、二号测压孔时, 煤孔段有喷孔等现象, 分析其与测压钻孔瓦斯压力突然释放有关。

四、综合分析3308回斜揭穿突出煤层的突出危险性

依据预测结构分析各项指标值都接近或超过突出临界值指标, 因而判断该处揭煤具有突出危险性。

五、结论

⑴ 瓦斯解吸指标Δh2值在石门、采掘工作面揭穿突出煤层预测突出危险性的准确率高, 比较适合我矿的实际防突工作。

⑵ 进行煤的工业分析, 计算煤体的瓦斯压力, 也可作为分析突出危险性的另一项重要指标。

⑶ 收集水文地质资料, 加强瓦斯地质工作, 结合其他指标, 能使突出危险性分析或预测预报工作的准确率更提高一步。

⑷ 在预测预报的基础上, 只要严格、细致、认真的贯彻执行“四位一体”防突措施, 石门揭煤工作面安全的揭穿突出危险性煤层是可行的。

新建矿井瓦斯突出危险性预测方法篇4

新河矿井位于焦作煤田深部, 处于北东向区域大断裂九里山断层上升盘 (下盘) , 南部紧依近东西向大断裂凤凰岭断层, 本区基本构造形态为地层走向大致呈北20~40°, 倾向南东, 倾角7~14°的单斜构造, 伴有中小正断层多条。

2 本区瓦斯赋存特征

区内构造决定了该区瓦斯成分, 含量及其运移和分布规律:

2.1 瓦斯成分、含量及分带

(1) 瓦斯成分和含量。本区煤层瓦斯成分变化较大, 主要由CH4、N2、CO2组成。氮气 (N2) 成分较高者分布于F212断层附近, 35和37勘探线–450m以浅。煤层瓦斯含量则具有埋深增加而含量大致增大的趋势。

(2) 瓦斯分带。根据瓦斯分带原则:一般以成分80%为界线, 小于80%者为瓦斯风化带, 大于80%者为沼气带范围, 本区瓦斯风化带大致分布在3702孔周围, 其余地段均为沼气带范围。

2.2 瓦斯地质特征

(1) 煤层特征。本区煤层具有较高的瓦斯容量、雄厚的生气源岩、较高的生气量和较大的瓦斯吸附容量特征。

(2) 煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响。煤层的埋深不仅影响着煤的生气量, 而且影响着煤层气的储藏量。

(3) 顶底板对瓦斯的封闭。煤层顶底板岩性的差异对瓦斯封闭作用有所不同, 本区煤层顶、底板以泥岩、砂质泥岩为主, 透气性较差, 对瓦斯的扩散起封闭、阻隔作用, 不利于瓦斯的扩散。

(4) 煤与瓦斯突出指标。本区在地质勘探期和基建期间分别对煤与瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力进行了测试。据测定参数分析本区二1煤层应为临界突出危险和具突出危险煤层。

(5) 瓦斯含量分布及预测研究。根据测定样本参数分析, 本井田内二1煤层的瓦斯含量随其埋藏标高变化趋势见公式1。

由公式1预计, 在本井田内, 二1煤层 (-320~-800m) 的瓦斯含量预测在15.25~25.95m3/h之间。

(6) 瓦斯压力及预测研究。根据测定样本参数分析, 本井田内二1煤层的瓦斯压力随其埋藏标高变化趋势见公式2。

由公式2预计, 在本井田内, 二1煤层 (-320~-800m) 的瓦斯压力预测在0.9~2.0MPa之间。

3 煤与瓦斯突出危险性预测

3.1 煤与瓦斯突出危险性参数测定及统计

根据本矿井瓦斯含量的预测结果, 该矿井二1煤层瓦斯含量y1随其标高x1的变化规律为y1=-0.0223x1+8.1107, 瓦斯压力y2随其标高x2的变化规律为y2=-0.0022x2+0.2181, 在本井田内二1煤层 (-320~-800m) 的瓦斯含量预测在15.247~25.951m3/h之间;二1煤层 (-320~-800m) 的瓦斯压力预测在0.9~2.0Mpa之间。

3.2 煤与瓦斯区域突出危险性预测

根据所测得的瓦斯参数结果, 在本井田内二1煤层 (-320~-800m) 瓦斯压力为0.9~2.0MPa, 瓦斯含量为15.247~25.951m3/h, 超过了临界值。结合实际生产中在进行瓦斯区域治理时在第一揭煤钻场, 12091上、下顶抽巷瓦斯喷孔现象, 因此判断本井田全部为突出危险区。

4 结论及建议

4.1 主要结论

(1) 根据本井田地质构造特征分析, 煤层瓦斯与断层的性质、落差大小有密切关系, 落差大的开放性断层, 使煤层与含水性或透气性较好的太原组、奥陶系地层和上覆砂岩段对接, 从而有利于瓦斯的逸散而出现瓦斯含量低值带。

(2) 煤层顶底板岩性的差异对瓦斯封闭作用有所不同, 本区煤层顶、底板以泥岩、砂质泥岩为主, 透气性较差, 对瓦斯的扩散起封闭、阻隔作用, 不利于瓦斯的扩散。

(3) 根据已测定的瓦斯参数, 开采的二1煤层属于煤与瓦斯突出煤层。

4.2 主要建议

(1) 该矿井构造条件复杂, 均为临界突出危险和突出危险区, 故开采过程中应加强瓦斯地质工作, 掌握瓦斯规律、提前瓦斯抽放、加强通风管理和瓦斯浓度监测工作等, 以保证矿井安全生产。

(2) 矿井煤与瓦斯突出矿井, 在构造应力集中部位和松软煤地带, 加强瓦斯防治工作。

(3) 瓦斯赋存是不均衡的, 要首先掌握瓦斯的富集规律, 划定富集区, 把瓦斯富集区、构造应力集中部位、松软煤分层发育地带作为重点防治范围。

突出危险性评价篇5

我国采取了一系列加强煤与瓦斯突出管理工作的政策和措施,对遏制突出事故起到积极作用[1]。煤与瓦斯突出鉴定是突出防治管理的基础,现采用的鉴定规范中[2,3],判定煤层是否具有突出危险性主要以煤层的4项单项指标作为依据。但现有的鉴定方法常会出现误判的情况,即:4项鉴定指标中存在不满足“全部指标均达到或者超过的临界值”的判别条件的煤层,却在生产过程中发生突出,尤其对于低瓦斯压力、高变质煤和高瓦斯压力、低变质煤层的突出危险性易产生误判[4,5,6,7]。如重庆南桐煤田开采的4号、6号突出煤层,实测ΔP值小于10,却均为严重突出煤层;贵州金沙新华片区龙凤煤矿9号煤层实测的瓦斯压力在0.55 MPa以下,仍多次发生突出;河北邯郸矿业陶二煤矿2号煤层f值大于0.5却发生突出等。其主要原因是由于导致突出的发生是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性能综合作用的结果,而鉴定指标未能体现突出影响因素耦合作用对突出造成的影响[8,9]。

本文根据煤与瓦斯突出综合作用机理的突出演化过程,利用工作面突出激发的极限平衡条件和失稳准则推导得到了突出激发的判据,建立了煤与瓦斯突出危险性综合判识方法。

1 煤与瓦斯突出激发过程

在工作面开掘过程中,原岩应力状态被破坏,采掘空间载荷通过顶底板向煤壁方向转移,工作面附近的煤壁内形成了较高的地应力和瓦斯压力梯度,并在煤层积聚着弹性势能[10,11,12,13]。由于煤体孔裂隙的压缩,瓦斯压力和瓦斯内能也随之增大,使煤体处于不稳定的极限平衡状态。当煤岩体系统自身或人为对煤体施加突变载荷时,处于极限平衡状态的局部煤体便瞬间失稳,或者使已经处于塑性状态的煤体发生快速应变软化,软化煤体导致顶板急剧下沉,使得高强度煤体承受更高应力,并发生流变及煤体失稳。随后,煤岩体中积聚的弹性势能、瓦斯内能和失稳煤体本身所具有的重力势能将失稳煤体破碎并抛出,形成煤与瓦斯突出。

2 煤与瓦斯突出激发模型

2.1 基本过程和假设

煤与瓦斯突出激发过程可简化为:在突变载荷作用于高瓦斯煤体时产生裂纹;在瓦斯和应力作用下裂纹扩展,随后失稳破裂;在瓦斯压力作用下抛向采掘工作面空间。

为方便研究,在限定的研究范围,进行以下假设:①煤层水平,采掘厚度与煤层厚度一致;②煤体为连续、均匀的弹塑性介质,各向同性;③刚揭露煤体时,工作面内瓦斯压力分布均匀;④构造应力可以完全分解到采掘工作面推进方向和铅直方向上;⑤忽略煤体自重。

2.2 模型的建立

根据以上基本过程和假设,建立煤与瓦斯突出的力学模型(图1)。沿y轴方向,煤体受因采掘活动引起的支承压力和上覆岩层自重压力的作用;沿x轴方向,煤体受到瓦斯压力、水平构造应力和采掘活动扰动影响的作用。

在工作面前方支承应力极限平衡区内取一单位厚度的单元体,宽度为dx,高度为煤层厚度m。该单元体在沿工作面推进方向x轴所承受的应力在煤壁侧为σx,另一侧为σx+dσx;沿着顶底板方向的y轴上所受的应力为σy。突出激发是从煤体内局部开始,设煤体的内摩擦系数为f;煤的内聚力为c。建立极限平衡方程如下:

极限平衡区内,煤体应力([σx],[σy])满足摩尔—库仑准则[14],有:

式中,σc为煤的单轴抗压强度;σt为煤的单轴抗拉强度。

将式(1)代入式(2)并整理得到:

假设煤壁受到阻挡层的反作用应力为P0,将边界条件σx|x=0=P0代入式(2),联合式(3),得到极限应力状态下的应力平衡表达式为:

3 煤与瓦斯突出综合判识模型

由式(4)可知,煤与瓦斯突出激发的条件为:x处的水平应力σx大于极限应力[σx]时,则极限平衡状态会被打破,并激发煤与瓦斯突出。在实际情况中,存在拉伸和压缩等复杂应力状态,因此采用摩尔强度准则作为其受力破坏的判据,即:

根据模型假设,在x轴方向上,既有瓦斯压力梯度造成的拉应力作用,还可能存在水平构造压应力。在卸载初期,煤体内占据绝大多数的吸附瓦斯开始解吸,煤体内依然维持较高的瓦斯压力,将其压降忽略。

根据矿山压力的一般估算方法,在y轴方向上顶板受力顶板载荷:

式中,Kmax为最大应力集中系数,取2~3[15];γ为岩石的容重;H为开采深度。

在工作面极限平衡区内,任意位置满足失稳条件,可以认为能够激发突出[7]。因此,煤巷工作面激发突出的判据,可表示为式(7):

该判据表明,该突出判据表明突出发生与否直接与煤体强度、瓦斯压力、煤层方向应力和顶板支承压力相关,与采高、支护作用等因素间接关联。

4 实例验证

4.1 方案设计及计算

根据公式(7)中涉及的因素,结合煤矿生产实际情况,设计实例参数,包括抗压强度、工作面深度、采高、瓦斯压力、煤层水平方向应力和顶板应力集中系数见表1。按照式(7)判断煤层是否有突出危险性。

根据抗压强度(坚固性系数)和瓦斯压力数据判断,依照《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》中,对突出煤层鉴定的规定方法,后3组不具有突出危险性;但采用综合判识方法,实例2、3具有突出危险性。仅实例4中,由于水平应力和支承压力峰值较小,2种方法的评价结果均为不具有突出危险性,这和现场应用较一致。

4.2 数值模拟分析

采用Rfpa2D-Flow模拟软件模拟突出的激发过程。数值模型采用平面应变模型,模型分为3层,中间为含瓦斯的煤层,上下层为坚硬顶底板,顶板分为直接顶和基本顶,并假定顶底板岩层不含瓦斯。几何模型如图2所示。

针对以上4组方案分别设置对应参数进行数值模拟,如图3所示。通过实验,前3组均激发突出,第4组未激发突出,模拟实验结果与按综合判识模型评价结果相一致。

该数值模拟结果表明,影响煤与瓦斯突出激发的主要因素包括煤体物理力学性质、煤层瓦斯压力、支承应力和承载的其他方向的应力,煤与瓦斯突出这些因素是相互作用的结果,不同情况下,影响突出的关键要素不同。

5 结论

(1)提出了简化的突出演化过程,从力学和能量的角度简要地阐述突出发展过程,据此建立平面力学模型,得到了突出激发过程的极限平衡关系;在此基础上建立了煤与瓦斯突出综合判识模型。

(2)应用Rfpa-Flow软件,基于简化的突出激发过程模型,模拟验证了几组典型“低指标”情形下,突出发生与否与判据结果相吻合。

突出危险性评价篇6

关键词：瓦斯突出,预测,敏感指标,地质构造带,“三率”分析法,模糊聚类分析法

淮南矿区各主采煤层瓦斯含量高, 透气性低, 地质构造复杂, 是我国瓦斯突出的重灾区。目前, 矿区平均采深达到约500m, 有3对矿井采深超过800m, 且每年以20～50m的速度下延[1]。随着开采深度的增加, 煤层原始瓦斯含量和地应力快速增大, 煤层突出危险性、突出频度和突出强度逐渐加大, 原来的非突出区域将升级为突出区域。矿井为防止煤层突出危险性突然升级, 在非突出区域也进行突出预测, 但由于对突出预测指标选取不够科学, 指标测值并不能真实反映煤体的突出危险性, 容易造成预测指标的错报、误报, 给矿井安全生产埋下隐患。若能在突出危险性升级之前就确定突出预测敏感指标, 对突出升级后的防突工作有重要指导作用, 真正做到有备无患。因此, 对有突出升级危险的非突出区域进行突出预测敏感指标的研究就显得尤为重要。

1 试验矿井及试验区域概况

顾桥煤矿位于安徽省淮南市凤台县西北部, 设计生产能力10Mt/a, 采用立井多水平开拓, 第1水平为-780m, 第2水平为-950m。井田总体为一南北走向、向东倾斜的单斜构造, 上覆巨厚 (平均厚度435m) 新生界松散层。煤系地层为石炭、二叠系, 其中二叠系山西组与上、下石盒子组为主要含煤层段目前矿井主采煤层和煤层采深为800m左右。建矿以来, 未发生瓦斯突出。

目前, 顾桥矿开采的13-1煤层为非突出煤层, 但根据周边矿井13-1煤层的情况, 随着开采深度的增加, 13-1煤层必然升级为突出煤层。为防止煤层突出危险性的突然升级, 在采掘过程中也进行突出危险性预测。为研究有突出升级危险的非突出区域瓦斯突出预测敏感指标, 选择顾桥矿北一采区13-1煤层回风下山掘进工作面作为试验工作面。该工作面位于中央采区的非突出危险区, 该区域内13-1煤层厚度3.63～4.55m, 平均厚度为4.03m, 倾角3～6°, 煤层原始瓦斯含量在6.0m 3/t左右。煤层直接顶为泥岩及砂质泥岩, 老顶为砂岩及砂质泥岩;直接底为泥岩或砂质泥岩。

2 现采用的突出预测指标及测值情况

试验工作面突出预测指标为钻屑量指标S和钻屑瓦斯解吸指标K1, 临界值分别为S=6.0kg/m和K1=0.5mL/ (g·min0.5) 。在2008年12月21日至2009年3月13日期间, 共对该工作面进行了57次突出危险性预测, S指标和K1指标均未出现超标现象。具体测值变化情况如图1所示, 可以看出, 随着试验工作面向深部延伸, S指标和K1指标测值均有增大的趋势, 且出现了S指标测值接近临界值的情况, 说明煤体的突出危险性正随采深的增加而增大, 煤体突出危险性具有进一步升级的危险。因此, 需要对有突出升级危险的非突出区域预测指标的敏感性进行研究对矿井防突工作起到未雨绸缪的作用。

3 突出预测敏感指标的确定方法

确定瓦斯突出预测敏感指标的方法较多, 主要有“三率”分析法、灰色关联法、模糊聚类法等。其中, “三率”分析法具有方法成熟、计算简单、可靠性高等特点, 在我国应用较为广泛。但预测过程中若没有瓦斯动力现象发生, 就无法进行“三率”计算, 这极大地限制了该方法的推广应用。

基于淮南矿区瓦斯突出均发生在地质构造带附近的事实, 假设在地质构造带附近突出预测时有动力现象发生, 然后进行“三率”计算;同时, 应用模糊聚类法计算各预测指标的敏感度, 并将计算结果与“三率”计算结果进行对比, 最终确定非突出区域的预测敏感指标。

3.1“三率”分析法

所谓“三率”, 是指预测突出率、预测突出准确率和预测不突出准确率。

1) 预测突出率

式中:η1为预测突出率;n为预测有突出危险次数;N为预测总次数。

2) 预测突出准确率

式中:η2为预测突出准确率;n1为预测有突出危险次数中有突出危险的次数 (其中包括发生了突出以及预测中喷孔、卡钻、顶钻、煤炮频繁等严重突出征兆) 。

3) 预测不突出准确率

式中:η3为预测不突出准确率;n2为预测不突出次数中确实不突出的次数;n3为预测不突出次数。

在保证预测准确的前提下, 若预测指标的η1较小、η2达到60%以上、η3达到100%, 即可认为该预测指标是预测敏感指标[2]。

由于试验工作面煤层埋深在800m左右, 地应力较大, 掘进工作面进入地质构造带附近, 地应力显现更为明显, 容易出现预测指标接近临界值 (主要是S指标) 的现象, 说明该处的突出危险性明显增大。基于地质构造带是突出的多发地带, 假设在地质构造带 (主要是断层) 20m范围内进行突出预测时有动力现象发生, 然后计算各预测指标的“三率”, 并在此基础上确定各预测指标的敏感性。利用该方法, 对试验工作面各预测指标379次突出预测进行了“三率”计算, 结果见表1。

由表1可以看出, S指标满足η1为1.58%, η2和η3均达到100%, 而K1指标则不满足η2大于60%的要求, 因此, 认定S指标为该区域突出预测敏感指标, K1指标为次敏感指标。

3.2 模糊聚类分析法

该方法是在跟踪考察数据的基础上, 建立预测敏感指标的数学模型, 把抽象的预测敏感指标的确定问题通过具体的数值表示出来[3]。其具体计算步骤可以简化为以下3步。

1) 预测结果的无量纲化

将单位不同的各项指标按下式进行无量纲化处理:

式中Xi′———预测结果的无量纲量;

Xi———原始数据;

X———原始数据的平均值;

C———原始数据的标准差,

2) 预测结果的标准化

无量纲标准化即是把无量纲数据压缩在区间[0, 1]内, 按公式 (5) 进行处理:

显然Xi′=X′max时Xi″=1, Xi′=X′min时Xi″=0, 这样就把标准化后的数据压缩在区间[0, 1]之内了。

3) 煤与瓦斯突出预测敏感指标的敏感度函数

预测指标的数学期望值用式 (6) 表示:

预测指标的灵敏度函数M (i) 用下式表示:

通过上述计算, 即可得到各突出预测指标的敏感度M (i) , 再通过比较M (i) 的大小, 即可得到各指标的敏感性。

将S指标和K1指标测值代入公式 (4) — (7) , 即可计算出各指标的敏感度。通过计算得到M (S) =0.62>M (K1) =0.29, 因此, 确定S指标较K1指标敏感, S指标为该区域预测敏感指标, K1指标为次敏感指标。模糊聚类计算结果与“三率”分析法结果一致, 说明基于地质构造带附近预测过程中有动力现象发生的假设是成立的, 并在此基础上进行“三率”计算是可行的

4 结语

随着矿井采掘工作面向深部延伸, 非突出区域将会升级为突出区域, 而在非突出区域的采掘活动容易让人们对瓦斯突出产生麻痹思想, 给矿井防突工作埋下隐患。在非突出区域内进行采掘作业时, 无动力现象发生, 无法采用“三率”分析法对突出预测指标进行敏感性研究。笔者假设地质构造带20m范围内进行突出预测时有动力现象发生, 然后计算各预测指标的“三率”, 并在此基础上确定各预测指标的敏感性;同时, 采用模糊聚类分析法, 对“三率”分析法得出的结论进行了验证。确定出顾桥矿13-1煤层非突出区域的瓦斯突出预测敏感指标为S指标, 次敏感指标为K1指标。研究结果表明, 该假设合理、方法可行、结论可靠, 对类似条件下预测敏感指标的确定有较好的借鉴意义

参考文献

[1]淮南矿业 (集团) 有限责任公司, 河南理工大学.采掘工作面 (井巷揭煤) 瓦斯突出预测预报敏感指标体系及临界值的确定[R].2009.

[2]李成武, 付京斌.煤与瓦斯突出敏感指标的确定方法[J].煤矿安全, 2003, 34 (9) :72-74.

突出危险性评价篇7

石门揭突出危险性煤层一般具有较大的危险性。如何实现石门安全、顺利地揭突出危险性煤层, 多年来进行了试验研究和广泛实践, 取得了较成熟的经验[1]。随着防突工作的深入开展, 防突技术的不断发展以及设备的不断改进, 高压水射流扩孔成为一种在石门揭突出危险煤层防治突出的新型水力化措施。许多科研单位和煤矿通过在理论、实验室模拟、现场试验等研究, 开发出高压水射流扩孔装置, 通过在新庄孜矿具有严重突出危险性的B4煤层揭煤防突中的应用, 高压水射流扩孔技术取得较好的效果, 值得推广。

1 高压水射流扩孔技术

1.1 原理

高压水射流扩孔原理是在已施工的穿层或顺层钻孔中, 利用高压水射流对钻孔周围的煤体进行打击、切割或剥落, 以扩大煤孔直径, 增加煤层暴露面积, 冲出更多煤炭, 进一步增大突出煤层的卸压范围, 从而加大抽放或排放钻孔的单孔抽、排瓦斯量, 减少或削弱突出煤层的突出危险性[2]。

1.2 设备及工艺

高压水射流扩孔设备主要由扩孔钻具和供水系统两大部分组成。扩孔钻具主要包括扩孔射流器、高压扩孔钻杆、过滤装置、高压水尾等, 是完成高压水射流扩孔的主要部件。供水系统主要包括高压水泵、高压胶管、水箱等[3]。高压水射流扩孔设备及工艺见图1。

1—高压水泵;2—高压水管;3—高压水尾;4—封孔管;5—扩孔射流器;6—高压扩孔钻杆;7—钻机;8—煤水输送系统。

高压水射流扩孔工艺[4]:

1) 首先用钻机按设计要求施工好钻孔, 退出钻杆后, 将扩孔射流器、过滤装置及连接的高压扩孔钻杆等送入孔内, 达到要求的深度。

2) 钻杆的尾部接上高压水尾, 通过高压管与高压水泵相连, 开动水泵, 扩孔射流器在高压水的驱动下对四周的孔壁进行旋转切割。采用人工或钻机沿钻孔轴向以适当的速度移动扩孔钻杆, 扩孔射流器开始扩孔作业。

3 ) 当扩孔完成一定长度后, 通过增加或卸掉1根或几根钻杆, 继续进行扩孔, 直到扩孔段的长度达到要求, 即完成一个钻孔的扩孔作业。

2 现场试验情况

2.1 石门揭煤工程概况

该次试验的石门揭煤地点是新庄孜矿-812 m暗副斜井井底车场揭B4煤层。巷道规格:净宽B=5.3 m, 净高H=4.15 m (净断面为18.98 m2, 毛断面为20.13 m2) 。

B4煤层在新庄孜矿共发生6次煤与瓦斯突出, 其中, 1987年2月9日石门揭煤过程中发生突出, 其地点标高-612 m, 在落差15 m以上的断层F10-5 (4) 羽状分支断层附近, 突出煤量110 t, 瓦斯量4 400 m3。说明在断层影响附近B4煤层突出危险性十分严重。该次揭煤区域位于F10-5断层的下盘, F10-5 (11) 断层的上盘, 地应力相对集中, 围岩破碎, 地层产状有一定的变化。

揭煤区域B4煤层瓦斯压力3.5 MPa、瓦斯含量10.8 m3 / t, 煤的坚固性系数f=0.2, 突出危险性综合指标K=30, D=75.76。施工地质探孔过程中均出现不同程度的夹钻、顶钻现象, 且多次出现严重喷孔, 单孔最大喷煤量达3 t。说明该次试验的揭煤地点B4煤层具有严重突出危险性。

2.2 高压水射流扩孔情况

高压水射流扩孔试验选用煤炭科学研究总院重庆研究院生产的SKP射流扩孔设备, 高压水泵型号为VRB250 / 31.5 (额定压力31.5 MPa, 额定流量250 L / min, 其电动机功率为160 kW) , 钻机选用ZYG-300。

该次共试验76个孔, 冲出的总煤粉量约30 t。单孔扩出煤量最大0.7 t, 最小0.1 t, 平均0.4 t。在施工排放钻孔过程中, 均不同程度出现吸钻、夹钻、喷孔等情况, 并伴有大量的瓦斯涌出, 最大喷孔瓦斯浓度超限达3.8%, 孔内超过5%以上。

3 扩孔结果分析

3.1 扩孔煤量

该次试验的B4煤层厚为3.69 m, 密度ρ=1.39 t / m3, 排放钻孔孔径94 mm, 计算得到排放钻孔成孔理论需要排除的煤量为

m=π× (0.094 / 2) 2×3.69×1.39=0.04 t。

根据高压水射流扩孔试验统计数据, 单孔平均扩孔出煤量为0.4 t。如果不考虑钻孔周围煤的变形, 扩孔后直径为400 mm, 扩孔后孔径增大3倍多。随着孔径的增大, 较大程度上提高了煤体的暴露面积, 有利于瓦斯的抽排。

大量煤炭的排出, 带出大量瓦斯, 使得煤体破裂增大, 改变了钻孔周围的应力状态, 使钻孔卸压范围扩大, 有利于减少或削弱突出煤层的突出危险性。

3.2 钻孔瓦斯流量考察

在实施高压水射流扩孔试验过程中, 对部分钻孔的瓦斯流量进行了对比考察, 其考察结果见图2—3。

从图2可以看出, 随着时间的延长, 钻孔瓦斯流量基本呈现陡减至衰减稳定的趋势, 需要大约15 d。钻孔初始的前4 d内瓦斯流量较大, 但衰减较快, 衰减稳定后的10 多d内排放的瓦斯较少。表明煤层原始透气性较差, 单纯利用排放钻孔来卸压及排放瓦斯, 时间长, 效果差, 短时间内难以达到较好的消突效果。

而从图3可以看出, 虽然扩孔后的百米煤孔瓦斯流量不大, 但钻孔都是在自然排放瓦斯流量衰减至很小的情况下扩孔的。扩孔后钻孔瓦斯流量明显增大近20倍。随着时间的延长, 钻孔瓦斯流量基本呈首先小幅度增大, 稳定一段时间后, 再大幅度减小直至衰减稳定, 这一过程大约需要至少16 d。钻孔水力扩孔后, 钻孔还会有一段时间稳定排放瓦斯, 大约从第11 d开始会有一个较为缓慢的流量衰减过程 (相对于未采取高压水射流的钻孔) , 这个衰减过程约需5 d。说明高压水射流扩孔起到了增加排放瓦斯的效果。

3.3 措施效果分析

通过在突出危险性煤层揭煤防突措施中采用高压水射流扩孔后, 风排瓦斯量为 0.5 m3 / min, 抽采瓦斯量为0.4 m3 / min, 总抽排量达到13.3万m3。

残存瓦斯压力为0.2 MPa, 效检指标Smax=2.0 kg / m, K1max=0.14 mL / (g·min1 / 2) , 小于该矿B4煤层的临界值S=4.0 kg / m, K1=0.268 mL / (g·min1 / 2) 。

揭煤过程中最大瓦斯浓度0.45%, 平均0.1%;Smax=3.2 kg / m, K1max=0.18 mL / (g·min1 / 2) 。

揭煤过程未出现吸钻、夹钻、冒顶等动力现象, 实现了安全、顺利地揭开整个B4煤层。

4 结语

1) 采用高压水射流扩孔, 能冲出大量的煤炭, 增加煤体的暴露面积, 提高煤层的透气性, 有利于钻孔瓦斯的抽排, 同时扩大了钻孔卸压的范围, 减小或削弱了突出煤层的突出危险性, 为防突措施起到了十分重要的辅助作用。

2) 高压水射流扩孔对缩短揭煤时间, 消除石门揭煤过程中突出危险性起到了一定的作用。通过对高压水射流扩孔技术在石门揭突出性煤层中的推广应用, 为下一步重点对高压水射流扩孔的影响半径进行考察, 以及扩孔钻具优化进行深入研究, 最终实现安全、快捷、高效的石门揭煤打下了基础。

参考文献

[1]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治与利用手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2005.

[2]梁运培, 孙东玲, 董钢锋.高压水射流扩孔技术的研究[J].煤炭科学技术, 2001, 29 (10) .

[3]董钢锋, 林府进.高压水射流扩孔提高穿层钻孔预抽效果的试验[J].矿业安全与环保, 2001, 28 (3) .