燊达煤矿一采区K1煤层瓦斯压力预测研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 二二〇〇一一二二年年十二十二月月 作者姓名 杜祥增 指导教师 单亚飞 教授 学科专业 安全技术及工程 燊达煤矿一采区 K1 煤层瓦斯压力预测研究 Research on Prediction Study of Gas Pressure in K1 Coal Seam Area1 in Shenda Coal 学位论文书脊 燊 达 煤 矿 一 采 区 K 1 煤 层 瓦 斯 压 力 预 测 研 究 杜 祥 增 辽 宁 工 程 技 术 大 学 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 作者姓名作者姓名 杜祥增 指导教师指导教师 单亚飞 教授 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 安全技术及工程 研究方向研究方向 煤矿瓦斯灾害防治理论及技术 燊达煤矿一采区 K1 煤层瓦斯压力预测研究 Research on Prediction Study of Gas Pressure in K1 Coal Seam Area1 in Shenda Coal 分类号 TD712 UDC 622 学校代码 10147 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 致致 谢谢 本论文是在单亚飞教授的悉心指导下完成的。是我尊敬的导师推荐我到煤科总 院北京研究院安全研究所参加项目实习，在写论文期间参与了总院煤与瓦斯突出鉴 定项目，从中学到了很多得到了很多帮助。近三年来，无论在学习上还是生活上， 自始至终得到了导师的悉心指导和无私的帮助。从学位论文研究方向的确定、资料 的收集、试验研究以及论文的撰写，每一步进展都饱含着导师辛勤的指导。在论文 完成之际，谨向敬爱的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意，导师严谨的治学精神、 实事求是的工作态度和诲人不倦的育人作风是我学习的榜样。 在研究生学习和论文撰写过程中，还得到了王继仁教授、邓存宝教授、周西华 教授、洪林副教授和韩光副教授等老师的大力支持和帮助，也同样得到了同学郭粱 辉、孟乐、赵建元、陈曦、董子文等等的帮助，也得到师弟党龙不少帮助。论文的 完成是与三年来各位老师以及研究生部各位老师为我提供的帮助和便利的条件分 不开的，在此，一并表示感谢。 感谢煤科总院北京研究院的樊少武院长、张浪所长等领导和张志荣、郭建行、 王大尉、孙晓军、常未斌、郑祥玉等同事的大力支持和帮助，与他们相处的日子无 论是业务方面和为人处世方面都学到了很多值得永久怀念，在此再向他们表示我衷 心的感谢和敬意 我还要深深地感谢我家人在我研究生学习期间给予我的无私支持。 最后，我要十分感谢在百忙中评阅我的学位论文的各位专家和老师 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -I- 摘摘 要要 测定煤层瓦斯压力的是治理煤与瓦斯突出过程中关键步骤之一，也是单项指标 法预测煤与瓦斯突出的主要内容。对煤层瓦斯压力的研究国内外多方学者都注重于 研究煤层埋深与煤层瓦斯压力的关系，所得成果大多是经验公式，对于缓倾斜煤层 瓦斯压力细致研究的资料不是太多。本文借鉴前人的理论研究成果结合燊达煤矿具 体的煤层情况，研究本矿的煤层倾斜长度与瓦斯压力的关系，找出一种测定瓦斯压 力快捷、有效、准确的途径和瓦斯压力预测方法。结合煤与瓦斯突出鉴定项目中测 定煤层瓦斯压力的过程，为了保证煤层瓦斯压力测定的准确性，对像钻孔参数的科 学设计（钻孔三个角度间关系）、封孔时间、封孔最佳长度、下向孔封孔方法和装 表时贴管阀表一体防拆卸标签等都进行了科学和有效的改进。之后分析处理所测量 数据结合所得煤层倾斜长度与瓦斯压力关系的解析式，使用数学软件MATLAB解方 程组对解析式数值化获得煤层倾斜长度与瓦斯压力之间的数值关系式，再利用所得 数值关系式反推得到瓦斯压力为0.74MPa时的煤层倾斜长度。为后续的安全生产工 作提供了可靠的依据，具有很现实的参考价值。 关键词测压技术；煤层倾斜长度；数值关系式；瓦斯压力预测 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -II- AbstractAbstract Determination of coal seam gas pressure is the key steps to treat of coal and gas outburst, is the main part of the single index in the prediction of coal and gas outburst. For coal seam gas pressure on domestic and foreign many scholars have focused on research the buried depth of coal seam and the seam gas pressure, also the results are mostly empirical ula, and for gently inclined coal seam gas pressure research data is not too much. This paper from the previous theoretical research results with Shenda coal mine specific coal seam of coal bed, the slant length and gas pressure, to find a way to measure gas pressure fast, effective, accurate way. Combined with coal and gas outburst coal seam gas pressure determination by identification of the project in the process, in order to ensure the coal seam gas pressure measurement accuracy, like scientific design of drilling parameters relation about three angle of hole, sealing the best time and length, next to the hole sealing , fitted sheet when the paste tube valve sheet integrally anti disassembling labels have carried out scientific and effective improvement. After processing the measured data with the analysis of the coal seam gas pressure inclined length and an analysis of the relationship between type, the use of mathematical software MATLAB the solution of equations of analytical numerical access to coal seam with inclined length and gas pressure between the numerical relation, reuse the numerical relation type reverse push to get gas at pressure of 0.74MPa seam slant length. For the follow-up production safety work has provided the reliable basis, has great reference value. Key Words Pressure measurement technique; Seam inclined length; Numerical relationships; Gas pressure prediction 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -III- 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 选题意义 ............................................................................................... 1 1.2 突出因素总结及突出预测方法简述 ...................................................... 2 1.3 煤层瓦斯压力预测技术国内外现状 ...................................................... 3 1.4 现存煤层瓦斯压力预测方法的分析 ...................................................... 6 1.5 研究主要内容及其技术路线 ................................................................. 7 1.5.1 研究主要内容 .................................................................................. 7 1.5.2 研究技术路线 .................................................................................. 8 2 矿井概况 ..................................................................................................... 9 2.1 煤矿交通位置 ....................................................................................... 9 2.2 地层情况 ............................................................................................. 10 2.3 地质构造 ............................................................................................. 12 2.4 煤层赋存情况 ..................................................................................... 12 2.5 矿井生产概况 ..................................................................................... 13 2.6 矿井通风与瓦斯概况 .......................................................................... 14 2.7 本章小结 ............................................................................................. 15 3 煤与瓦斯突出因素分析与总结 ................................................................. 16 3.1 煤相关因素 ......................................................................................... 16 3.2 瓦斯因素 ............................................................................................. 20 3.3 地应力因素 ......................................................................................... 20 3.4 地质因素 ............................................................................................. 21 3.5 人为因素 ............................................................................................. 23 3.6 本章小结 ............................................................................................. 24 4 煤层瓦斯压力测定相关研究 ................................................................... 25 4.1 煤层瓦斯压力的直接测定相关原则 .................................................... 26 4.1.1 选择测压地点的原则 ..................................................................... 26 4.1.2 测压钻孔相关实施原则 ................................................................. 26 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -IV- 4.2 测压钻场相关研究 .............................................................................. 27 4.2.1 侧压钻场位置的优选 ..................................................................... 27 4.2.2 测压钻孔的参数设计 ..................................................................... 29 4.3 封孔工艺与方法 ................................................................................. 33 4.3.1 封孔系统的构成 ............................................................................ 35 4.3.2 封孔工艺及其改进 ........................................................................ 35 4.4 封孔实施细节优化 .............................................................................. 38 4.4.1 封孔时间选择 ................................................................................ 38 4.4.2 封孔长度优选 ................................................................................ 40 4.5 测压结果 ............................................................................................. 42 4.5.1 瓦斯压力测定结果图表处理 ......................................................... 45 4.5.2 煤层瓦斯压力直接测定法数据修正 .............................................. 48 4.6 本章小结 ............................................................................................. 49 5 煤层瓦斯压力预测研究 .......................................................................... 50 5.1 煤层瓦斯压力初步预测 ...................................................................... 50 5.2 煤层瓦斯压力与倾斜长度关系研究 .................................................... 50 5.2.1 解析式的基本理论推导 ................................................................. 50 5.2.2 解析式数值化方法与过程 ............................................................. 56 5.2.3 数值关系式的验证与误差分析 ...................................................... 59 5.2.4 曲线拟合法对解析式的数值化 ...................................................... 61 5.2.5 瓦斯压力超限时煤层倾斜长度的预测 ........................................... 65 5.2.6 瓦斯压力间接测定对数值关系式的再次验证 ............................... 65 5.3 本章小结 ............................................................................................. 70 结 论 ........................................................................................................ 71 参 考 文 献 ................................................................................................... 72 作 者 简 历 ................................................................................................... 74 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 75 学位论文数据集 .............................................................................................. 76 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 众所周知，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤岩物理力学性质等多因素的综合作 用结果[1]。在地应力较大、瓦斯压力较高、煤强度低和煤结构遭破坏层理紊乱的区域，煤 和瓦斯突出危险性较大[2]。在采掘过程中，根据引起煤与瓦斯突出的主要因素，选取相适 应的突出主要因素如煤层瓦斯压力或者含量，准确地预测采掘工作面煤与瓦斯突出危险性 是突出矿井安全生产的一个重要环节。而预测数据的准确与否直接关系到能否准确的预测 出煤层的突出危险性[3]，只有准确的测定出预测数据，才能指导采掘面的安全作业。最近 这两年发生的煤与瓦斯突出事故，2012 年至今发生大小突出事故其中比较严重的有，2012 年 12 月 5 日 14 时 15 分，富源县上厂煤矿一号井发生一起煤与瓦斯突出事故， 当班入井 66 人，49 人安全升井，17 人遇难。2012 年 11 月 25 日 24 日 11 时许，位于贵州省六盘水 市盘县境内的响水煤矿发生煤与瓦斯突出事故。事故发生时有 28 人在井下。截至当天 17 时 30 分，事故已造成 18 人死亡，有 5 人获救，另有 5 人仍困在井下，救援人员正在搜救 中。2012 年 7 月 8 日凌晨 645 分，湖南省涟源市安平镇湘中煤矿发生瓦斯突出事故，39 人成功升井，造成 17 名下井作业人员遇难。2012 年 06 月 3 日 18 时 30 分，曲靖市麒麟区 莲花冲岔沟煤矿发生一起煤与瓦斯突出事故，造成 15 人遇难。 2011 年 11 月 10 日 619， 云南省曲靖市师宗县私庄煤矿发生特别重大煤与瓦斯突出事故，造成 43 人死亡，直接经 济损失 3970 万元。2011 年 8 月 9 日，贵州六盘水市盘县昌兴煤矿发生煤与瓦斯突出事故 造成 13 人死亡。2011 年 8 月 8 日，新疆阿克苏区库车县华地投资公司明矾沟煤矿发生煤 与瓦斯突出事故，造成 17 人死亡。造成这些事故酿成的原因很多，但是只要煤炭工作人 员积极地做好突出预测工作，相信如此的事故就会相应的减少。 1.1 选题意义选题意义 近两年的煤与瓦斯突出事故屡禁不止，特别是 2011 年的突出事故发生频率之高令人 咂舌。煤矿事故给煤矿安全生产带来严重阻力，给广大的家庭造成不可挽回的伤害，给国 家制造了极大的负担，在社会上产生极其危害的负面影响。突出事故之所以频发的原因归 结起来无非就是煤矿地质条件复杂、煤与瓦斯突出预测技术落后、人的不作为行为；人 的因素可以通过强制性的要求规定来控制，地质地形条件没法改变，提高煤与瓦斯突出预 测准确度就是减少突出事故的最根本的途径。对煤与瓦斯突出事故的预测工作势在必行， 必须做好预测方面的研究消除所有不安因素。本文先从煤与瓦斯突出的影响因素出发，分 析总结煤与瓦斯突出主要影响因素，结合具体的燊达煤矿得出本矿突出的主要影响因素； 之后再对煤层瓦斯压力做出初步的预测，得到煤层倾斜长度与瓦斯压力的解析式；然后利 用数学软件matlab结合实测瓦斯压力值与倾斜程度解算出解析式的各个参数得出瓦斯压力 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -2- 与煤层倾斜长度的数值关系式，之后通过一系列措施验证关系式的正确性，最后利用所得 的数值关系式预测瓦斯压力达到 0.74MPa 时的煤层倾斜长度，再结合突出的其他诱导因素 得出煤与瓦斯有可能发生的区域，给煤矿防突工作提供一定的参考价值。 1.2 突出因素突出因素总结及突出预测方法总结及突出预测方法简述简述 煤与瓦斯突出的主要影响因素大致可以分为五类，具体如下 （1）煤岩因素与煤相关的因素煤质、煤的变质程度、煤体破坏类型、构造煤及 软分层厚度、煤层及围岩透气性、煤体的坚固性系数 f、煤体的解吸和放散能力、煤层埋 深、煤层厚度及其变化、煤层倾角； （2）瓦斯因素瓦斯压力（0.74Mpa）、瓦斯放散初速度 ΔP、煤层瓦斯含量（8m3/t）； （3）地应力因素岩体自重应力、采掘附加应力、地质构造应力、残余构造应力； （4）地质因素褶皱构造、断裂构造、构造凹地构造； （5）人为因素采掘方式、巷道类型、采掘活动、安全投入。 突出预测方法简述 煤与瓦斯突出预测方法大致可分为区域预测和点预测，其中突出鉴定使用的方法是区 域预测方法中的单项指标法。具体的分类见下面的树形图 1.1 所示。 图 1.1 煤与瓦斯突出预测方法 Fig.1.1 Prediction s for coal and gas outburst 煤 与 瓦 斯 突 出 预 测 单项指标法 综合指标法 局部预测 煤巷掘进工作面 石门揭煤工作面 采煤工作面 综合指标法 钻屑解吸指标法 涌出初速度法 R 值指标法 钻屑解吸指标法 涌出初速度法 区域预测 瓦斯地质统计法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -3- 1.3 煤层瓦斯压力预测技术国内外现状煤层瓦斯压力预测技术国内外现状 瓦斯压力是计算煤层瓦斯含量十分重要的基础数据，是判别煤层是否具有突出危险性 以及制定瓦斯防治方案的重要依据。由于井下现场测定煤层的瓦斯压力从选点到施工再到 测压读数，每一个环节都是很有难度的，必须保证每一个环节的成功才能相对测得煤层瓦 斯压力；由于现在的测压技术和工人的技术水平还不是十分成熟，通过现场测定的煤层瓦 斯压力和真实值是有一定差距的，所以必须通过理论分析结合现场数据才能得到煤层的真 实瓦斯压力；而且现阶段钻孔技术的不足导致现场测定煤层瓦斯压力的实施地域范围不能 覆盖所有煤层区域，局限性很大，所以必须对那些无法实施现场测压的地点或区域进行煤 层瓦斯压力预测。目前对煤层瓦斯压力预测的方法总的来说有两大类，分别是根据现场 测定的瓦斯压力值结合线性回归相关公式进行煤层瓦斯压力预测；再就是利用井下现场测 定的瓦斯压力值数据绘制离散点图，之后对图上的这些离散点进行多方面的分析，选择这 些离散点中比较特殊的两个点进行连线将做出的一条直线作为煤层瓦斯压力和煤层埋深 的关系式，之后对直线上下的点进行判断，在上面的有突出危险，在下的就没有突出危险。 （1）国外学者的研究现状 多年来，国外学者对煤层瓦斯压力开展了大量的试验和理论研究，研究有了一 定的成果，就是地应力对煤层瓦斯压力的影响是比较突出的，并且得出了煤层瓦斯 压力 P 的大小随着埋深 H 大小变化的某些经验性的线性关系式。 И.М.别楚克最早提 出了煤层瓦斯压力与煤层埋深之间的数学关系式[4]，他假定了瓦斯压力与岩石重量 相平衡后得到 p 0.0025h，MPa （1.1） 式中P瓦斯压力，MPa； h煤层埋藏深度，m。 BH 沃洛尼比较青睐下面公式 p nh-h0，MPa （1.2） 而且他还表示，对于在气田的条件下，瓦斯压力基本上与静水压力相当，即 n0.01。 在此应该指出，由于煤层中非常显著的微孔以和查曼效应，因此煤层中瓦斯压力应该低于 静水压力值。从我国 17 个矿区瓦斯压力实测资料中可以得出下面经验规律 p 0.002h0.01h， MPa （1.3） 在煤与瓦斯突出的危险性判别方法研究实验中，根据 60 多个实验矿井煤样的实际测 量数据，利用 JANAS 方程处理所得数据得到了一个幂指函数的瓦斯压力和煤样解析速度 关系式 1/ 31 / bar pVV   （1.4） 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -4- 式中 p 瓦斯压力， bar ； 3 V煤样解析 3min 时的解析速度，L/min ； 1bar V瓦斯压力为 1bar 时的解析速度，L/min ；  瓦斯压力相关指数。 其中，m 和 1bar V这两个参数跟煤的碳化程度有关，可以由下面的经验公式来计算 0.5712 1 51.23 bar VF   （1.5） 0.1048 0.552F （1.6） 式中F无水无灰的挥发分百分数。 （2）国内学者的研究现状 国内学者经过对北票矿务局 119 个瓦斯压力实测值做回归分析，得到北票地区煤层瓦 斯压力 p 与煤层埋深 h 的经验关系式如下 p0.0153h-2.9295 h，MPa （1.7） 中国矿业大学俞启香教授表示，在瓦斯风化带之下的 CH4带范围之中，煤层瓦斯压力 通常随垂深加深而正比增加[5]，可按以下统计式描述瓦斯带煤层平均瓦斯压力与埋深的关 系 PPC HH （1.8） 式中P瓦斯带内距地表埋深 H（m）处煤层瓦斯压力，MPa； P瓦斯风化带下界深度 Hm处煤层瓦斯压力，MPa， 0.15～0.20 MPa； C瓦斯压力梯度 （MPa/m） 其值因地质条件而异， 一般 0.006～0.0125MPa 。 国内学者王宏图、鲜学福等在预测煤层瓦斯压力时考虑了地温和地应力的影响，找到 了煤层瓦斯渗透率、地温和地平均应力三者的关系，并且提出了一维的煤层瓦斯稳定流动 的瓦斯渗流方程。然后利用解析相关算法，分煤层在地表有露头及通道和煤层在地表无露 头及通道的两种情况，分别推导出深部开采时煤层瓦斯压力与深度的解析式，最后通过实 验室测量得出解析式的相关参数得到数值关系式来预测煤层瓦斯压力。大致情况如下 A．地表无通道时煤层瓦斯压力的确定 由有效应力的定义 m P、地应力梯度和低温梯度的概念可以得出煤层中瓦斯压 力的解析式 1 2 1 2 [42] hH PPhHG hH        （1.9） 式中煤的膨胀系数和体积压缩系数可以根据温变和应力实验求的， H P可由实测的瓦斯 压力来确定[6]。 B．煤层在地表有露头或出口的情况 综合考虑温度场、地应力场的瓦斯压力与深度的关系式 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -5- 1 2 2 1231 Dh H eBB hB hB pp J      （1.10） 学者许江利用热力学相关理论，推导出了瓦斯风华带以下范围煤层瓦斯压力与埋深的 关系式[7] 1 [242] ccc PPD HHG HH K  （1.11） 式中 P煤层瓦斯压力，MPa； Pc瓦斯风化带下部边界深度 Hc 处的瓦斯压力，MPa； 煤体热膨胀系数，C-1 ； K体积压缩系数，MPa-1 ； D地应力梯度，MPa/m ； G地温梯度，C/m ； H煤层埋深，m ； Hc瓦斯风化带下部边界深度，m 。 对于计算或者预测煤层中的瓦斯压力，现阶段的研究结论还未达成一致，没有获得一 个公认的公式或者理论，因此在这个领域的探讨和总结是很有必要延续和发展的。 （3）其他煤层瓦斯压力预测方法 安全线图解法是利用数理统计方面的方法对井下现象实测的煤层瓦斯压力数据进行 统计分析，排除一些其他因素（如测压过程的失误、承压水等等）引起的测压数据有较大 偏差的异常数据，然后在正常的数据里面择优认定两个标志性的点，以这两点为基点做一 条直线，这样一条直线就叫做安全线，使其他的正常数据点都在这条直线以下， 如图 1.2 所示。 图 1.2 瓦斯压力预测方法-安全线法 Fig.1.2 Safety Line 用 MD - 2 型煤屑瓦斯解吸仪，WP - 1 型煤层瓦斯含量快速测定仪间接测算出煤层瓦 斯压力；利用通风报表统计出瓦斯涌出量，然后用公式反推出瓦斯压力。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -6- （4）煤层瓦斯压力间接预测的现状 A．测出煤层瓦斯含量利用公式反推间接得到煤层瓦斯压力（朗格缪尔方程） 间接法计算煤层瓦斯压力，煤层瓦斯压力与瓦斯含量的关系为 1 10010 1 11001 0.31 adad adp AMK Pa b P X b pM    （1.12） 式中X煤层瓦斯含量，m3/t； a吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3/t； b吸附常数，MPa-1； P煤层原始绝对瓦斯压力，MPa； Aad煤的灰分，％； Mad煤的水分，％； K1煤的孔隙体积，m3 /m3 ； ρp煤的视密度，t/m3 [7]。 B．瓦斯压力与含量的幂指函数关系 利用德国学者所得瓦斯压力和煤样解析速度关系式 1/ 31 / m bar pVV 可以推导 出煤层瓦斯压力与瓦斯含量的幂指函数关系式 1/ 1 / n bar pq q