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钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标预测突出的应用研究 3 孟絮屹 1 ,桂祥友 1 ,郁钟铭 2, 3 1. 贵州大学 矿业学院, 贵州 贵阳 550003; 2.武汉理工大学 管理学院, 湖北 武汉 430070; 3.贵州民族学院 管理学院, 贵州 贵阳 550025 摘 要对钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标进行了理论分析,论 述了钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在预测煤与瓦斯突出危险 性应用中的影响因素。在此基础上,提出了一些减小指标测 定误差的建议措施。 关键词煤与瓦斯突出;钻屑量;钻屑解吸指标 中图分类号 TD712 . 52 文献标识码 A 文章编号 1005 - 27632008 04 - 0064 - 03 Study on Application of Drill CuttingW eight and Its Gas Desorption Index in Forecasting Coal and GasOutburst M eng Xuyi1, Gui Xiangyou1, Yu Zhongm ing2, 3 1. Mining College, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550003, China; 2. Management College,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070, China; 3. Management College, Guizhou University ofNationalities, Guiyang, Guizhou 550025, China Abstract This paper makes theoretical analysis on drilling cut2 tingsweight and gas absorption index of drill cuttings, discusses the factors influencingwhen drilling cuttings weight and gas ab2 sorption index of drill cuttings are used to forecast coal and gas outburst, and based on those puts forward some suggestions and measures to reduce the deter mination errors of the inds . KeyW ordsCoal and gas outburst,Drilling cuttingsweight, Gas desorption index of drilling cutting 1 钻屑量指标理论分析 在理论上,钻屑量指标的大小决定于4个方面 的因素打钻地点的瓦斯含量,地应力状况,煤的结 构破坏程度,钻头直径。对于某一固定钻头直径来 说,钻屑量指标是一个常量,因而其3个因素是影响 煤与瓦斯突出的主要因素。钻屑量指标的大小综合 地反映了这3个因素,单位孔长的钻屑量愈大,则发 生突出的危险性愈大 [1 ]。研究表明 ,钻屑量由以下 4部分组成。 1钻孔实体煤芯量S0。S0为钻孔周围出现 破碎圈前的原始煤屑,若按单位长度计算,则有 S0πr 2 0p0 1 式中S0 钻孔实体煤芯量; r0 钻孔半径; p0 原始煤体容重。 2钻孔成形后,钻孔弹性变形所形成的附加 煤屑量Sel。 按等效应力作用原理,使多孔介质破坏 的是有效应力,有效应力σ W -λP,则有 Sel2πr 2 0p0W -λ P 1 v /E2 式中W 总应力; λ 与煤内磨擦角和内聚力有关的系数; P 瓦斯压力; v 煤的泊松比; E 煤的弹性模量。 3钻孔成形后,孔壁周围破碎带内煤体扩容 所形成的附加煤屑量Sp。Sp的计算公式为 Sp [ R 2 - r 2 0 A -1 - 0.667B R 3 - r 3 0 ] π ρ 0/A 3 式 中R为 破 碎 园 的 半 径,其 中, R r0 1.5 W - λ P K 1σ′ 0 1 K-1 , K为破碎带煤体的三轴残余强 系数,σ′ 0为r 1.5r0处煤体的残余强度; A和B为 待定系数,由于破碎带与弹性区交界处煤的容重与 原始容重相当,其松散系数近似为1,根据 И. H.佩 图霍夫推荐的松散系数计算公式,可推导出A ηr0 R - r0 R -ηr0r0 , B ηr0-1 / R -ηr0r0 , 其中,ηr0为 孔壁处的松散系数。 ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215/TD 矿业研究与开发 第28卷 第4期 M I N I NG R 贵州省国际合作项目Z073018 ;贵州大学引进人才项目Z065013 ;贵州省优秀青年人才 项目. 作者简介孟絮屹1982 - ,男,河南柘城县人,硕士研究生,从事矿业安全方面的科研工作, Email ambitionboy888126. com。 4破碎带形成后,弹性区与破碎带交界处因 弹性卸载而产生的附加煤屑Se2。其计算公式为 Se22π1 v ρ 0R 2 [ 1- r 2 0/R 2 - 2/ K 1 ] W -λ P /E4 综上所述,钻屑量的计算公式为 S S0 Se1 Se2 Sp5 极限煤屑量是煤体-围岩力学系统达到极限平 衡的条件,即钻屑量指标临界值。 煤与瓦斯突出的预测指标很多,但在运用指标 预测矿井煤与瓦斯突出之前要分析那些指标是具体 矿井的敏感指标。所谓的预测指标敏感性是指在一 定的开采、 地质条件下及测试手段下,指标的大小及 其变化与突出危险的相关性。 分析表明,煤体的力学性质对钻屑量大小有显 著关系,煤体具有一般弹塑性软化模型力学特性,钻 屑量随地应力增加而增大,此种条件下该指标对预 测以地应力为主导因素的突出较敏感;但对于异常 松软煤层,在坚硬顶底板夹持作用下出现整体静态 疲劳破坏,产生屈服、 出现显著的流变力学性质,并 且由于煤层在打钻过程几乎不产生弹性变形附加煤 屑量,也就不存在前述2、4式的理论煤屑量,因 此该指标在异常松软煤层为不敏感指标 [2, 3 ]。 2 钻屑瓦斯解吸指标 △h2、C和K1的分析 2. 1 △h2、C和K1的含义及其本质 △h2是从钻孔揭开某一采样段起,在煤样平衡 压力卸除后的第4～5 min的时间段瓦斯解吸量,体 现为解吸仪U型水柱计的压差高度。△h2愈大,表 明煤体的瓦斯含量高,煤的破坏类型高,愈易突出。 C是钻屑瓦斯解吸衰减系数,其值等于钻屑在 进行解吸测定的最初2 min的平均瓦斯解吸量与后 续的8 min的平均瓦斯解吸量之比。它体现了煤的 突出危险与煤体暴露在大气中最初时的瓦斯解吸速 度的密切关系。C值愈大,表征煤在大气中最初几 分钟的解吸速度大,其突出危险性亦大。 K1值的物理意义为煤样自煤体脱落暴露在大 气后第1 min内,每克煤的瓦斯解吸量,也即是平衡 压力卸除后,单位重量煤样在第1 min内的瓦斯解 吸量。K1值愈大,表征煤的瓦斯含量大,破坏类型 高,瓦斯解吸速度快,则愈易突出 [4]。 2. 2 △h2、C和K1指标测定误差的影响因素 [ 5, 6] 2. 2. 1 煤样测定前暴露时间t0对 △h的影响图1 是一组煤样暴露时间分别为3, 5, 10, 20和30 min 的测定结果。由图1看出,随着解吸测定时间的增 大,△h的增长速度减慢。解吸测定前暴露时间的 增长,实际上也就是延长了煤样的总解吸时间。井 下测定时控制煤样露时间为3 min是科学的,既能 准确读数,又能给操作有充裕的时间。 图1 煤样暴露时间t0对 △h的影响 2. 2. 2 煤样粒度对 △h的影响 图2是一组不同粒度煤样的测定结果。在同一 测定时间内,煤样粒度越小,测出的 △h值越大。但 随着煤样粒度的增大其影响程度逐渐减弱,特别是 当煤样粒度大于1 mm时,粒度的影响大为减弱。 由图2看出,煤样平均粒度由2 mm 曲线 3 增至4 mm 曲线 4 时,△h的差值在20以内。因此,为 了减小煤样粒度组成波动对测值的影响,在井下实 测 △h时,应选用1～3 mm粒度范围的煤样。 图2 煤样粒度对 △h的影响 2. 2. 3 瓦斯压力和煤质综合指标对 △h2的影响 在抚顺、 北票和焦作矿区分别采集烟煤和无烟 煤实验参数见表 1 进行影响因素测定,实验结果 见图3和图4。结果表明,随着吸附平衡压力p和 煤的突出危险性综合指标K的增大,△h2呈逐渐增 大的规律,在同一吸附瓦斯压力,无烟煤的 △h2要 比烟煤的大的多。 表1 烟煤与无烟煤瓦斯的参数 煤样 挥发份 V 坚固系数 f 瓦斯放散初 速度 △h 吸附平衡 压力P 综合指标 K 烟煤40～45. 3 0. 10～1. 022. 5～150. 2～2. 03～125 无烟煤2～100. 1～0. 95 13. 5～29. 5 0. 2～2. 014～95 56 孟絮屹,等 钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标预测突出的应用研究 图3 烟煤解吸同吸附压力突出综合指标的关系 图4 无烟煤解吸同吸附压力突出综合指标的关系 2. 2. 4 钻屑混合因素对K1的影响 在钻屑指标法预测中,目前基本上是采用孔口 取样,用这种方式所取钻屑无法保证是预定深度处 的钻屑,钻屑中不可避免的混有钻孔浅部的钻屑,浅 部的钻屑由于暴露时间长,瓦斯已经解吸一段时间, 所以会导致测定出的K1值比真实值偏小。其误差 大小主要取决于混入的浅部钻屑量和暴露时间的长 短,而钻孔深度、 钻杆的排粉能力和采样时机的把握 则直接影响混入的钻屑量和暴露时间的长短。 2. 2. 5 钻屑暴露时间因素对K1的影响 钻屑暴露时间是指钻屑从煤体剥落到开始测定 这段时间,包括钻屑从钻孔深部排到孔口的时间和 从接粉到测定前的时间。暴露时间的长短对K1值 的测定误差会产生一定影响,时间越长, K1测定值 越小。 根据试验结果, K1值的减少随暴露时间t的变 化关系可用公式K1 A t -0.3847 表示,根据该公式,暴 露时间为3 min时的K1值比暴露时间为2 min时偏 小约15。 3 提高预测准确度的措施 1在进行预测预报时,对于具体的工作面,不 必要把钻屑量S与钻屑瓦斯解吸指标 △h2, C,K1 同时作为判定突出危险性的指标。 按照每个指标各 自的物理意义来分析,△h2和K1所反应的意义是一 致的,这两个指标之间成正比关系;而C 4△h2 / △h10-△h2△h10为煤样平衡压力卸除后10 min的时间段瓦斯解吸量所对应的水柱的高度 , 可 知C与 △h2的关系比较复杂,一般情况下,只有当 △h10与 △h2的差值相当较大时, C作为判断指标才 有意义,当 △h10与 △h2很接近时, C值为无穷大,也 就失去了意义。 由于K1与 △h2成正比关系,所以K1 与C之间也为非线性关系。 可以看到,把钻屑量与钻 屑瓦斯解吸指标 △h2, C, K1同时作为判定突出危 险性的指标是不尽合理的。S和 △h2, C, K1所反映 的内容,有共同的一面,但也有些差别。 因此,在使用 这些指标预测煤与瓦斯突出时,没有必要把4个指 标捆绑到一起进行判断。 2根据煤层的具体情况,选择使用煤层突出 危险性判定的敏感指标。 一般说来,对于较坚硬的煤 层,应用 △h2、K1指标较适宜。通过对多项指标的 大量测定,进行分析总结,就可以找出具体煤层的敏 感指标。 3确定合理的突出危险临界值。对于同一预 测指标,在不同的矿井中,其临界值指标可能相差1 ～2倍。各预测指标临界值确定得准确与否,与预 测工作质量的关系很大。各矿井的突出临界值必须 以本矿井的实测结果为主要依据进行确定。 4努力消除现场测定工作中对钻屑量及钻屑 瓦斯解吸指标的一些人为影响因素,使实测的数据 真实地反映预测地点煤层的瓦斯、 地质状况,这是提 高应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标判定突出危险性 准确度最为根本的途径。 参考文献 [1 ]孟贤正,王君得.钻屑量指标预测综采面煤突出危险性研究 [J ].陕西煤炭, 2003, 4. [2 ]赵本钧,章梦涛.钻屑法的研究和应用[J ].辽宁工程技术大 学学报, 1985, S1. [3 ]文光才,王先义.突出预测钻屑量指标的探讨[J ].矿业安全 与环保, 1998, 3. [4 ]国家煤矿安全监察局.防治煤和瓦斯突出细则[M ].北京煤 炭工业出版社, 2005. [5 ]胡千庭,邵 军,等.工作面预测敏感临界指标值确定方法的 研究[R ].重庆煤炭科学研究总院重庆分院, 1995, 10. [6 ]赖达金,汪宗华.根据突出预测指标K1临界值确定指标 △h2 临界值[J ].江西煤炭科技, 2004, 02. 66 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 284