俄罗斯煤与瓦斯突出区域预测方法的新进展.pdf

2 0 0 5年 l 0月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 2 卷第5 期 _ 赣| _ _ l 穗 俄罗斯煤与瓦斯突 出区域预测 方法 的新 进展 魏风 清 河南理工 大学 资 源与材料 工程 系， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘 要 对俄罗斯煤与瓦斯突出区域预测方法的新进展 突出危险性综合指标 和煤层的动态 变形特征 E， G进行 了分析 ， 以期对我国煤 与瓦斯突出区域预测有所借鉴和帮助。 关键词 煤与瓦斯突 出； 区域预测 ； 综合指标 ； 动态变形特征 中图分类号 T D 7 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 { 2 0 0 5 0 5 0 0 3 20 3 在俄罗斯开采煤与瓦斯突 出煤层时 ， 普遍 采用 区域预测方法 、 局部预测方法和 E t 常预测方法。 目 前在俄罗斯联邦的 1 0 9个矿井中 ， 开采 3 8 2个有动力 现象的矿井层 ， 其 中最危险的是煤与瓦斯突出。区 域预测方法以煤层 、 井 田、 采区为研究对象 ， 局部 预 测方法以回采工作面区段为研究对象 ， E t 常 预测方 法以采掘工作面前方附近煤体为研究对象。在上述 3种预测 方 法 中 ， 区域 性 预 测方 法 是最 基 础 、 最 重要 的预测方法 ， 它直接关系到煤层突出危险性的定性 、 煤层突出危险 区域的划分和管理方法 ， 最终关 系到 矿井的安全生产与技术经济指标。 煤层突出危险 区域 预测 方法一般 分 2种 ， 第 1 种 为区带性 与矿区和个别煤层 的地质构造有关 的区域性 ， 表现在突出危险带 内煤层突 出危险性沿 煤层走向和倾向的变化。在地质勘探时查 明突出危 险区域性区带的范围。区域性 突出危险带范围 内煤 层又分为突 出危 险、 突出威胁和非 突 出煤层 。第 2 种为小区带性 ， 在井 田或个别 区段 范围内， 划分出突 出危险矿井层和突出威胁矿井层的突出危险带和非 突出危险带 。小区带性与小的地质破坏和较小范围 内的煤层的地质和物理力学性质的变化有关。 2 0世纪 9 0年代以来 ， 以俄罗斯斯阔琴斯基矿业 研究院为代表的科研机构 ， 在煤 与瓦斯突出 区域预 测方法及指标方面都取得 了很大进展 ， 相继提 出了 收稿 日期 2 0 0 5 一O l 一2 5 作者简介 魏风清 1 9 6 6一 ， 男， 河南新 乡 ， 硕士， 高级 工程 师， 1 9 8 8年毕业于 焦作矿业 学院采矿 工程 学， 现从事 瓦斯 防治技 术研 究。 3 2 新的综合性的预测方 法和指标 ， 对煤层突 出危险性 的综合评价 、 突 出临界深度 的确定和规范突 出煤层 管理等方面起到了重要的指导作用。作者拟对俄罗 斯煤与瓦斯突出区域预测方法 的最新进展进行介绍 分析， 以期对我 国煤与瓦斯突出区域预测有所借鉴 和 帮助 。 1 突 出危险性综合指标 突出危险性综合指标 B 由俄 罗斯斯 阔琴斯基 矿业研究院的 l ／ I ． B． 谢尔盖 耶夫教授 和 B． M ． 伊万 诺夫教授提 出。 该方 法以煤与突出的综合作用假说 为依据 ， 在综合统计分析和测试突出危险煤层 、 非突 出危险煤层的突出危险性单项指标的基础上 ， 确定 了突出危险性综合指标 B 的计算公式 B X R 2． 2 m 1 ． 2 C 0． 0 0 2 h 0 ． 3 6 A 1 式中 * ； x d a f 煤层原始瓦斯含量， in ／ t ； 给定牌号煤 的残余瓦斯 含量 ， r n 3 ／ t ； 给定牌号煤 的平均瓦斯 含量 ， ／ t ； 尺 煤的破坏程度 ， m m～， R 季 i i 为第 种馏分的质 D J l 量 ， d 为第 i 种馏分的平均尺寸 ； ， n 煤层厚度， 1 1 1 ； c 煤层的分层 个数 ； 穿煤地点 的深度 ， m； 维普资讯 2 0 0 5年 l 0月 矿 业安 全 与 环 保 第3 2卷第5 期 顶 板 岩 层 的 硬 度 ， 1 0 k g ／ c m 1 0 MP a ． 当 B 1 5时 ， 煤层具有煤 与瓦斯突出危险倾 向， 当 B A A 脚 2 33 维普资讯 2 0 0 5年 1 O月 矿 业安 全 与 环 保 第3 2 卷第5 期 式中 ， 矿山岩体弹性变形的潜在能量 ； ． 考虑岩体中能量消散 的系数 ； 压缩瓦斯 的能量 ； A 突出时煤的破坏功 ； A 脚 破坏煤体沿巷道的移动功 。 矿山压力和在煤体中赋存 的瓦斯能量是煤层 的 潜在能量的源泉， 在突出时转变为破坏功。 在突出显 现的最小临界深度 ， 由矿 山压力和瓦斯能量决定 的 动力参数 ， 足够形成危 险状态。 不 同变质程 度 的煤 层 ， 其最小临界突出深度是不 同的。 在最小临界突出 深度以下 ， 煤层 中的动力参数具有足够形成突 出危 险状态 的恒定值 。 但是突出危险性具有 区带性特征。 所 以对于突出危 险状态 的形成来讲 ， 动力 因素是必 要条件 ， 而不是充分 条件。 由动 力平 衡分析 得出结 论 ， 在最小临界突出深度以下 ， 动力 因素 和 具有足够形成突出危险状态的数值 。 破坏煤体的移动功 A 脚 取决 于煤体 的抛出距 离 。 所以， 煤的破坏功 A 是一个 决定 突出危险局部 性的变量。 煤体的破坏功取决于其强度大小 ， 而煤体强度 由煤层结构的破坏程度决定。 煤的强度和其破坏功 之间的关系用经验方程表示 A [ c ． ／ 5 9 7 r ． ] l 3 式中 A 煤 的破坏功 ； 。． 煤的抗压强度； r 破坏煤的粒度 。 煤层 中煤 的结构破坏带 的存在 ， 即煤的破坏功 小的区带 的存在 ， 是最小 突出深度以下形成 突出危 险状态的第 3个必要 因素。 在构造作用 下易于脆性 破坏的煤层 中， 即具有 高弹性 能的煤层 中可以形成 这样的区带。 在地质勘探 阶段或在矿井条件下， 在突 出显现最小临界深度以下测量煤层突出危险性指标 时， 可以根据煤的弹性变形潜能的积聚倾 向和脆性破 坏倾 向评价煤层的突出危险性。 煤层弹性变形潜能积 聚倾 向可以用煤的变形性能来描述。 煤层的动态变形特征是用超声波方 法测定 的。 从突出危险煤层和非 突出危 险煤层 取煤样 ， 用超声 波方法确定弹性横波 和纵波 在煤 中的速度， 计算 变 形特征值 ， 对试验结果进行统计处理 。 煤样的泊松系数 2一 一 22 ／ v 4 式中 、 分别为弹性纵波和横 波在煤样中的传播 速度 ， ri a l s 。 3 4 剪切模量 G G p v 5 式中 P为煤的密度 ， k g ／ n 。 弹性模量 E E 2 1t z p v 6 根据得到的数据确定每一矿井层的 t z ， G， E指 标的平均值。 为验证根据煤 层变形特征可 以评价其 突出危险性 的假设 ， 研究 了煤 的变质程 度和煤的变 形特征值之间的关系及其置信区间。 研究结果表明煤 的变质程度和煤的变形特征值 之间的关系最符合线性关系， 如图 1 和图 2所示。 l 1 4 0 ． 3 5 再 邑 0 ． 3 l 1 2 5 0 ． 2 1 5 一 ＼ ＼ - - ．Z 、 、 L 、 、＼ 。＼ 。＼ “ --L ＼ 、 、 、 。＼ ●-●- ～ 。 、 ～ ． ． ‘ 、 l 。 ．-_ 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O ／ ％ 1 一 突出危险煤层 ； 2 , 2 。 一 突 出危险煤层的置信 区间； 3 一 非突出危险煤层 ； 4 、 4 。 一 非突出危险煤层 的置信 区间 。 图 1 剪切模量 G与煤 的变质程度 之 间的关 系 、 ＼ 、 、 、 ＼ 、L 、 ＼ ’ 、 、 。 、 、 、、 ～ 、 、 ． ’、’ ， 1 、＼ ～ 、 - ． ～ 、 ， 、 、 、 、 ， 、 _ 、 、 ’ 0 5 1 0 1 5 2 I 1 2 5 3 ／ ％ 1 一 突出危 险煤层 ； 2 、 2 。 一 突出危险煤层的置信区间 ； 3 一 非突 出危 险煤层 ； 4 、 4 。 一 非突出危险煤层 的置信区间。 图 2 弹性模量 E与煤的变质程度 之间的关系 回归方程和相关 系数 r 具有下列数值 对于突出危险煤层 G 0 ． 3 5 50 ． 0 0 3 l o r 0 ． 6 0 9 E 0 ． 9 4 20 ． O O 6 l o r 0 ． 6 2 4 对于非突出危险煤层 G 0 ， 2 4 00 ， 0 0 1 d a f l o r 0 ， 5 2 8 E 0 ． 7 1 90 ． O O 6 1 0 9 r0 ． 8 5 0 下转第 3 7页 再 【J＼ 维普资讯 2 0 0 5 年 1 0月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 2卷第5 期 M O V A， P I ； 读状态字 CL R E J B A C C． 7 ． P R M1 1 ； 判 “ 忙 ” 标 志 为 “ 0 ” 否 ， 否再读 S E TB D／I ； D／I 1 CL R R／W R ／W 0 M O V P 1 ， D A T； 写数据 S E r B E CL R E RET 读显示数据子程序基本方式同写显示数据子程 序。右区驱动子程序基本方式 同左 区， 但 片选设 置 应 为“ 1 0 ” 3 汉字字符写子程序 汉字显示是应用点阵图形液晶显示模块 的 目的 之一。汉字显示选用 1 61 6点阵字体 ， 每个汉字字 模数据为 3 2个字节 ， 点 阵位置为每行 2个字节 ， 单 个 字 节 每 位 代 表1个 点， 共1 6行 。但 由 于 H D 6 1 2 0 2 U显示存储器的特性不 同于计算机 内的汉 字点阵直接显示 ， 需要将其点阵数据旋转 9 0 。 后再写 入 ， 因此其生成字库的格式是前 1 6个字节为上半部 1 6 8点阵字模数据 ， 后 1 6个字 节为下半 部 1 68 点阵字模数据。根据字模数据 ， 依次往液晶 1 2 8 6 4 阵列的相应点区 1 61 6 写入一个汉字 的 3 2字节 数据， 即显示相应的汉字 ， 其基本流程 见图 3 。 读 字模库 主堡垡量墨堡I ● 匪匦 判断单字字节l N 数据结柬否 广 匪 图 3 汉字显示基本流 稃 3 结束语 该种类的液 晶模块 已经成功地 应用于 wT c型 煤与瓦斯突出预测仪器 ， 通过点阵显示汉字提示 ， 使 原来通过说明书说 明的操作转变为菜单提示 ， 操 作 人员使用更加简单 ， 在使用 中遵循菜单提示执行操 作即可完成测量过程 。人性化的界面显示也使仪器 的档次得以提升 ， 智能化程度更高 、 参 考文献 [ 1 ]秦石乔 ， 王省书 ， 黄 勇． 微机 接 口技 术及应 用[ M] ． { 沙- 国防科技 大学 出版 社， 2 0 0 0 [ 2 ]李华 ． MC S一 5 1系列单 片机 实用接 口技 术 [ M] ． 北京 北 京航空航天大 学出版 社， 1 9 9 3 [ 3 ]余永权 ． A T ME L 8 9系列 F l a s h单 片机 啄理 及应用 『 M] ． 北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 0 责 任编 辑 熊云 威 上接第 3 4页 根据变形特征值评价煤层突出危险性时 ， 可以 采用非突出危险煤层弹性模量和剪切模量 的上置信 区间 的回归 方程 G 0 ． 2 7 00 ． 0 01 d a f 1 0 9 E 0 ． 7 9 00 ． O O 6 1 0 9 当煤样的实测动态弹性模量 E或剪切模量 G大 于根据其变质程度计算 的临界值时， 煤层 就具有 突 出危险性 。 煤层突出危险性评价按下列顺序进行 1 确定煤的变质程度 。 如果煤的变质程度大于 3 6 ％ 或 l g p3 ． 3 ， 则煤层属于非突出危险煤层。 2 确定计划进行采掘作业的深度。 3 比较计划采掘作业深度与该变质程度煤层的 最小临界突出深度。 如果计划采掘深度小于该变 质 程度煤层的最小临界突 出深度 ， 则在计划深度进行 采掘作业 的煤层属 于非突 出危险煤层 ； 如果采掘作 业深度大于最小临界突 出深度 ， 在 自然水分条件 下 用动态方法确定煤的变形特征指标 E、 G。 4 比较煤层 的临界变形指标 E 、 G 和测定计 算的变形特征指标 E、 G 。 根据煤层的变质程度计算 其临界变形指标 E 、 G ， 并将 E 、 G 和超声波测 定 计算 的 变形特 征指 标 E、 G进 行 比较 。 5 作出煤层突出危险性的结论 。 如果 E≥ E ， 或 G≥ G ， 则煤层 属于突 出危险煤 层；如果 E E 、 G G 同时成立 ， 则煤 层属于非突 出危 险煤层。 责任编辑 吴 自立 37 维普资讯