（安全技术及工程专业论文）马家沟矿深部水平石门揭煤煤与瓦斯突出预测研究.pdf

河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed y n a m i c a lp h e n o m e n o ni so c c u r r e di nm j i a g o um i n e r a lc o a ls e a m ，a p p r o x i m a t e l y f i f t y f o u r i ti st h em o s ts e v e r i t yw h e nr o c kc r o s s c u ti su n c o v e r e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t y ，t h ep r e d i c t e dg a sp r e s s u r ei sa sf o l l o w ：f r o m1 0 6 1 m p at o 16 5 m p aa td e e pl e v e l9 - 2s e a ma n df r o m0 9 9 7 2 2t o1 5 0 2 2 m p aa td e e pl e v e l1 2s e a n l a t t h es p o t ，t h er e p r e s e n t a t i v ec o a ls a m p l e sh a v eb e e nc o l l e c t e d ，a n de x p a n s i o ne n e r g yo fg a s ， t h eh a r dc o e f f i c i e n ta n dt h eg a si n i t i a lv e l o c i t yh a v eb e e nm e a s u r e d i tc o n c l u d e st h a tt h e e x p a n s i o ne n e r g ya n dt h ep r e s s u r eo fg a si sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb yt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s ， t h e nb yc o n t r a s to ft h ec r i t i c a le x p a n s i o ne n e r g yo fg a s ，t h eg a so u t b u r s tc r i t i c a lv a l ea tt h e d e e pl e v e lo fm a j i a g o uc o l am i n e w e r eo 6 3 - 1 3 8 m p aa td e e pl e v e l9 - 2s e a ma n d o 7 5 - 1 6 8 m p aa td e e pl e v e l1 2s e a m a tl a s t b yc o m p a r i s o no f t h ep r e d i c t e dv a l u ea n dt h e c r i t i c a lv a l u eo fg a so u t b u r s t ，i tc o n c l u d e st h a tt h eg a so u l b u r s ti sp o t e n t i a lo nt h ed e e p l e v e li nm a j i a g o uc o a l m i n e b y t h em e a s u r e m e n to ft h eh a r dc o e f f i c i e n ta n dt h ee a r l ys p e e do ft h ec o a ls a m p l e ，t h e c o m p r e h e n s i v ei n d e x e s ( d ，k ) o f ac o a ls a m p l ew a sg o t ，m a di ti m p l i e st h a tt h er e s u l to f t h e g a si n f l a t i o ne n e r g ym e t h o dp r e d i c t i n gr e s u l ti sr e l i a b l e b yt h eg r a yt h e o r i e s ，i ti si m p l i e s t h eg a si n f l a t i o ne n e r g ym e t h o di sb e t t e rt h a nt h ec o m p r e h e n s i v ei n d e xs i g nm e t h o d ；i nt h e e n d ，t w om e t h o d s ，m a k i n gu s eo ft a k i n go u tt h ec o a ls e a mg a sa n dt h em e t a l sf r a m e w o r k ， a r ep u tf o r w a r da st h ep r e v e n t i o nm e a s u r e so f t h eo u t b u r s ti nt h a tm i n e t h ef o r e c a s to ft h eo u t b u r s ti sv e r yi m p o r t a n tf o rm a j i a g o uc o a l m i n ea n do t h e r c o a l m i n e st oe x p l o i tc o a ls e a ma tt h ed e e pl e v e l 。 f i g u r e l 3t a b l e 2 1r c f e r e n e e 6 4 k e y w o r d s ：c o a la n dg a so u t b u r s tp r e d i c t i o no u t b u r s te x p a n s i o ne n e r g yo fi n i t i a l r e l e a s i n gg a sg a sp r e s s u r e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 1 3 ，t d 7 1 3 2 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：弼九星日期：埘年斗月椤日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j z 九磋导师签名：日期：2 d a 年斗月b 日 引言 引言 煤与瓦斯突出( 简称突出) 是煤矿井下含瓦斯煤体在极短时间内突然抛向采掘空 间的一种十分复杂的动力现象。随着煤炭开采强度和深度的增加，煤矿井下的突出 危险性也随之增大。特别是近几年，煤矿突出事故时有发生，2 0 0 4 年l o 月2 0 闩发 生在河南大平煤矿的特大瓦斯爆炸灾害，就是由煤与瓦斯突出所引起的，从而造成 1 4 8 人死亡，3 2 人受伤。由此可见，突出的发生给煤矿井下的正常生产和工人的生 命安全带来了极大影响。 马家沟矿是一个具有百年历史的老矿，井田面积1 9 6 k m 2 ，主采煤层为9 2 、1 2 煤层。现开采十水平( 8 0 2 m ) ，可采深度至1 2 0 0 m 。该矿是一个煤与瓦斯动力现 象比较严重的矿井，具有煤与瓦斯突出危险。据统计，自1 9 6 4 年9 月首次在马家沟 矿7 水平西2 石门发生煤与瓦斯突出现象以后，至今发生煤与瓦斯动力现象共5 4 次其中包括突出、倾出、压出、瓦斯涌出、钻孔突出和喷孔等。该矿发生的瓦斯 动力现象和国内外其它矿井有类似的规律，即：石门揭穿煤层时发生的突出强度最 大。浚矿最大的一次石门揭煤突出，突出煤体2 5 5 t 、涌出瓦斯1 8 万m 3 。因此，在 深水平未开采之前对其石门揭煤突出危险性做出预测，可阻为采取有效的防治措施 提供依据，从而能够避免或减少不必要的损失，确保安全生产。 本论文在分析和论述国内外煤与瓦斯突出机理和突出预测技术的基础上，提出 采用通过对不同瓦斯压力下初始释放瓦斯膨胀能测定值的数据分析，对马家沟矿深 部水平石门揭煤突出危险性进行预测。 河北理工大学硕士学位论文 i 文献综述 煤与瓦斯突出( 简称突出) 是煤矿井下含瓦斯的破坏煤体在极短时间内突然抛向 采掘空间的一种十分复杂的动力现象。 国内外研究表明，突出危险煤层的突出危险性具有区域性分布规律。即突出只 发生在某些局部地带，其突出危险带的面积，还不到突出煤层面积的1 0 ，其长度 变动在o l o o m 之间，突出危险带之问往往间隔很远，有时甚至达千米，若不预测 这些突出危险带，必然要在整个突出危险煤层采取防突措施【2 引。从而造成人力、物 力极大浪费，还要消耗大量的工作时间。若长时间在非突出带工作，还会使工人丧 失警惕，一旦进入突出危险带，很容易造成伤亡事故。因此，为了保证开采突出危 险煤层的人身安全，减少采取防突措施的盲目性，改善矿井技术经济指标，各国都 非常重视突出的预测预报工作。 1 1 煤与瓦斯突出机理 自从1 8 3 4 年3 月2 2 日在法国鲁尔煤田伊萨克矿井平巷掘进工作面发生了世界 上第次有记载的瓦斯突出”1 至今，世界各国学者对突出机理进行了大量实践探索 和理论研究，提出了许多假说，为突出的预测预报及其有效的防治措施提供理论指 导。归纳起来，这些机理可分为三大类：瓦斯作用学说、地应力作用学说、综合作 用学说4 州。 瓦斯作用论认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。在这类假说 中，“瓦斯包”说占有重要的地位。它认为在煤层中存在着瓦斯压力及瓦斯含量比 邻近区域高得多的煤窝，即“瓦斯包”。 地应力作用论把突出发生的原因归结为局部地应力的增大，在这类假说中，构 造应力论占有重要的地位。构造应力说又可分为残余构造应力说和现代构造应力 说，| ；j i 者认为，尽管在久远的年代以前，地质构造已经形成，但在地质构造带煤层 的坚硬的围岩中，仍然存在着部分构造应力，其值远大于自重应力值；而后者认为 采掘工作面前方存在着应力集中，当弹性的厚层顶板悬顶过长或突然冒落时，可能 产生附加的集中应力。 综合假说认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结 果，较全面的考虑了突出动力( 地应力、瓦斯) 和阻力( 煤强度) 两方面的主要因 2 1 文献综述 素，因而得到了国内外学者的普遍认可，该类假说认为若某区域地应力越大，瓦斯 龠量( 压力) 越高，则该区域突出危险性越大，这类假说中有代表性的是前苏联 b b 霍多特的能量说们和巴浦洛夫等人的地应力不均说h 1 。 综合起来可以看到，在突出机理的研究方面综合作用假说占据着主要地位。近 二十年来，在突出机理综合假说的理论指导下，突出理论研究取得了明显的进展。 中科院力学所对含瓦斯煤的一维和二维失稳破坏过程进行了模拟实验研究，重庆煤 科分院研究了瓦斯突出强度与瓦斯能量关系以及谢逸清等对延期性突出防治进行探 讨o ”：许多学者研究了瓦斯动力现象的本质和岩石破坏机理：f 1 本的栗原一雄 7 1 ”采用实验装置实现了实验室基于综合假说的瓦斯突出再现；德国慕尼黑工业大 学的h l i p p m a n n 等人”“”3 对煤矿中岩石突出问题采用了弹塑性力学的方法进行了 卓有成效的研究，给出了易产生岩石突出力学特征和突出预报的新概念。周世宁、 姚! 平”们对含瓦斯煤岩的性质进行了研究。周世宁和何学秋两位教授n3 2 6 1 提出了 煤与瓦斯的流变机理，流变假说认为含瓦斯的煤在外力作用下，当达到或超过其屈 服载荷时，明显的表现出变形衰减、均匀变形和加速变形三个阶段。流变假说运用 流变学的观点分析了突出过程中含瓦斯煤受力的时间和空间过程，能够很好的解释 综合作用的瓦斯突出的现象。西安矿业学院的李萍丰旺7 。2 8 3 提出了瓦斯突出机理的二 相流体假说，该假说认为由于工作面受采场应力的作用，工作面前方煤体可分为突 出阻碍区、突出控制区、突出积能区( 或突出中心) 和突出能量补给区。中国矿业 大学的蒋承林教授阻”通过对突出过程的理论分析和大量的实验室研究，提出了瓦 斯突出的球壳失稳机理。他认为在石门揭穿瓦斯突出煤层时所发生的动力现象过程 中，煤体的破坏以球盖状球壳的形成、扩展及失稳抛出为其典型特征，突出过程中 煤体在应力作用下破坏是突出的必要条件而不是充分条件，并指出在理想石门揭煤 条件下，煤层能否突出及突出强度的大小只取决于地应力、瓦斯压力、煤体强度及 软分层厚度。而地应力、瓦斯压力和煤体强度只影响煤体破裂后的初始释放瓦斯膨 胀能。因此，在理想石门揭煤条件下，只要测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能和软煤 厚度，就可以判断煤体是否会发生突出及突出的类型。并且单独采用瓦斯膨胀能指标 预测准确率达9 0 。 综上所述，由于突出的特殊性和复杂性，对地应力、瓦斯压力及煤的物理力学 性质三因素在突出中所起作用的具体认识上，虽然尚存在较大分歧，但瓦斯突出机 理的综合假说有效地指导了瓦斯突出预测和防治实践，是目前较为成熟的理论。国 内外大量学者通过对瓦斯突出的理论研究，在瓦斯突出机理综合假说的基础上又提 3 河北理工大学硕士学位论文 出了一些全新的假说，这是对瓦斯突出机理综合假说的补充、完善和提高，丰富了 瓦斯突出理论研究成果。 1 2 煤与瓦斯突出预测方法 1 国内外突出预测方法的研究现状 煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及其影响因素的认识，在对突出机 理进行研究的一个多世纪中，各国学者提出了各种各样的突出预测、预报方法。其 中被广泛应用的方法主要有以下几种： ( 1 ) 用煤的破坏类型、煤的瓦斯发散初速度指标卸、煤的坚固性系数f 以及煤 层的瓦斯压力p 等四个单项指标来进行预测的单项指标法口们。 ( 2 ) 以每米钻孔钻屑量的最大值为基础的钻屑量法b ，钻屑量法因为操作简 便得到了较为广泛的应用，钻屑量被认为是反映地应力大小的一个有效指标。 ( 3 ) 依据瓦斯地质统计资料、瓦斯观测资料和瓦斯地质图，经过综合分析，具 体给出该区域是突出危险区域还是突出威胁区域的瓦斯地质统计法”。 ( 4 ) 根据每个钻孔的最大钻屑量s 。( l m ) 和最大钻孔瓦斯涌出初速度q 。 ( l m i n ) 的r 值指标法，r 值指标法反映了工作面的应力状态，煤的物理力学 性质，瓦斯含量及煤的透气性等决定突出危险性的主要因素。 ( 5 ) 综合反映地应力、瓦斯压力及煤体强度的d 、k 综合指标法粥。 这种方法主要用于突出煤层的区域预测和石门揭煤工作面突出危险性预测。以 划分突出区域和突出威胁区域。 ( 6 ) 新型的突出预测方法 当今国内外普遍采用的突出预测方法是接触式( 钻孔) 预测法，这种方法虽然 能够较准确预测突出，但需要占用煤巷空问，影响掘进进尺与功效，预报工程量较 大，因此，近年来国内外正在探索不需钻孔的非接触式预报法b 4 。3 ”，诸如利用煤体 温度、声发射、瓦斯涌出特征预测突出危险性；另外还有根据煤炭的电物理参数预 测瓦斯突出的电物理方法；根据突出源与煤体中有机物中存在的标志型元素之间规 律性的关系预测突出的地球化学法；预测巷道底板喷出的地震声响谐振法：利用电 子顺磁谐振光谱来评定煤层突出危险性，以及应用断裂电磁辐射预测瓦斯突出等等 b 8 m 1 。这些非接触式的预测方法因为缺乏理论基础，目前预测准确性不高。 尽管目前人们已经对突出的机理从各个方面进行了探索并提出了多种有效预测 方法，但这些预测方法不是缺乏理论基础、预测准确性不高，就是预测工程量较 4 l 文献综述 大，由此可见预测方法还有待完善、提高。目前得到广泛认可预测方法是建立在综 合作用假说基础上的预测预报方法。 2 突出预测方法的分类 按预测预报范围和时间的不同各国对预测方法的分类也不同。 国外将预测方法分为三类：区域性预测、局部预测和1 3 常预测口1 。区域性预测 主要是确定煤田、井日 、煤层和采掘区域性的突出危险性；局部预测是在区域性的 基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区( 如采区) 或地点的突出 危险性做出判断：同常预测是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的 各种异常效应( 如声、电、磁、震、热等) ，对突出危险发出警报。 我国把预测方法分为区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测两类：区域突 出危险性预测，简称区域预测，用于预测煤层和煤层区域( 包括井羽、新水平和新 采区) 的突出危险性，并在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进 行；工作面预测也叫点预测、日常预测，用于工作面煤层的突出危险性预测，它包 括石门揭煤工作面、煤巷掘进工作面和回采工作面的突出危险性预测1 。 1 3 瓦斯压力预测技术 瓦斯压力是煤层瓦斯的基本参数，也是预测煤与瓦斯突出的主要依据之一。掌 握煤层中瓦斯压力分布，对研究煤与瓦斯突出、煤层瓦斯赋存和涌出规律、以及评 价煤层瓦斯含量和瓦斯抽放等均有非常重要的作用“钔。多年来，国内外学者对燥 层瓦斯压力开展了大量的试验和理论研究，研究成果表明h 5 4 9 3 ，煤层瓦斯压力受地 应力影响较大，并得到了煤层瓦斯压力p 随埋深h 变化的一些经验性的线性关系。 应该说，这些关系对处于正常地质条件下的煤层具有应用方便的特点。但是，对于 高温矿井及深部丌采煤层、受区域及局部地质构造影响较大的煤层以及受地应力最 响较大的煤层，其地应力场或地温场的分布不可能是均匀的，在煤层的同一水平酗 不同部位，或同一埋深的不同部位的地应力或地温的差别可能较大，使煤层瓦斯压 力分布不再仅仅是随深度变化的简单线性函数。 瓦斯压力与煤层埋深之间的数学关系式最早是由h m 别楚克h 训提出的，他侣 定瓦斯压力与岩石重量相平衡于是得到： p = o 0 0 2 5 h ，m p a 式中：p 瓦斯压力；h 一煤层埋藏深度。 b h 沃洛尼3 建议采用公式( 2 ) 。 河北理工火学硕士学位论文 p = - ( h 一) ，m p a ( 2 ) 而且他指出，对于气用的条件，瓦斯压力常常等于静水压力，即n = 0 0 1 。 应当指出，由于煤中有微孔以及查曼效应非常显著，煤层中的瓦斯压力应当低 于静水压力川1 。 根据我国1 5 个矿区瓦斯压力实测资料表明，存在以下规律。 p = o 0 0 2 h o 0 1 h ，m p a ( 3 ) 北票矿务局也根据1 1 9 个瓦斯压力实测值，经过回归分析，得出了该局煤层瓦 斯压力p 与煤层埋深h 的关系m 3 。 p = o 0 1 5 3 h 一2 9 2 9 5 ，m p a ( 4 ) 中国矿业大学俞启香教授巧3 提出，在瓦斯风化带之下的c t h 带内，煤层的瓦斯 压力通常随垂深加深而正比增高，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。 p 2 p + c ( h h ) ，a ( 5 ) 式中：p 瓦斯带内距地表埋深h ( m ) 处煤层的瓦斯压力( m p a ) ； p 二瓦斯风化带下界深度h ( m ) 处煤层的瓦斯压力( m p a ) ，其值介于 0 1 5 0 2 0m p a r c 瓦斯压力梯度( m p a m ) 其值因地质条件而异，一般为o 0 0 6 - ：- - 0 0 1 2 5 m p a 。 近期的一些研究表明煤层瓦斯压力的变化，不仅受地应力场的影响，也受温度 场等因素的影响。因此若单纯考虑瓦斯压力与重力场的关系，显然不能真实的反映 煤层瓦斯压力随煤层的变化规律。下面是分两种情况的讨论。 1 3 1 地表无通道时煤层瓦斯压力的确定 若在瓦斯风化带的下部边界以下距地表垂深h 处取一微元体v h 。该煤微元体 内孔裂隙充满了瓦斯，且该处的地温为t 1 1 ，瓦斯压力p i i ，平均有效应力oi l 。如果 煤层垂深从h 增加到h ，则h 处煤微元体的地温增加到t h + ot ，煤微元体的体积 将发生膨胀；同时，h 处煤微元体的有效应力将增加到oh + o ，煤微元体的体积 将被压缩，此时h 处煤微元体的瓦斯压力为p h 。由热力学理论中热膨胀系数0 的定 义和弹塑性理论中的体积压缩系数0 的定义，可得出在温度和有效应力的共同影 响下，含瓦斯煤微元体体积的变化规律为川。 v 、三v + a v = v e x p ( p a r a a o - 。) ( 6 ) 6 1 文献综述 根据体积应变岛的定义，上式有。 l n ( 1 + 如) = 肛t a c t ( 7 ) 将( 7 ) 式左边按级数展开，并近似取前两项，同时将c o = o a o - 代入其中，通过 整理得。 ( 一昙( 口) + 矿a t = o ( 8 ) 求解( 8 ) 式，即可得到含瓦斯煤微元体中平均有效应力的改变量。 盯= z c 。一届a 丁，； ，口 由有效应力的定义( o = 。r p ) 和地温及地应力梯度的概念 力的解析式。 只= 只+ ( 一h ) 一吉 2 一【4 2 f i g ( 一日) 】；) 可得煤层中瓦斯压 ( 1 0 ) 式( 1 0 ) 中，煤的热膨胀系数和体积压缩系数可根据变应力和变温试验求得，p h 由实测的瓦斯压力来确定。 1 3 2 煤层在地表有露头或出口的情况 如果煤层在地表有露头或出口，煤层瓦斯靠压力差ap 的作用将沿着煤层向地 表渗透，这种渗流可以把瓦斯的来源视为一元限源，并近似为一维稳定渗流 5 2 , 5 33 。 根据渗流方程和渗流动力学方程。 一呈()=d(q+qodx d t 矿：一生_ a p ( 1 2 ) t 出 将式( 1 2 ) 代入式( 1 1 ) 得： 导( p 主字) ：导( q 。+ q 2 ) 一( 1 3 ) 靠“ma t 对于稳定渗流，瓦斯质量不随时间t 而变化，所以： 鲁( q i + q 2 ) _ o ( 1 4 ) d l i p 目钋 耳 7 河北理工大学硕士学位论文 户主粤：印一( 1 5 ) 户i 素= c ，( 1 5 ) 根据渗流实验，声： k = j ：( 14 - r ) ” 由气体状态方程，得： ( 1 6 ) p = 羔( 1 7 ) 球r 、7 设煤层倾角为：0 ，倾斜长为：x ，垂高为：h ，则： h x = s i n 0 有效应力可表示为盯= f p 式中r 为三向应力的平均值。 将式( 1 6 ) 一( 1 9 ) 代入式( 1 5 ) 并整理得 矿印= 器一 ( 1 8 ) 棚等哦等地糊= 篇 蓿从地表算起，r o = 0 ，h 。_ o ，t 。视为常数，则 ( 2 0 ) 并积分得： 妒印= 彳f 瓮端e “ 将高展成级数形式且只取线性项得： ( 2 0 ) f = d h t = t o + g 代入式 ( 2 1 ) k ”咖2 南胁+ ，o + 删一等炉幽 = a e ”d p ( b i + b 2 h + b 3 h 2 ) + c 2 ( 2 2 ) 式中川= 而； 。 a b ( 6 一a n ) g 2 n g 2 甘一。面一历- 一矿； 8 1 文献综述 耻i ( b - a 厂n ) g 一筹d ； ad口2 驴一筹； a = 2 7 3 + t o ； b = 1 + r o 。 将p ”展成级数，且只取线性项( 口很小，口 0 2 5 时，z o = 1 5 7 f l 一3 一o 1 4 ( 4 3 ) 当石，0 2 5 时，z 。= 一一，( 4 4 ) 3 2 4 马家沟矿深部水平煤与瓦斯突出预测 式中： 一，煤样粒度，l 3 m m 的坚固系数测定值。 5 测定结果 表1 3 坚固性系数厂的测定结果 ! ! ! 翌! ! ! 坐! 型! ! ! 竺! ! ! ! 堡! ! ! 采样地点 淼麓。)落警麓数 几瓜， 4 2 4 综合指标法计算结果 把坚固性系数、瓦斯放散初速度的测定结果代入公式3 6 3 7 中，经计算得到 综合指标( d 、k ) 的测定结果，测定结果见表1 4 。 表1 4 综合指标测定结果 t a b l e1 4d a t ao f m e n s u r a t i o na b o u ti n t e g r a t i o ni n d e x 从测定结果可知：各煤样实测的综合指标均大于i | 缶界值，说明所选取得煤样在 石门揭煤条件下有突出危险性，这和用瓦斯膨胀能法的预测结果相紊合。综合指标 法的判定，从另一角度证明了瓦斯膨胀能法的准确性和可靠性，从而对预测出的马 家沟矿深部水平突出危险性给予了肯定。 3 3 河北理工大学硕士学位论文 4 3 两种方法预测结果的灰色关联分析 本文4 1 4 2 中用初始释放瓦斯膨胀能法对马家沟深部水平石门揭煤突出危险 性作出了预测，用综合指标法进行了验证。基于前人的研究成果，我们用灰色理论 来比较这两种预测方法中哪个更能相对准确地预测突出。 灰色理论认为：客观系统表象复杂，数据离散，信息不完全但必然潜伏着内 在规律，系统中各因素总是相互联系。灰色关联分析的基本任务是基于因素序列的 微观或宏观几何接近程度，来衡量因素间的关系程度6 3 舶l 。 灰色理论中的综合关联度体现了母因素与子因素的相似程度，反映出母因素与 子因素相对始点的变化速率的接近程度，因此用综合关联度来比较两种方法反映煤 与瓦斯突出危险准确程度，具体过程如下。 把预测指标作为子因素( 如瓦斯压力( p ) 、瓦斯放散指数( ap ) 、坚固性 常数( f ) 、综合指标d 、k 等) ，突出危险程度作为母因素。 设母因素数列 x o ( k ) ) ；子因素数列为 x i ( k ) ) ，其中i = l 、2 、3 6 ；k = i 、 2 、3 4 。 1 结合本文的实验数据，将母因素( 突出危险程度) 划分为7 个等级【6 7 - 6 9 1 ， 结果如表1 5 所示。 袭1 5 突出危险程度评分等级 t a b l el5e v a l u a t i o nr a n k i n go f o u t b u r s tc r i t i c a l i i t y 突出危险程度评分 未突出 有突出倾向 小型突出g 1 0 0 0 # 次 o 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 2 原始数据如表1 6 所示。 4 马家沟矿深部水平煤与瓦斯突出预测 表1 6 突出指标原始数据 ! ! ! 生! ! 生! 里! ! 奠! ! 塑! 塑坐! 坐! ! ! ! 突出预测指标 九水平 9 - 2 煤层 九水平 1 2 煤层 十水平 9 - 2 煤层 十水平 1 2 煤层 3 ，综合关联度的计算： ( 1 ) 绝对关联度的计算： 因为绝对关联度的计算公式中： = 高端牲 其中： ( 4 5 ) x ? = ( x j ( 1 ) 一x ；( 1 l x i ( 2 ) 一x i ( 1 l x 。( 3 ) 一x ( 1 ) x i ( 4 ) 一x ( 1 ) ) ：( x ? ( 1 l x ? ( 2 ) x ? ( 3 l x ? ( 4 ) ) ；i ：0 ，1 ，2 ，3 ，4 h 6 x ? 计算结果如表1 7 所示。 k i ；i 壹z ? ) + 去# ( 4 i i k = 2 上 l 式中：i = o ，l ，2 ，3 ，4 。 k 一| i i ( x ? ) 一x ：o ) ) + i 1o ? ( 4 ) 一x ：( 4 ) ) l i t = 2 二 式中i = o ，l ，2 6 。 绝对关联度。，计算结果见表1 8 。 3 5 ( 4 7 ) ( 4 8 ) 塑! ! 里三查堂堕主兰垡堡苎 表1 7f 计算数据 ! 呈! ! ! ! ! 曼苎生竺! 苎1 2 2 型兰竺兰! ! ： 突出预渊指标 九水平 9 2 煤层 九水平 1 2 煤层 十水平 9 2 煤层 十水平 1 2 煤层 ：( 突山危险程度) 0 0 00 ? ( 瓦斯压力p m p a ) x ；( 瓦斯放敬指数p ) x ? ( 坚i 刮性系数厂) ：( 综合指标d ) x ；( 综合指标k ) 0 _ 3 8 4 o 0 2 1 1 3 4 6 2 6 0 0 6 0 0 6 ) 00 4 4 9 5 2 3 8 9 4 8 0 0 6 o 0 0 l 2 1 4 5 1 0 5 2 x ：( 瓦斯膨胀能w p ，m j ) 0 - 6 2 8 3 5 0 6 51 9 7 6 2 表1 8 绝对关联度计算数据 t a b l e1 8c a l c u t a t i o n a ld a t a o f t h ea b s o l u t ea s s o c i a t e dd e g r e e 突出预测指标 mk 一l s 0 x ：( 突山危险程度) 0 x o ( 瓦斯压力p m p a ) o 4 70 4 7 0 7 5 7 7 3 2 x ? ( 瓦斯放散指数p ) 99o 5 2 6 3 1 6 z ? ( 坚固性系数厂) o 0 5 5 o 0 5 5o 9 5 0 4 5 x o ( 综合指标d ) 1 7 3 7 0 51 7 3 7 0 5 o 5 1 3 9 9 x o ( 综合指标k ) 6 4 4 2 86 4 4 2 80 5 0 3 8 5 j 嚣( 瓦斯膨胀能指标f m j ) 3 8 6 6 6 3 8 6 6 6o 5 0 6 3 8 3 ( 2 ) 相对关联度的计算 因为相对关联度r o =矗糕；卢一嗡， 1 + i ，。i + 1 一，1 + 1 s 。一。1 。 躲e = ，瑞，瑞，器) ；剐 2 嗡 s l i = 罄+ 扣( 4 j ：剐 z 乜 l31i 卜“1 2 1 k - 2 ( z ? 取) ：+ 秒( 4 ) ：( 4 ) 1 ；户0 1 2 6 l i ! 墨塞塑芝竖塑查! 堡皇匹堑茎些塑塑 相对关联度r o f 计算结果见表t 9 。 表1 9 相对关联度计算数据 ! ! ! 生! ! 竺! 生! 竖! ! ! ! ! ! 篓! ! ! ! ! ! 竺型兰竺! 竺! 墨鲤! ! g 堡! 突出预测指标 ”ll s ，一。l ，o ， ( 3 ) 综合关联度的计算： 由综合关联度风，= 船。，+ ( 1 一目k ，；1 ，2 6 ，取口= 0 5 ，得综合关联度p 。 计算结果见表2 0 。 表2 0 综合关联度计算数据 t a b l e2 0c a l c u l a t i o n a ld a t ao f t h er e l a t i v ea s s o c i a t e dd e g r e e 突出预测指标 综合关联度p o x o ( 瓦斯压力p m p a ) x o ( 瓦斯放散指数尸) x ? ( 坚同性系数厂) x o ( 综合指标d ) ? ( 综合指标k ) x ：( 瓦斯膨胀能指标w m j ) 0 7 5 5 1 8 2 o 5 5 8 6 1 3 0 8 8 3 5 5 9 0 ，5 4 0 8 2 1 0 5 3 7 0 3 3 o 5 7 l1 2 4 4 结论： 根据综合关联度计算数据，可知p p o i p 0 6 p 0 2 p 0 4 p 0 5 ，即 ， z x 。 x 2 以 ，。从而可得在本文中用来预测突出的三个指标( 、 d 、k ) 中瓦斯膨胀能指标睨反映煤与瓦斯突出的准确程度大于综合指标( d 、 k ) 。这也在另一个侧面证明了本文中预测结果的准确性。 3 7 河北理工大学硕士学位论文 综上所述，本章通过分析瓦斯膨胀能随瓦斯压力的变化规律得出了马家沟矿 9 2 、1 2 煤层瓦斯压力突出临界值；得出了对马家沟矿深部水平石门揭煤突出危险 性的预测结果；并用综合指标法对预测结果进行了验证；用灰色关联比较了两种方 法预测结果的准确程度。 3 8 5 马家淘矿深部水平突出防治对策措施 5 马家沟矿深部水平突出防治对策措施 通过对马家沟矿深部水平石门揭煤突出危险性的预测，可知马家沟矿深部水平 石门揭煤有煤与瓦斯突出的危险性，本章提出几种防治突出的方法，为深部水平安 全生产提供参考。 5 1 预抽煤层瓦斯 预抽煤层瓦斯防治突出技术是在掘进或开采煤层之前向突出煤层打许多钻孔， 再将钻i l 与抽放管路相接，利用抽放泵提供的负压将煤层内的瓦斯抽出。煤层进行 几个月的预抽后，煤层内的瓦斯压力下降瓦斯含量降低，能使突出煤层产生收缩 变形，其上的地应力降低，煤层透气性增大，煤层的坚固性系数提高，这些都会使 煤层在开采或掘进过程中释放出来的瓦斯膨胀能降低，因而失去突出危险性。这种 措施既可作为区域性防突措施，也可作为局部防突措施皓 。 5 1 1 瓦斯抽放的目的和意义 1 抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯 事故，是保证安全生产的一项预防性措施。 2 抽放瓦斯可咀减少通风负担，降低通风费用，还能够解决通风难以解决的 难题。 3 煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源，抽出来送到地面作为原料和燃 料加以利用，“变害为利”、“变废为宝”，可以收至i 节约煤炭、保护环境的效果 和可观的经济效益。 5 1 2 瓦斯抽放的方式和分类 矿井瓦斯抽放的方式和方法多种多样，一般有三种分类方法：根据煤层可抽放 瓦斯的来源可分为本煤层瓦斯抽放、邻近煤层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放；根据抽 放时间与采掘时间的关系可分为采前抽放、采中抽放和采后抽放；按旌工工艺可分 为巷道抽放法、钻孔抽放法和巷道钻孔混合抽放法。矿井瓦斯抽放虽然有不同分类 方法和分为不同种类，但现场应用时，往往是互相结合，不能截然分开的。 3 9 河北理工大学硕士学位论文 根据煤层可抽放瓦斯的难易程度可将煤层划分为容易抽放、勉强抽放、和难以 拙放三种类型。判断煤层属于哪一种类型，是依据煤层透气性系数或者煤层的百米 钻孔瓦斯流量衰减系数来确定的。具体要求见表2 l 。 表2 1 煤层可抽放性分类表 t a b l e2 1c l a s sc h a r to f c o a ls e a mt a k i n go u t 5 1 3 局部多排钻孔排放瓦斯 在有石门揭煤突出危险的煤层，极易发生煤与瓦斯突出。在石门预定的断面轮 廓外布置多排扇形穿层钻孔，通过排放煤体和瓦斯来防止揭煤时发生突出。多排钻 孑l 呈网格状穿越煤层后，钻孔周围形成一定的破裂带，地应力降低，瓦斯压力在较 长时间的瓦斯排放后也降低，煤体内的弹性潜能和瓦斯能都得到了释放，煤体的瓦 斯膨胀能降低，使煤体失去突出危险性。 局部多排钻孔排放瓦斯的工艺过程为：在石门距突出煤层6 7 m 时，停止掘 进，在石门断面周围5 7 m 的范围布置直径为7 5 m m 或9 0 m m 的扇形钻孔1 0 1 5 个，孔问距可根据实测的有效半径而定。然后将钻机后移3 - 5 m ，再打第二排钻孔 1 0 1 5 个。以便在石门周围外形成一个走向长1 0 - 2 0 m ，倾斜长8 l o m 的卸压和排 放瓦斯带。考虑煤的自重引起垮落后上部突出危险的软煤暴露引起突出，排放瓦斯 的范围主要分布在石门巷道的上方和两侧。 5 2 金属骨架 金属骨架是用于石门工作面揭穿突出危险煤层的一种超前支护。这种支架将钢 管插入预先在工作面断面周围布置的钻孔内，其前端伸入煤层的顶或底板岩石中， 后端支承在工作面中的支架上。该防突措施的作用一是通过安装金属骨架的钻孔排 放煤体中的一部分瓦斯，使煤体卸压；二是加强工作面前方煤体的稳定性，防治倾 出、压出等由煤体自身重力引起的动力现象。金属骨架防突措施适用于煤质松软的 薄和中厚煤层，尤其适用于煤层倾角大于4 5 。、打钻孔时不堵钻的煤层们。 5 马家沟矿深部水平突出防治对策措施 石门揭煤采用金属骨架时应采用下列要求： 1 对于突出危险性小的煤层，可在石门项部及两帮布置单排金属骨架，对于 突出危险性较大、煤质松软的急倾斜煤层应采用双排钻孔。 2 在石门断面外上部和两侧0 5 1 o m 的范围内布鼹金属骨架，以免受到震动 放炮的破坏。 3 金属骨架钻孔穿越煤层并进入煤层顶( 底) 板至少o 5 m ，钻孔间距不得大 丁| 0 3 m ，对于软煤层要布鼍两排金属骨架，钻孔问距应小于o 2 m 。 4 打完骨架后，应及时清除钻孔内的煤屑与岩渣，然后立即插入金属骨架。 5 揭开煤层后，严禁拆除金属骨架，以防止因悬煤垮落而引起的突出。 综上所述，针对马家沟矿深部水平石门揭煤突出危险性，提出的瓦斯抽放和金 属骨架的防治措施，两种措施应相互结合使用，以便达到较好的防治效果。 4 1 河北理 二大学硕士学位论文 结论 首先在收集、整理、分析有关资料的基础上，预测出马家沟矿深部水平瓦斯压 力范围；其次在马家沟矿生产现场采集了具有代表性的煤样，并对其进行了瓦斯膨 胀能、坚固性系数、瓦斯放散初速度的测定；再次将对实验结果的分析结果与预测 出的深部水平瓦斯压力范围相结合预测出马家沟矿深部水平石门揭煤具有突出危 险性：最后针对预测结果提出防治措施。本文得出以下结论。 ( 1 ) 结合突出预测方法研究现状，确定采用初始释放瓦斯膨胀能法进行预 测。 ( 2 ) 结合马家沟矿现状以及现有的瓦斯压力数据，预测出马家沟矿9 2 、1 2 煤层深部水平瓦斯压力范围，9 2 煤层深部水平瓦斯压力范围为1 0 6 1 1 6 5 m p a ， 1 2 煤层深部水平瓦斯压力范围为o 9 9 7 2 2 1 5 0 2 2 m p a 。 ( 3 ) 通过对初始释放瓦斯膨胀能测定数据的分析，得出马家沟矿9 2 、1 2 两 个煤层初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系为线性关系。 ( 4 ) 将分析出的规律与初始释放瓦斯膨胀能的临界值相比较，得出马家沟矿 深部水平石门揭煤瓦斯压力突出临界值：9 - 2 煤层，弱突出0 6 3 m p a ，突出为 1 3 8 m p a ；1 2 煤层，弱突出o 7 5 m p a ，突出为1 6 8 m p a 。 ( s ) 将瓦斯压力突出临界值与预测出的深部水平瓦斯压力范围相比较，从而 预测出马家沟矿深部水平石门揭煤具有突出危险性。 ( 6 ) 用d 、k 综合指标法对预测结果进行了验证；运用灰色理论分析出在预 测突出危险上，初始释放瓦斯膨胀能指标优于综合指标。 ( 7 ) 根据预测结果，针对马家沟矿地质特点，提出了瓦斯抽放与金属骨架两 种方法，作为深部水平石门揭煤防突的参考措施。 结合前人对马家沟矿突出危险性分区性的研究可知，马家沟矿东区、西区由于 存在有利的瓦斯排放条件，瓦斯压力较小，故东、西区深部水平石门揭煤以日b 突出 为主；中区属集中应力区，地质结构复杂，瓦斯压力较大，因此中区深部水平石门 揭煤以突出为主。 在预测深部水平瓦斯压力时，舍去了一些偏差较大的点，如九