文摘

为了提高煤与瓦斯突出危险预测的准确性对于一个开挖面,爆发对开挖面平衡方程建立了基于莫尔-库仑准则预测煤与瓦斯突出危险的开挖的脸。建立了数值模型利用COMSOL多重物理量模拟软件探索之间的关系的初始气体排放钻孔和气体的压力。使用ZTL20/1000-Z煤矿防爆预测设备,开挖面临9301年贵州省安顺煤矿,中国为研究对象,以详细规定煤与瓦斯突出的预防和控制公布的2019年中国煤矿安全监督局作为煤与瓦斯的预测标准爆发,一个实验的爆发风险预测开挖脸上。结果表明,气体压力测量钻孔与初始气体排放呈正相关,和初始气体流量可以作为敏感指数预测的爆发风险开挖的脸。最初的气流增加随着钻孔深度的增加,而且在后期趋于稳定。最初的钻孔瓦斯流不仅可以反映突出的风险也揭示的可能位置突出,明显的优势超过其他突出预测指标。

1。介绍

煤炭和天然气的爆发是一种动态现象相关的气体压力的共同作用,在含瓦斯煤岩体地应力。主要表现为大量的煤炭和天然气急于开挖面在很短的时间内(1]。众多研究表明,煤与瓦斯突出的发生需要煤的破坏和岩体地应力的作用下产生大量的孔隙和裂缝,然后,大量的能量被释放的开挖面作用下高压气体。这些灾害会导致大量的人员伤亡和财产损失。简而言之,煤炭和天然气的爆发是一个能量释放的过程2,3]。近年来,随着煤矿开采深度的增加,矿井瓦斯排放的数量增加了,偶尔导致煤与瓦斯突出事故(4,5]。喜气洋洋的Crosdale,刘et al .,胡锦涛和赵6- - - - - -8]分析了煤与瓦斯突出的机理和现状矿山事故。

基于煤与瓦斯突出事故机理、喇嘛和Bodziony和王et al。9,10)提出了一系列有效的预防措施,包括开采保护层、先进的钻井和水力冲孔。然而,煤矿定义为突出矿井并不是所有工作区域爆发的风险。相反,煤和天然气的爆发通常只出现在当地地区煤矿(11- - - - - -13]。因此,重视准确地预测他们的开挖面是否在煤与瓦斯突出的风险。气体排放一直被认为是一个复杂的工程系统。很难有效、全面和准确地预测煤层气爆发使用单一的风险指数,然后,并不保证可靠性,具有一定的局限性。动态预测可以全面反映煤层爆发的风险接近煤炭的身体,它有一个更高的准确性预测气体排放的煤炭开采的脸。

程等。14)建立钻切割气体解吸指数之间的关系Dh2和煤层的气体压力。Gui et al。15- - - - - -17]讨论了影响因素,包括钻井岩屑的数量和钻屑瓦斯解吸指标的,在预测煤与瓦斯爆发的风险。谭et al。18]分析了如何的问题反映煤的身体使用的压力钻井岩屑根据莫尔-库仑准则。

曹和王19]提出了钻井岩屑的增量变化指数压力梯度下考虑因素,如获得的膨胀系数和钻井岩屑和煤压力之间的关系。目前,该指标用于识别一个开挖面是否有突出的风险一般包括钻井钻头指数,温度指数和综合指数(20.- - - - - -22]。然而,上述预测指标都是静态预测指标,与动态预测指标预测突出危险的开挖面很少研究[23]。

在此基础上,在这项研究中,基于理论分析、数值模型被开发和煤炭和天然气爆发的条件从开挖面和钻孔气体排放,气体压力之间的关系进行调查。使用ZTL20/1000-Z矿业防爆型突出预测设备,开挖面临9303年贵州省安顺煤矿为实验对象,研究领域爆发的预测是为了发展一种新方法预测煤与瓦斯突出的风险从一个开挖面。

2。工程背景和实验设备

2.1。工程背景

开挖面9303位于煤层# 9三片式区域,主要煤层在贵州省安顺煤矿,中国。煤层的平均厚度为1.6 m,煤层是相对稳定。没有虚假的屋顶在煤层顶板。屋顶是由粉砂质泥岩,厚度为5.27米。旧的屋顶是由石灰石、厚度为4.79米。屋顶是由泥质粉砂岩,厚度为3.78米。旧的地板是由粉砂质泥岩,厚度为8.12米。煤层的地理位置和矿业直方图如图所示1。


图1
地理位置的实验煤层,煤层的地理条件。

2018年,在煤层气体的基本参数# 9在贵州安顺煤矿测量的安全生产检测检验中心中国矿业大学和技术。最大煤层的瓦斯含量是9.2米3/ t,最大气体压力为0.77 MPa,渗透系数是0.0932 - -0.1458米/ MPa·d,释放气体的初始速度是25-32 m / s,和坚定的系数是0.81 - -0.85。

2.2。实验设备

ZTL20/1000-Z矿业防爆型流方法煤层突出预测装置是用于实验。设备主要由一个气钻、钻头,麻花钻管、胶囊,手动压力泵,过滤装置,速度传感器、煤仓、位移传感器和本质安全采集主机。设备的原理图如图2。


图2
实验设备。1按机器;2-pressure杆;3-cylindrical块;4-drill管;5-coal缝;6-stopper;7-large流量传感器;8小流量传感器;9-coal仓; 10—electric coal drill; 11—displacement sensor; 12—flow tube.
2.3。实验的程序

设备的密封效果需要实验室条件下满足工业需求。实验程序如下。(1)42毫米直径钻孔钻在开挖中间的脸(2)手动泵压力实验被用来注入水囊封孔,和压力为3.5 MPa(3)传感器被放置在一个预定的位置,然后,主机打开,运行数据采集过程(4)钻头被放置在预定的位置在开挖面前(5)数据处理程序运行和结果输出

2.4。数据处理方法

根据实验过程,计算机程序自动传感器的当前值转换成相应的数据曲线。数据处理的原则程序方程所示(1)和(2)。

是一个点的区域在一个钻孔(L·m / min)。 和 是距离的两端流段点吗 开挖面(m)。 相对应的瞬时气体流量吗 点(L / min)。 是面对流的中心区域的小音段对应点 。 的长度是开挖面(m)。 是最大流峰面积(L·m2/分钟)。 最大位移流曲线的面积是单位长度(L·m / min)。 的重心距离最大位移单位长度和流量曲线是用来预测井的底部的距离(米)。 钻孔的总长度(米)。

它可以看到从方程(2)最大流量单位峰面积正比于流区钻孔长度,它是成反比的中心的距离表面流的开挖面单位面积井眼长度,也就是说,最大流量越大,峰面积开挖的脸,越有可能是,就会发生煤与瓦斯突出。

2.5。初始气体排放法律
2.5.1。施工的数值模拟

在煤矿巷道的开挖,爆发往往发生在软层暴露在无烟煤。这是因为软层的存在不仅降低了煤的抗拉强度,但地应力也往往压缩软层,导致减少煤的渗透率24]。较小的煤渗透率造成大量气体积累和形成一个高压气源。突然暴露软弱层时,由于压差的存在,大量的气体释放到在很短的时间内挖掘空间,从而创造条件的煤与瓦斯突出(25- - - - - -28]。

煤矿的开采挖掘面临非常类似于煤矿巷道开挖。当钻孔进步到一个软层包含一个高压气源,钻孔的气体排放急剧增加由于大量气体的释放。气体排放如图3。


图3
原理图的气体排放钻孔。

为了研究之间的关系的气体排放钻孔和气体压力,一个数学模型,建立了井下气体的来源。在这个模型中,最初的钻井气体流量气体排放主要分为三个部分:附近的流动气体排放,排放的气体流量在钻井过程中井壁,排放出的气体流量,在钻井过程中煤尘。钻井是一个非常复杂的过程中气体排放(29日- - - - - -33]。因此,以下假设是在模型中考虑的主要因素(34- - - - - -40]。(1)煤层中的瓦斯在煤层是密封的(2)没有煤层的裂缝(3)煤是理想气体的气体和遵循达西定律(4)煤层是均匀的,煤炭质量的温度保持不变(5)煤层的透气性,不改变气体压力(6)井眼周围的气流是球形的不稳定流动

当钻头开始钻到煤层,钻头附近的气体流道形式首先,和钻头附近的气体遵循高气压下球形渗流梯度。气体的球形渗流井眼的如下:

初始条件如下: 时, 。

边界条件如下:

根据拉普拉斯变换,方程(5)可以获得如下:

初始条件和边界条件代入方程(5)获得方程(6):

煤壁的气体排放方程基于达西定律如下:

用方程(6)方程(7)给

因为钻孔半径是小相对于煤层的厚度,钻孔可以被视为一个无限小的洞,和钻孔周围的气流径向不稳定流动。气体的径向渗流的钻孔可以描述如下:

初始条件如下: ,和 。

边界条件如下:

根据拉普拉斯变换,

初始条件和边界条件代入方程(11)获得方程(12):

通过无量纲变换方程(9),我们得到

在井眼的钻井过程中,煤的身体逐渐形成煤炭岩屑连续破坏后,和煤炭岩屑的气体流量逐渐增加。假设煤岩屑是球形的,各向同性,均匀,煤炭岩屑的直径保持不变在钻井和符合质量守恒定律在钻探。基于上述假设,钻孔的气体从煤岩屑流如下:

初始条件如下: ,和 。

边界条件如下:

初始条件和边界条件代入方程(14)、无因次更改得到方程(16):

根据达西定律,气体流从井眼的钻井岩屑可以获得通过改变方程(16)方程(17):

是无量纲时间。 是一个无量纲数。 是初始气体排放单位面积(m3/ (m2·d))。 是煤层的渗透系数(MPa)。 是煤层的气体压力(MPa)。 是初始气体压力的煤层(MPa)。 的气体压力钻孔(MPa)。 是时候(年代)。 钻孔的半径(米)。 的广场 (MPa2)。 的广场 (MPa2)。 的广场 (MPa2)。

2.6。基于数值模拟的研究

实验模型的边界条件表明,下边界简化为固定边界;和左,右,后双方是正常的位移约束边界。前面部分是免费的空间,上部装有一个压力边界,也就是说,上覆地层的自重。煤层的渗透率有效应力的函数(41- - - - - -45]。的具体参数模型和仿真结果展示在表1和图4。

表1
模型参数。

图4
三维数值模型。

为了研究气体排放特征的钻井期间开挖面临不同的压力下,在下列条件下进行了模拟:煤层埋深800米,钻孔长度为1米,4分钟的钻井时间,煤炭含水量为5.63%,和气体压力为0.5 MPa, 1.0 MPa, 1.5 MPa, 2.0 MPa, 2.5 MPa, 3.0 MPa。气体排放之间的关系从钻孔和气体压力图所示5。


图5
气体排放之间的关系和钻孔瓦斯压力。

从图可以看出5在不同的气体压力下,初始气体排放迅速增加随着开采的进行。在整个开采过程中,气体排放呈正相关,气体压力。因此,钻孔可以代表的气体排放气体的压力,它可以用作敏感性指数确定开挖面有一个爆发的风险。高et al。46- - - - - -49)报道,总气体排放从钻孔可以用来描述初始气体流从钻孔,从钻孔和初始气体排放动态测量钻孔内的深度的煤炭。因此,为了确定初始钻孔瓦斯流的指数可以用来预测煤的身体在开挖面前有一个爆发的风险,进行了现场试验。

3所示。实验结果的分析和讨论

为了确保足够的安全距离,钻井长度是8米。总共有12组实验数据收集。由于数据的相似性,随机选择一组实验数据进行分析。的结果展示在表11组2。

表2
实验结果。

井眼位移和气流之间的关系如图6。从图可以看出6在早期阶段的钻探开挖的脸,钻孔的气体流量小,排放稳定。随着钻孔深度的增加,最初的气流从钻孔开始显著增加,然后,它变得稳定。当钻头钻到3 - 6米,初始气体流量逐渐增加,达到最大值13.12 L·m25 - 6米,这表明有大量的气体吸附在煤层中。摧毁了煤层开采时,大量的气体被释放从煤层钻孔。最大流峰面积为91.63 L·m2/分钟。煤炭样本收集5米和6米之间。此外,最大钻井钻头指数和井下气体排放的最大初始速度指数被用来测试,判断是否存在爆发的风险。这些指标的测量值2.34公斤/ m和2.21 L / min,分别。都低于6.0公斤/米的临界值为这些索引和4.0 L / min,分别根据煤与瓦斯突出预防规则。最后,预测部分被发掘,结果表明,没有突出的现象,那就是,最大流量时峰面积为91.63 L·m2/分钟,没有爆发的风险挖煤的脸。


图6
块孔位移与气体流。

其他组的实验结果展示在表2。最大流量的测试结果的趋势峰面积指数、最大钻井钻头指数和最大气体排放钻孔的初始速度指标基本上都是相同的,和最大流的峰面积指数的范围相对较宽。尽管没有突出煤层掘进过程中,最大流量时峰面积为142.94 L·m2/分钟,最大钻孔切割4.5公斤/米,最大初始气体排放速度是3.2升/分钟,这是非常接近的关键值6.0公斤/ m和4.0 L / min,分别如上所述煤与瓦斯突出防治条例。此外,钻了。因此,最大流量峰值面积142.94 L·m2/分钟可以用作临界值来判断是否有爆发的风险隧道煤巷道。

4所示。结论

(1)之间存在显著的线性关系钻孔的瓦斯压力和初始气体流从开挖面,所以初始气体流从钻孔可以用作敏感指数预测的爆发风险开挖的脸(2)最初的气流增加随着钻井长度的增加,而且在后期趋于稳定。当煤层暴露并摧毁了瞬间,大量的气体会被释放。因此,气体流量的峰面积不仅可以反映煤与瓦斯突出的风险也被用来有效地预测煤与瓦斯爆发可能发生的地区,与其他突出预测指标相比具有明显的优势(3)最大流量的趋势峰面积指数、最大钻井钻头指数和最大气体排放初始速度指数获得的实验基本上是相同的,和最大流峰面积指数的范围宽。最大流量峰值面积142.94 L·m2/分钟可以用作一个爆发的关键阈值预测在安顺煤矿开挖面,贵州,中国

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。