突出礦井的鑒定指標新探
蔣承林,侯世鬆,李 磊
(中國礦業大學能源學院,江蘇徐州221008)
摘 要:根據產生煤與瓦斯動力現象的原因,提出了現場判斷煤與瓦斯動力現象的特征指標;對影響礦井瓦斯動力現象的因素進行了03manbetx
,提出了預測突出礦井的“理想石門揭煤”模型和相應的預測指標,可以定量地將礦井根據可能出現的煤與瓦斯動力現象大小分為非突出,壓出及突出礦井三種類型。
關鍵詞:突出;壓出;初始釋放瓦斯膨脹能;堆積角;鑒定指標
中圖分類號:TD713+.2 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)06-0047-03
基金項目:國家自然科學基金資助項目(50274067);國家重點基礎研究專資經費資助項目(2005CB221504)
在煤礦生產過程中,巷道周圍的圍岩及煤體中常有各種各樣的動力現象出現,這些動力現象的出現影響著煤礦的安全生產,輕者使人驚嚇,重者傷及工人的性命,破壞煤炭生產設施。在各種動力現象中,又以煤與瓦斯動力現象危害最大。與煤與瓦斯有關的動力現象有突出,壓出等。煤礦中一旦出現煤與瓦斯動力現象,在短時間內湧出大量的瓦斯,拋出幾噸到幾十噸以上的煤炭,衝毀生產設施,甚至引起瓦斯爆炸,給礦井的安全生產和工人的生命安全帶來嚴重的威脅,人們把這類礦井叫做突出礦井[1]。
對煤礦中出現的動力現象進行鑒定、判斷是否屬於煤與瓦斯動力現象;或者對現有的礦井進行評價,判斷是否會出現煤與瓦斯動力現象,在生產中具有非常重要的指導意義。在那些出現了或可能出現煤與瓦斯動力現象的礦井,我們把它歸於突出礦井,需要在生產中采取預測及防護措施,避免煤與瓦斯動力現象的再次發生;而在那些出現的動力現象不屬於煤與瓦斯動力現象或近期不大可能出現煤與瓦斯動力現象的礦井,我們把它歸於非突出礦井,就可以不采取防治煤及瓦斯動力現象的措施,加快生產進度,提高生產效益。但是在如何準確地判斷或預測一個礦井是否出現煤與瓦斯動力現象方麵,盡管前人做了很多工作,取得了很多成果,但仍然存在著不盡如人意的地方,仍是一個尚未完全解決的難題。
1 煤與瓦斯動力現象的定義及判斷標準
煤與瓦斯動力現象,就其字麵來說,應該是動力引發的現象。但是煤礦井下的動力有很多種,為此,我們提出了以“力和介質”作為區分礦井動力現象的標準,把地應力和瓦斯壓力共同作用引起的動力現象歸於煤與瓦斯動力現象。在這類現象中,有突出和壓出兩種,其實壓出就是一種弱突出。它是含有承壓瓦斯的軟煤中發生的動力現象[2]。
煤與瓦斯動力現象不同於煤體中地應力單獨引起的動力現象,如煤爆。出現這種現象時,硬煤或中硬煤發生脆性破壞,其中積聚的彈性能釋放,將煤體本身拋出。盡管拋出物的堆積角小於自然堆積角,與突出物的堆積類似,但拋出物是硬煤或中硬煤,很少伴隨有瓦斯湧出,與突出時拋出的軟煤是非常容易區分的。
煤與瓦斯動力現象更不同於重力引起的動力現象,如傾出。有些鬆散煤體發生傾出後,盡管伴隨有顯著的瓦斯湧出現象,但傾出時落下的煤體堆積角等於自然堆積角。它表明煤體內瓦斯壓力很小,落下的過程中瓦斯沒有作為一種力來推動煤體運動,也不屬於煤與瓦斯動力現象。
對於現場出現的動力現象是否屬於煤與瓦斯動力現象,必須考慮地應力和瓦斯壓力都參與這一過程留下的證據。根據關於突出機理的“球殼失穩”學說,突出過程的本質是地應力破壞煤體,煤體釋放瓦斯,瓦斯使煤體裂隙擴張並使形成的煤殼失穩破壞,將原本具有一定支撐作用的表麵破壞煤體拋向巷道,迫使應力峰移向煤體內部繼續破壞後續的煤體這樣一個連續發展的過程[3]。當現場已經出現這種現象後,突出物為軟煤,軟煤堆積物呈現出堆積角小於甚至遠小於煤體的自然堆積角的現象。這是由這兩種力的特點決定的,地應力的特點是數值大,作用方向由力大的地方指向力小的地方,能將煤體迅速破壞,但作用的距離很短。這時,如果沒有瓦斯壓力參與,破壞的軟煤隻落在突出洞口的正下方附近,堆積角等於自然堆積角。瓦斯壓力的作用特點是數值小,作用方向也是由高壓指向低壓,但作用的距離遠,持續時間長。當軟煤中含有承壓瓦斯時,地應力破壞軟煤,使軟煤離開原地的過程中,瓦斯壓力將推動煤體向突出孔洞之外的巷道運行。運行的距離與煤體在這一過程中釋放出來的瓦斯量有關。隻要瓦斯壓力參與拋出煤體,其突出物的堆積角就小於煤體的自然堆積角,見圖1所示。因此,堆積角是否小α—拋出物自然堆積角;β—拋出物堆積角於自然堆積角是衡量瓦斯是否參與突出的一個重要指標。如果現場的拋出物中存在軟煤,軟煤的堆積角小於其自身的堆積角,就可以判斷這是一次煤與瓦斯動力現象,該礦井就屬於突出礦井。
圖1 瓦斯壓力對拋出物堆積角的影響
2 突出礦井的鑒定模式及鑒定指標
在那些尚未出現動力現象的礦井中,要判斷該礦井是否屬於突出礦井,就要預測它是否可能出現煤與瓦斯動力現象。在煤礦中,煤與瓦斯動力現象發生在含有承壓瓦斯的軟煤中,含有承壓瓦斯的軟煤在一個礦井中的賦存狀態與該礦井是否屬於突出礦井密切相關。由於在一個時期內,取樣的範圍有限,一個樣品代表的範圍也有限,因此在突出礦井鑒定中,有必要對該礦井的鑒定範圍作出明確界定。在這個界定範圍內,通過取樣測定,可以作出是否突出的結論。但在這個範圍之外,鑒定的結論是無效的。
在界定的範圍內,通過取樣,可以得到含有承壓瓦斯的軟煤。但是這些含有承壓瓦斯的軟煤在開采過程中的揭露方式也與突出是否發生密切相關。很明顯,在石門揭煤的條件下,含有承壓瓦斯的軟煤容易突出;而同樣的含有承壓瓦斯的軟煤在煤巷掘進中,突出危險性就小得多,甚至不出現突出現象。此外,掘進過程中,是否采取防突措施及防突措施的實施程度也影響含有承壓瓦斯的軟煤暴露時是否發生突出,因為它們影響著煤體揭露前的瓦斯泄漏程度。
如果將所有的影響因素都加以考慮,則預測工作異常複雜。由於有些因素無法定量,可能導致無法預測;但如果不考慮這些影響因素,也同樣無法準確預測是否發生突出。為此我們提出了一種突出預測的模型———“理想石門揭煤”,即考慮在放炮揭露這些含有承壓瓦斯的軟煤之前,煤體內的瓦斯沒有任何泄漏。這是一種最危險的情況,類似於煤礦中的巷道誤入煤層的情況。在這種突出模型中,煤體是否突出僅僅與煤體內的地應力,瓦斯壓力及煤體強度等自然因素有關,而與人為影響因素無關。以此作為突出礦井的鑒定模型在技術上容易實現,在生產實踐中也具有重要的參考價值。
按照“理想石門揭煤”鑒定模型,在突出礦井鑒定中,隻要在界定的範圍內,取出相關地點的軟煤,測定取樣地點的煤層瓦斯壓力和溫度,在試驗室測出各煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能,將它們與壓出的臨界值42.98 mJ/g和突出的臨界值103 mJ/g進行對比[4],通過綜合03manbetx
,就可以判斷該礦井在界定的範圍內是否屬於非突出礦井,壓出(弱突出)礦井或突出礦井。按這種鑒定方法確定為突出的礦井在實際開采過程中可能不一定真的發生突出,因為生產中不一定遇到“理想石門揭煤”的情況。在很多情況下,煤體中的瓦斯都有不同程度的排放,煤體暴露時可能隻發生壓出,有時甚至不發生動力現象,但它是按照最危險的情況來考慮的,具有警示作用,比一些無法準確預測的方法得到的結果更具參考價值。此外,按這種模型進行突出礦井鑒定,將突出危險性分為非突出型,壓出型和突出型三個等級,更能夠客觀地反映出煤礦實際的煤與瓦斯動力現象的危害程度,不至於出現大的誤判。
3 河南大平煤礦實測資料03manbetx
將測定的數值與壓出的臨界值42.98 mJ/g和突出的臨界值103 mJ/g進行對比,我們可以得到這兩個煤樣發生壓出和突出時的瓦斯壓力臨界值:1-16071煤樣;2-13051煤樣膨脹能與瓦斯壓力的關係測定曲線13051煤層的瓦斯壓力臨界值為:壓出0.48 MPa,突出為1.17 MPa ;16071工作麵為:壓出0.41 MPa,突出為0.98 MPa。它表明,在大平煤礦目前的開采煤層中,如果存在著“理想石門揭煤”的條件,發生煤與瓦斯動力現象所需的瓦斯壓力隻要0.41 MPa以上即可,而不是《防治煤與瓦斯突出細則》中建議的0.74 MPa。其原因是大平煤礦的煤層煤質鬆軟,變質程度較高,當煤體突然暴露時,在地應力作用下破壞,能夠迅速釋放出較多的瓦斯,推動煤體,形成突出。
圖2 大平煤礦煤樣的瓦斯
根據煤炭科學研究總院重慶分院2003年12月提交的鄭州煤炭工業(集團)公司大平煤礦《煤與瓦斯突出礦井鑒定報告》,在16101水巷附近測定的原始瓦斯壓力為0.64 MPa。由此根據圖2的測定曲線可以算出,13051工作麵煤樣的初始瓦斯膨脹能為47.96 mJ/g,而16071工作麵煤樣的初始瓦斯膨脹能達到了56.71 mJ/g,都超過了發生弱突出的臨界值42.98 mJ/g。從目前發生的情況來看,如果當初按這種方法進行突出礦井鑒定,鄭州大平煤礦16101水巷以上應該歸屬於可能發生壓出(弱突出)的礦井。當沿著21岩石下山向下掘進延伸時,煤層中的瓦斯壓力必然上升,將進入發生突出的礦井行列。如果當初有了這一警示,必然采取積極的防突措施,“10·20”02manbetx.com
也就可能不會發生。
4 結 論
(1)煤與瓦斯動力現象是地應力和瓦斯壓力共同作用發生在軟煤中的動力現象。它與重力作用產生的傾出和地應力單獨作用產生的煤爆有著本質的不同。
(2)在現場出現的煤與瓦斯動力現象,其主要特征有拋出物為軟煤,拋出物的堆積角小於其自然堆積角。
(3)在對那些尚未發生煤與瓦斯動力現象的礦井進行突出鑒定時,必須界定需要進行突出鑒定的空間範圍,鑒定的結論隻對界定範圍內有效。
(4)在界定範圍內,采用“理想石門揭煤”的預測模型,按最危險的情況來判斷其是否會發生煤與瓦斯動力現象,既簡化了預測對象,又對生產具有重要的參考價值。
(5)突出礦井的鑒定按照“理想石門揭煤”的預測模式可以劃分為非突出、壓出和突出三種類型,這樣更能夠客觀地反映出煤礦實際的煤與瓦斯動力現象危害程度,不至於出現大的誤判。
參考文獻:
[1] 中華人民共和國煤炭工業部.防治煤與瓦斯突出細則[M] .煤炭工業出版社,1995.
[2] 蔣承林.井下動力現象的分類研究[J].湘潭礦業學院學報.1998,13(4):1-6.
[3] 蔣承林,俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩機理與突出防治技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,1998:114.
[4] 蔣承林.突出危險性的線性判別法研究及臨界值[J].中國礦業大學學報.2000,29(1):65-69.
[5] 煤炭科學研究總院重慶分院.煤與瓦斯突出礦井鑒定報告[R].鄭州:鄭州煤炭工業(集團)公司大平煤礦,2003.
作者簡介:蔣承林(1956-),男,教授,博士生導師,安徽省黃山市人,1982本科畢業於淮南礦業學院,現在中國礦業大學任教,多年來一直從事煤與瓦斯突出的機理及防治技術的研究,提出了關於煤與瓦斯突出機理的“球殼失穩”理論,發表論文40多篇,專著1部。
