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复杂地质条件下石门及井筒揭煤突出危险性快速预测研究

作　者: 李晓伟
导　师: 蒋承林
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 突出预测初始释放瓦斯膨胀能理想石门揭煤模型瓦斯压力球向径向注浆
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文在分析国内外现有石门及井筒揭煤突出危险性预测方法的基础上,发现现有单项指标法和综合指标法存在通用性不强、相关性较差、准确性较差及由此造成意外事故和浪费防突资源、预测参数测定时间过长且易受复杂地质条件影响等问题。为解决以上问题,本文以球壳失稳机理为基础,深入分析了石门及井筒揭煤的影响因素及预测模型,得出了合理的突出危险性预测指标。煤与瓦斯突出的球壳失稳机理认为初始释放瓦斯膨胀能是煤体发生突出的唯一能源,可以作为石门及井筒揭煤突出危险性预测的指标。蒋承林教授根据46次突出模拟实验数据,采用Fisher判别分析法进行分析处理,证明采用初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度可以准确预测理想石门揭煤条件下的突出危险性,准确率可达到100%。如果单独仅采用初始释放瓦斯膨胀能指标,准确率也能达到90.9%～96.7%,这时发生弱突出及突出的临界指标为42.98 mJ/g和103.8 mJ/g。以此建立了理想石门揭煤突出预测模型,分析了理想石门揭煤条件下突出的影响因素,认为可以将理想石门揭煤模型应用于石门及井筒揭煤突出危险性快速预测。针对以上指标,详细阐述了初始释放瓦斯膨胀能实验测定方法,发现其测定主要受煤体破碎程度和瓦斯压力的影响,和瓦斯压力存在正比关系和破碎程度存在指数关系,但由于预测煤样均应是破碎程度最大的原始煤样,所以不再讨论其和初始释放瓦斯膨胀能的关系将突出危险预测的主要工作归结为现场瓦斯压力的测定。对瓦斯压力测定的影响因素进行了深入分析,发现人为因素是能否实现瓦斯压力快速准确测定的关键,通过数值解算及现场实验,找出了球向和径向流场卸压半径随时间扩展的规律,发现球向流量法在实现快速测定方面要明显优于径向流场法,平衡时间前者只有后者的10%左右,且排放时间越长,优势越明显。通过数值解算及实验发现,采用球向流量法时,无论透气性系数的大小,排空时间均在前30min内对平衡时间影响最大,达到52%~86%。采用球向流量法并在30min内完成封孔可以实现快速预测。对复杂地质条件下瓦斯压力的快速测定进行了深入探讨,提出了封堵钻孔水系的对策及措施,利用现场实际和实验室实验,证明了可以在水系小流量渗流时通过瓦斯压力曲线中压力平衡平台的方法分离出水气共存条件下煤层的瓦斯压力。根据复杂地质条件下瓦斯压力快速测定技术及初始释放瓦斯膨胀能指标,准确为现场预测了十余处石门及井筒,预测的结论与现场的实际突出情况完全吻合,准确率达到100%,弥补了《防突细则》中预测指标的漏洞。并给出了打钻排放后煤层失去突出危险性的最低排放率,为现场进行安全揭煤提供了依据,同时减少了抽放钻孔排放时间,实现了石门及井筒揭煤过程的安全快速掘进。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-19
1 绪论  19-35
  1.1 引言  19-20
  1.2 国内外石门及井筒揭煤突出危险预测研究现状综述  20-28
    1.2.1 综合指标法  20-22
      1.2.1.1 国外研究现状  20-21
      1.2.1.2 国内研究现状  21-22
    1.2.2 单项指标法  22-26
      1.2.2.1 钻屑指标法  22-24
      1.2.2.2 钻孔瓦斯涌出速度结合瓦斯涌出衰减系数法  24-26
    1.2.3 预测指标存在问题及发展  26-28
  1.3 瓦斯压力测定的钻孔瓦斯流动研究现状  28-31
  1.4 钻孔瓦斯及水系渗流研究现状  31-33
    1.4.1 气体渗流基本方程  31-32
    1.4.2 液体的渗流基本方程  32-33
  1.5 课题主要研究内容及意义  33-35
    1.5.1 主要研究内容  33-34
    1.5.2 课题研究的意义  34-35
2 石门及井筒揭煤突出机理及理想石门揭煤模型下预测指标的选择  35-52
  2.1 引言  35-36
  2.2 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理  36-42
    2.2.1 煤与瓦斯突出推进过程与力学条件  36-38
    2.2.2 煤与瓦斯突出的能量耗散规律  38-41
    2.2.3 初始释放瓦斯能对突出贡献分析  41
    2.2.4 煤与瓦斯突出的球壳失稳学说简介  41-42
  2.3 石门揭煤突出预测模型  42-45
    2.3.1 突出的影响因素分析  42-44
    2.3.2 理想石门揭煤的突出预测模式  44-45
    2.3.3 理想石门揭煤条件下的突出预测指标的确定  45
  2.4 初始释放瓦斯膨胀能指标的临界值确定  45-49
    2.4.1 煤与瓦斯突出模拟试验及试验结果分类  45-47
    2.4.2 突出模拟数据的线性判别分析法处理  47-49
    2.4.3 初始释放瓦斯膨胀能指标在突出预测中的作用分析  49
  2.5 石门及井筒揭煤突出危险性预测方法研究  49-50
  2.6 本章小结  50-52
3 初始释放瓦斯膨胀能的实验室测定及影响因素分析  52-66
  3.1 引言  52
  3.2 初始释放瓦斯膨胀能指标的测定  52-62
    3.2.1 初始释放瓦斯膨胀能指标的测定原理  52-55
    3.2.2 初始释放瓦斯膨胀能指标的测定装置  55-56
    3.2.3 初始释放瓦斯膨胀能指标的测定与计算  56-62
  3.3 瓦斯压力对初始释放瓦斯膨胀能测定的影响  62-65
    3.3.1 不同压力下煤的初始释放瓦斯膨胀能的测定  63-65
    3.3.2 初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系  65
  3.4 本章小结  65-66
4 复杂地质条件下瓦斯压力快速测定的影响因素及其封孔工艺数值模拟  66-104
  4.1 引言  66
  4.2 瓦斯压力快速准确测定的时间影响因素分析  66-67
  4.3 石门及井筒快速测压的密封方法选择  67-69
  4.4 瓦斯压力快速测定的流场选择  69-93
    4.4.1 钻孔瓦斯涌出的基本特点  70-71
    4.4.2 流场对瓦斯压力快速测定影响的数值模拟软件介绍  71-75
    4.4.3 流场对瓦斯压力快速测定影响的数值模拟  75-93
      4.4.3.1 基本假设  75
      4.4.3.2 模拟参数的确定  75-86
      4.4.3.3 模型的建立  86-87
      4.4.3.4 模拟结果与分析  87-93
  4.5 放空时间对瓦斯压力快速测定影响分析  93-99
    4.5.1 放空时间对瓦斯压力快速测定影响的数值模拟  94-99
      4.5.1.1 模拟参数确定  94
      4.5.1.2 数值模拟结果及分析  94-99
  4.6 复杂地质条件下影响瓦斯压力测定的影响因素分析及对策  99-101
    4.6.1 影响因素分析  99-100
    4.6.2 降低钻孔水系影响的对策及措施  100-101
  4.7 复杂地质条件下瓦斯压力快速测定工艺  101-102
  4.8 本章小结  102-104
5 复杂地质条件下瓦斯压力的快速测定的实验室实验  104-121
  5.1 前言  104
  5.2 放空时间对瓦斯压力快速测定影响的实验室实验  104-113
    5.2.1 实验原理  104-105
    5.2.2 实验设备  105-107
      5.2.2.1 煤层模拟装置简介  105-106
      5.2.2.2 其它部分简介  106-107
    5.2.3 煤层制备及气体选择  107-108
    5.2.4 实验步骤与实验室设计  108
    5.2.5 实验结果及数据分析  108-113
  5.3 钻孔存在水系条件下瓦斯压力测定的实验室实验  113-119
    5.3.1 实验原理  113-114
    5.3.2 实验装备  114-115
    5.3.3 煤岩层的制备及实验步骤  115
    5.3.4 实验结果及数据分析  115-119
  5.4 本章小结  119-121
6 复杂地质条件下瓦斯压力快速测定技术的现场检验  121-130
  6.1 前言  121
  6.2 流场对瓦斯压力平衡时间影响的现场检验  121-122
  6.3 复杂地质条件下瓦斯压力现场实测结果及分析  122-128
    6.3.1 实测结果  122-128
    6.3.2 现场实测分析  128
  6.4 小结  128-130
7 石门及井筒揭煤突出危险性快速预测效果分析及防突排放率计算  130-137
  7.1 前言  130
  7.2 初始释放瓦斯膨胀能指标的准确性检验  130-133
    7.2.1 现场检验样本的要求  130-131
    7.2.2 现场测定结果与分析  131-133
  7.3 石门及井筒揭煤防突效果检验及揭煤安全措施  133-136
    7.3.1 防突效果检验方法  133-135
    7.3.2 石门及井筒揭煤安全技术措施  135-136
  7.4 小结  136-137
8 结论与展望  137-140
  8.1 结论  137-139
  8.2 展望  139-140
参考文献  140-144
附录  144-146
作者简历  146-148
学位论文数据集  148

复杂地质条件下石门及井筒揭煤突出危险性快速预测研究

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