多变量灰色模型及其在钻孔瓦斯流量预测中的应用

钻孔瓦斯流量直接关系着钻孔抽放煤层瓦斯涌出量及钻孔瓦斯涌出初速度的判定,因此研究钻孔瓦斯流量的变化及发展趋势具有较大实用价值。钻场中各钻孔瓦斯流量与其周围煤(岩)的渗透性、强度、瓦斯压力和地应力等因素之间是灰色的非线性关系[1]。笔者把钻场中互相影响的各钻孔看作一个系统,建立多变量灰色模型(MGM(1,n));借助MATLAB软件,实现对钻场中多钻孔的瓦斯流量的预测;克服了过去钻场中单钻孔瓦斯流量预测的结果与实际测量值吻合程度不理想的弊端。与此同时,结合工程实例,将多变量模型模拟和单点模型模拟的结果进行比较,其结果表明多变量灰色模型预测精度较高,对瓦斯抽放设计和矿井安全生产具有较大的指导意义。     

灰色组合模型在钻孔瓦斯流量预测中的应用

钻孔瓦斯流量直接关系着钻孔抽放煤层瓦斯涌出量及钻孔瓦斯涌出初速度的判定,因此研究钻孔瓦斯流量的变化及发展趋势具有较大实用价值。利用"灰色组合预测"思想,提出一种对多种常用预测模型进行熵权法计算权重的组合预测方法,从而可根据有限的实测数据达到预测瓦斯流量发展的目的,结合工程实例,将灰色组合预测模型和单点模型模拟的结果进行比较,其结果表明组合的灰色模型预测精度较高,对瓦斯抽放设计和矿井安全生产具有较大的指导意义。     

张集矿综采工作面瓦斯治理措施及效果分析

张集矿属于煤与瓦斯突出矿井,针对目前所开采的17266工作面地质构造条件复杂、瓦斯涌出量大、处于突出危险区等瓦斯治理难题,采取"风排瓦斯、高抽巷穿层钻孔抽采、运输巷、回风巷顺层钻孔抽采和上隅角埋管抽采"等瓦斯综合治理措施,用分源预测法得出工作面绝对瓦斯涌出量为30.3 m3/min。结果表明,工作面的主要瓦斯涌出来源为本煤层瓦斯涌出。工作面风排瓦斯量11.0 m3/min,工作面瓦斯抽采率达63.0%以上。     

钻孔瓦斯连续流量法测定煤巷卸压带宽度研究

为准确测定煤巷工作面前方卸压带宽度,基于工作面前方煤体涌出的瓦斯流量与地应力之间的关系,提出钻孔瓦斯连续流量法测定卸压带宽度,并从理论上分析该方法的可行性;采用煤巷突出线预测装置在薛湖煤矿2303风巷测定钻孔瓦斯流量。研究结果表明:瓦斯流量曲线先增大后减小,瓦斯流量曲线峰值为卸压带边界,确定该工作面前方卸压带宽度为9～10 m;采用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标Δh_2测定的工作面前方卸压带宽度为9. 5～10 m,与钻孔瓦斯续流量法测定结果一致,验证了钻孔瓦斯连续流量法测定卸压带宽度的可靠性。     

新安煤田煤与瓦斯突出特征及防治措施

为解决新安煤田煤与瓦斯突出影响因素众多和防治难度较大等问题,运用瓦斯地质理论分析了新安煤田煤与瓦斯突出特征及控制因素,并提出了有针对性的煤与瓦斯突出防治措施。研究表明:地质构造是控制新安煤田煤与瓦斯突出分布的主要地质因素;构造应力是控制新安煤田煤与瓦斯突出的主要动力因素;新安煤田煤与瓦斯突出吨煤瓦斯涌出量较大,是增加煤与瓦斯突出发生可能性及危险性的重要因素。基于此,从突出危险性预测、防治突出措施及安全防护措施等三个方面提出了多项煤与瓦斯突出防治措施。     

煤层钻孔孔壁瓦斯动态涌出规律的实验研究

为深入探讨煤层钻孔孔壁瓦斯涌出特征,通过孔壁瓦斯流量模拟测试及曲线拟合分析,获取了孔壁瓦斯静态、动态涌出规律。研究表明:由于"死空间"的阻碍作用,在孔壁瓦斯涌出瞬间,其静态瓦斯流量达到最大,此后随孔壁暴露时间的增加逐渐衰减至0;在煤层钻孔钻进过程中,孔壁动态瓦斯流量随钻进时间的延长而逐渐增大,停止钻进后将逐渐衰减至0。     

瓦斯涌出量与构造煤关联性预测研究

为研究煤矿开采钻进过程中构造煤瓦斯涌出量随钻进深度的变化特性,以薛湖煤矿2104运输巷掘进工作面为试验研究对象,采用自主研制的连续流量法预测系统中瓦斯流量情况,测定钻孔瓦斯涌出量及钻进深度数据;根据初始瓦斯涌出量变化趋势,预测钻孔前方构造煤的位置。研究结果表明:在原生结构煤体中钻进时,钻孔瓦斯涌出量随钻进深度增加而增大,钻孔瓦斯涌出曲线平稳;钻进到构造煤时,钻孔瓦斯涌出量迅速增加、曲线变陡;钻进为9. 9 m时,钻孔瓦斯涌出量出现突变点; 10. 2 m时,瓦斯涌出量达到最大值,为89. 9 L/min,是正常值的2. 05倍;以3号钻孔为例,采掘活动验证了该预测方法的准确性和精度。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

基于MATLAB的灰色预测系统及其对抽采瓦斯钻孔流量的数值模拟

研究钻孔瓦斯流量的变化及其变化趋势对抽采煤层瓦斯涌出量及钻孔瓦斯涌出初速度等参量的判定具有较大的实用价值。笔者将煤层抽采瓦斯钻孔看作一个灰色系统,利用灰色系统理论,以原始时间序列数据为基础,建立抽采瓦斯钻孔流量的模拟和预测GM(1,1)模型。针对数值模拟中大量的矩阵计算,利用MATLAB软件编制高效的计算机程序,实现了对抽采瓦斯钻孔流量的模拟和预测。为了检验模型模拟和预测结果的精度,选择了合理的误差检验模型。通过工程实例证明了GM(1,1)模型可信度较高,关联度较好,均方差比值为一级,拟合优度高。对瓦斯抽采设计和矿井安全生产具有一定的指导意义。     

穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透防突技术试验研究

针对突出煤层巷道掘进中瓦斯治理难题,打通一矿采用了穿层钻孔水力压裂增透防突技术。基于弹性理论和拉应力破坏准则,建立了穿层钻孔煤巷条带水力压裂起裂压力计算模型;在W2706S回风巷的底板瓦斯抽采巷中进行了压裂试验,考察了压裂前后瓦斯抽采效果。现场试验结果表明,压裂后掘进巷道瓦斯抽采量呈现先快速增加、后缓慢上升并保持稳定的变化规律;压裂后穿层钻孔单孔瓦斯抽采量、瓦斯抽采浓度分别是压裂前的1.24～5.61,1.4～2.27倍,W2706S回风巷平均每月的掘进速度增加了34.1%;掘进期间未出现超标现象,穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透消突效果显著。     

平煤十矿底板巷穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为了降低平煤十矿己15-16-24130工作面运输巷掘进中的突出危险性，基于实际工程背景，考虑瓦斯抽采中的瓦斯运移及煤岩变形等因素，建立了瓦斯抽采气固耦合模型，并利用COMSOL Multiphysics软件对平煤十矿己15-16煤层的底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行数值模拟，研究了瓦斯抽采对于降低掘进过程中突出危险性的影响。研究结果表明:在己18煤层开挖底板巷对己15-16煤层进行穿层钻孔瓦斯抽采，瓦斯抽采180 d后，己15-16-24130工作面运输巷附近煤层残余瓦斯压力及瓦斯含量分别降至0.315 MPa和3.84 m3/t；将底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行工程应用，实测抽采后的残余瓦斯压力及瓦斯含量在0.32 MPa和3.17 m3/t，均小于平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定的“双6”指标（残余瓦斯压力小于0.6 MPa，残余瓦斯含量小于6 m3/t），可有效降低运输巷掘进过程中的突出危险性。     

The influence of gas storage parameters on gas emission rate from borehole

Gas emission rate from borehole is one of the most important indexes for the coal and gas outburst prediction. The mathematical model of gas flow in the coal seam, gas flow into the measuring chamber, gas pressure change in the measuring chamber, and gas flow out of the chamber through the pipe is established. Gas migration in the coal seam, gas pressure in borehole chamber and gas flow in pipe is simulated using the finite difference method. Gas emission rate is obtained under dynamic boundary conditions. The influence of gas storage parameters on gas emission rate from borehole is analyzed. Results show that: the gas pressure and the permeability coefficient have great impacts on the value of gas flow quantity in borehole. The larger the original gas pressure of coal seam and the permeability coefficient of coal seam are, the greater the maximum value of gas emission rate form borehole and the later the maximum appears.     

基于能量理论的煤与瓦斯突出机理探讨

为研究煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源,根据理想气体状态方程,推导了采场围岩瓦斯突出过程中的瓦斯压力、瓦斯含量与对外做功的关系,基于弹塑性力学,阐明了岩体弹塑性状态转化前后应变能释放机理。研究结果表明:煤与瓦斯突出是瓦斯势能与煤岩体弹性能共同作用并转化为煤岩体动能的结果;瓦斯势能释放值与释放路径无关,而与瓦斯压力和瓦斯含量相关,与煤壁前方塑性区扩展规模相关;将其应用至1次特大型煤与瓦斯突出事故中,核算的突出煤量、瓦斯含量和煤体抛出速度基本吻合于实际结果;基于理论分析提出了煤与瓦斯突出的3项防治措施,一是通过钻孔卸压或瓦斯抽放减小瓦斯压力,二是增加极限平衡区距离或减小截深,三是避免高瓦斯巷道或工作面出现蝶形塑性破坏。     

煤巷水力压挤防治瓦斯煤尘技术试验研究

为解决掘进煤巷瓦斯突出、积聚和粉尘污染等问题,结合祁东煤矿的煤层开采条件,研究水力压挤技术,探讨水力压挤防治瓦斯煤尘机理,试验确定钻孔布置、封孔深度、注水压力、注水量与注水时间等工艺参数。研究结果表明:水力压挤可使试验工作面卸压带增宽0.7m左右,挤出近20%的煤层原始瓦斯,最高降尘率达78.7%;该技术对防治瓦斯突出、超限和煤尘污染有显著效果。试验研究取得的相关水力压挤工艺技术参数,为类似煤层条件技术实施提供了工作基础。     

基于多因素模式识别的煤与瓦斯突出预测研究

采煤工作面煤与瓦斯突出是由煤层自然条件和工程扰动共同作用决定的,充分考虑煤层原始赋存条件和人类工程活动对煤与瓦斯突出的影响,建立多因素模式识别准则和方法,应用VBA技术完成了工作面煤与瓦斯突出危险性动态预测系统开发。以平顶山十矿己15-24080工作面为研究对象,将瓦斯含量、瓦斯压力、采动应力等因素作为工作面煤与瓦斯突出的主要影响因素,运用多因素模式识别方法实现了对工作面煤与瓦斯突出危险性分单元概率预测,且能够随着工作面不断推进进行动态预测和分级管理。研究结果表明:突出危险性预测结果与现场实况有较好的一致性,对煤矿安全开采具有良好的指导作用。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

基于激波理论的新兴煤矿煤与瓦斯突出事故研究

通过分析新兴煤矿煤与瓦斯突出事故,发现在事故中由于煤与瓦斯突出事故诱发了激波的生成,瞬间产生的巨大超压,引起风流逆向,大量瓦斯随逆向风流从突出地点扩散传播至二水平,接触卸载巷电机车架空线所产生的电火花,从而引发瓦斯爆炸事故。提出了突出激波对事故的影响并分析了突出激波的形成及其破坏作用,研究了影响突出激波破坏作用的影响因素,得出参与突出的瓦斯量和瓦斯压力是影响激波强度的关键因素。有助于了解突出后的气流动力演化规律,并为煤与瓦斯突出事故的防灾、救灾措施的制定以及提高矿井的抗灾能力提供了参考。     

煤与瓦斯突出两相流传播特性实验研究*

为了探究煤与瓦斯突出后煤粉-瓦斯两相流传播规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出管网实验系统,研究突出后冲击气流压力衰减规律、煤粉运移分布特征。结果表明:在初始压力为0.4 MPa时共突出煤粉3.12 kg,管道内煤粉质量呈正态分布,管道前部煤粉分布较少,占突出煤粉质量33.7%,多为小粒径煤粉;管道中部煤粉分布最多,占突出煤粉质量61%,粒径分布范围广;后部煤粉分布质量最小,仅占突出煤粉质量的5.3%,但多为大颗粒粒径煤粉。煤粉在管道内测点处依次为分层流、均匀流、大颗粒流3种流态,每种流动形态所对应的运移速度与煤粉打击压力均呈现逐渐衰减的规律。突出后冲击气流压力沿管道呈现衰减趋势,冲击气流对管道内所造成的压力扰动可持续 4 s左右。     

西沟煤矿注CO2促抽煤层瓦斯模拟研究

为了提高瓦斯抽采效果,以西沟煤矿5315工作面注气瓦斯抽采方案为工程背景,开展注CO₂促抽煤层瓦斯模拟研究。通过对注CO₂驱替煤层瓦斯机理研究,结合注气瓦斯抽采过程中的气体运移场和煤体变形场的耦合关系,建立了注CO₂促抽瓦斯固气耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件模拟了工作面注气瓦斯抽采,对比分析了注气瓦斯抽采与本煤层顺层钻孔抽采的瓦斯抽采效果,论证了煤层注CO₂促抽煤层瓦斯工艺的可行性与有效性。研究结果表明:在工作面瓦斯抽采90 d后注入CO₂,对瓦斯抽采的促抽效果明显,煤层瓦斯压力降至0.46~0.49 MPa,瓦斯含量降低至4.22 m3/t;在90 d后注入CO₂促抽煤层瓦斯,在瓦斯抽采至第180 d时,抽采效果较钻孔瓦斯抽采明显提高,煤层瓦斯压力降低了7.84%~9.26%,残余瓦斯含量减少了18.63%。通过工程实测可知,5315工作面在注入CO₂促抽煤层瓦斯抽采后的瓦斯压力与瓦斯含量分别降低至0.48 MPa和4.76 m3/t,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性。