介绍了传统钻孔瓦斯涌出初速度测定装备的深孔预测局限性及新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备的原理、性能及现场应用情况,阐述了钻孔瓦斯流量的初始演变规律,提出了基于钻孔瓦斯涌出初速度的煤与瓦斯突出预测预警技术。
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我国是世界上发生煤与瓦斯突出最严重的国家之一,突出矿井产量约占世界突出矿井总产量的24%,累计突出次数约占世界总突出次数的40%以上,从发生的突出次数和强度来看,远远超过苏联、波兰及欧洲等国家和地区。
为确保突出煤层的安全开采,《防治煤与瓦斯突出规定》要求采取“四位一体”的防突措施,突出预测是煤与瓦斯突出“四位一体”防突措施的第一步。在众多行业标准认可的突出预测指标中,钻孔瓦斯涌出初速度就是其中之一,通常采用它与钻屑量联合的方式进行突出预测。国内外很多学者就钻孔瓦斯涌出初速度测定技术开展了深入研究,前人在钻孔瓦斯涌出初速度测定方面所做的工作及成果对提高煤与瓦斯突出预测技术水平做出了重要贡献。但是,也存在诸多方面需要改进与完善,如测定钻孔深度受限,难以适应高强度机械化开采的需要等。
本书在广泛参阅前人研究成果的基础上,根据作者多年来在钻孔瓦斯涌出初速度测定技术方面的理论研究与工程实践撰写而成的。
本书从提高钻孔瓦斯涌出初速度测定参数的可靠性及其突出预测钻孔深度出发,深入研究了传统钻孔瓦斯涌出初速度测定装备的密封性能及其与钻孔深度的关系,探索了钻孔瓦斯涌出初速度测定的钻进工艺对煤体瓦斯吸附平衡的影响;推导出了煤层钻孔初始气体压力计算公式,并在此基础上,提炼出了钻孔瓦斯流量初始演变规律;创造性地提出了提高钻孔瓦斯涌出初速度测定装备密封性能及其测定钻孔深度的技术途径,并进行了测定装备的研发与现场应用;系统分析了工作面前方地应力、瓦斯压力和钻孔瓦斯涌出初速度等参数的分布与演变规律,提出了新的煤与瓦斯突出预测预警技术。
本书的出版得到了河北省重点学科(安全技术及工程)建设经费、国家自然科学基金项目(No.51204070)、河北省自然科学基金项目(No.E2015508053)和中央高校基本科研业务费资助项目(No.3142014012,3142015020)的资助。在开展研究工作和本书的撰写过程中,作者参阅了大量的中外文献,借此机会向所有文献作者表示感谢。
中国矿业大学的林柏泉教授、中国地质大学(北京)的程五一教授、华北科技学院的陈学习教授、开滦(集团)有限责任公司的周凤增副总工程师和郭达主任给予了作者大量指导。开滦(集团)有限责任公司、淮南矿业(集团)有限责任公司、淮北矿业(集团)有限责任公司、国投河南新能开发有限公司和中国平煤神马能源化工集团有限责任公司在现场试验方面给予了大力帮助;华北科技学院的梁为老师,研究生葛须宾、赵嵘、冯山和张旭锟在测定装备研制、实验室实验和现场试验方面给予了协助,在此一并表示感谢。
由于作者水平有限,书中不妥之处,敬请读者批评指正。
齐黎明
2016年3月
目录
前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2钻孔瓦斯涌出初速度测定技术研究现状5
1.2.1钻孔瓦斯涌出初速度测定技术起源5
1.2.2钻孔瓦斯涌出初速度测定技术研究现状5
1.2.3钻孔瓦斯涌出初速度测定装备研究现状6
1.3钻孔瓦斯涌出初速度测定现有技术的局限性7
1.4煤与瓦斯突出预测预警研究现状9
第2章传统钻孔瓦斯涌出初速度测定装备深孔预测的局限性11
2.1测定钻孔轴线形状分析11
2.2钻孔内封孔胶囊受力分析13
第3章钻进扰动对煤体瓦斯吸附平衡的影响17
3.1扰动导致瓦斯解吸机理分析17
3.1.1煤体裂纹产生机理分析17
3.1.2煤体裂纹产生瞬间瓦斯解吸机理分析20
3.2扰动导致瓦斯解吸实验研究25
第4章钻孔瓦斯涌出初速度测定过程中的瓦斯流动规律研究29
4.1钻孔瓦斯测量室内气体压力理论分析29
4.2钻孔瓦斯流动规律分析34
第5章新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备研制40
5.1新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备结构与原理40
5.2新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备设计与制造41
5.2.1装备主体结构设计与制造41
5.2.2装备主体结构的改进43
5.2.3煤层钻孔气体参数测定装置的设计与制造47
5.2.4装备的外观结构设计与加工50
5.3新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备性能检测与分析53
5.3.1封孔器的密封性能检测53
5.3.2封孔器的瓦斯流动阻力分析55
5.3.3改进型封孔器的降阻效果实验研究57
5.3.4煤层钻孔气体参数测定装置实验室实验65
5.4新型钻孔瓦斯涌出初速度测定装备操作规程68
第6章钻孔瓦斯涌出初速度测定新技术的应用70
6.1开滦矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定70
6.1.1开滦矿区测定矿井的突出危险性分析70
6.1.2开滦矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定76
6.2两淮矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定84
6.2.1两淮矿区测定矿井的突出危险性分析84
6.2.2两淮矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定 87
6.3郑州矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定88
6.3.1郑州矿区测定矿井的突出危险性分析88
6.3.2郑州矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定 88
6.4平顶山矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定89
6.4.1平顶山矿区测定矿井的突出危险性分析90
6.4.2平顶山矿区钻孔瓦斯涌出初速度测定92
第7章基于钻孔瓦斯涌出初速度的煤与瓦斯突出预测预警技术92
7.1工作面前方应力、透气性与瓦斯压力分布规律101
7.2煤与瓦斯突出预警机理分析108
7.3煤与瓦斯突出预警体系构建与实施112
附录1钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法(MT/T 639—1996)112
附录2《防治煤与瓦斯突出规定》中的部分相关内容118
参考文献120