专利名称：石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法
技术领域：
本发明涉及煤矿灾害预测技术，尤其，于石门及井筒揭煤前^I预测煤层的突出危险性的方法。
背景技术：
A^f周知，目前井下进行石门及井筒揭;^a程中普3i^用的突出预测方法是!給指标法。《防 治煤与瓦斯突出细则》第32 ^H定石门揭开突出廳前，^ffl!l^指标法、钻屑瓦其識军吸指 标法^它会S^衞正实有效的方法预测工作面突出危险性。但在实际使用中，石门及井筒揭煤4顿 较多的主要还是纟^^指*示法。
煤与瓦斯突出是一种发生在含瓦斯的软煤中的动力现象，作用力慰i^力和瓦斯压力，作用的 介质是含高压瓦斯的软煤。在石门及井筒揭'^^牛下，'j:聽是否突出与软煤内鹏力，瓦斯压力及 煤体^^f关。根据煤与瓦斯突出的球壳失稳理论，突出过程中，煤体先在i鹏力作用下破碎，释 放出瓦斯，瓦斯再^^碎的煤1樹旭出，形離续的破坏过程。煤层能否突出，主要取决于初始释放 瓦斯膨胀能，初始释放瓦斯膨胀育鹏大，突出危险性越大。初始释放瓦斯膨胀能4懐了土鹏力，瓦 斯压力及煤体3艘在突出过程中的作用，因此可以用初始释放瓦斯膨胀肖统代替i鹏力，瓦斯压力 及煤体3艘。Mil逸验，己经证实，当煤样的初始释放瓦斯膨胀魁旨标Wp舰43^/g时，j;聽 具有弱突出危险当初^^放瓦斯膨胀能指标Wp舰賜my/g时，》媒具招跌出危险。
《防治煤与瓦斯突出细则》第30条规定了这种石门及井筒揭煤突出预测方法的应用步骤。当工
作面到j;媒的法距在iom左右时，向f仿打两个测压钻孔，测定j;媒的瓦斯压力，然后打两个取芯
钻孔，用长度为300nm的取芯管，jg^钻每隔lm采取一个煤样，测定煤样的iE^瓦斯放謝旨 标，再根据测得的瓦斯压力及赋存深度等指I诉十算餘指标D值和K值，再与临射旨标相比，若大 于临界值就预测为突出危险，否贝僦预测为突出劇办。(参考文献中华人民共和国卡驟IDlk部制 订，《防治煤与瓦斯突出细则》，^m出版社，1995年元月，P18 P21。)这个方法的不^ 处在于:测压时间长，1要7 10天以上，严重耽^MIX期；每隔lm采取一个煤样，有可能将 软分层煤样漏掉；所用的预测指标未经严格的科学飽正，无法给出突出预测的精度。这一微f重
地阻碍着现场对煤层的突出预测'特别是在井筒揭煤的劍牛下。因此j;irmfcij迫切需要i新的石
门及井筒揭煤突出危险性预测方法H滩在短期内完^X寸Mg的突出危险性预测工作，以傲糊判 断揭煤期间是否会发生突出这种动力现象，为纟W5贴汤的科学管理提供依据。
发明内容
本发明的目的是劍共一种石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，快速测定煤层的瓦斯压 九取出煤层的完麟芯，并进行初始释放瓦斯膨胀能测定，加附曷煤突出危险性预测过程鹏高 突出危险性预测的御免性，从而为现场决策樹共可靠的依据。
本发明的石门及井筒揭煤突出危险性'决速预测方法首先对巷道或井筒工作前方煤层进行瓦 斯压力'鹏测定，然后用取芯装fi^對媒的完徵某芯，以确定软分层的{體并取得软分层煤样，
待^^I5采集结束后，将温度计通过取芯钻孑LJtA廳滞留半小时后取出，读聰某恩驢，最后 将采集至啲软分层煤样进行初始释放瓦斯膨胀能Wp测定，并将测得的初始释放瓦斯ff彭胀能指标Wp
与已有的弱突出及5跌出的临界值比较，艮卩能确定石门鹏筒揭开谢媒时是否会发生突出，以及 突出^g的大小。
所述的瓦斯压力测定的步骤为
a. 在巷道或井筒工作鹏侧郞親方向打一钻孔，在钻孔内插入带有法兰f的孔口管，用聚
Ml旨或决干水泥固定，再注入^W速凝剂的7K泥浆，使得孔口管与周围岩体紧密结合为一体
b. 将钻孔钻进直至煤层，将注^h的胶管与孔口管上的法i^:连接，向钻孔中注入一定压力 的速凑feK泥衆，凝固一段时间，以圭棍钻 调围的裂隙；
C.髓原先的钻孔钻进，超深入煤层一定的深度；
d. 用压风管清除钻孔内的煤鳳
e. 用中间管向钻 L中送入前后两^I狩[J讓，迅速用水压泵12往两个封孔胶囊中注入压力7K， 使前后两賴孑服翻长，封住钻孔；
f. 用粉皿向前后两个,之间注A^占液；
g. 在穿过两个封孔胶囊的中间管外端接上瓦斯压力表；
h. f，水,一定的压力，并大于粘液泵的压力0.5Mpa; ^^4沾M—定的压力，并大于瓦 斯压力赴的压力0. 5Mpa;
i. 钻孑LM好以后，记录瓦斯压力表的压力值，开始时每隔10min记录一次后面每隔30min 2h记录一次，直到瓦斯压力表稳定10h以上，即可拆除钻孔中的粘M^寸孑,，完成一W占孔的 瓦斯压力测定；
j.在同一工作面另-,再打一孔，重复上述测压步骤，取两W占孔中压力较高者作为煤层的瓦
斯压力。
戶舰向钻 L中注A3IM7jC泥浆的压力约为12Mpa，凝固时间约8h;戶;M深入煤层一定的深度为 0.5 L5m;臓鹏7K压泵一定的压力大于3.0 Mpa;保凝&麟一定的压力大于2. 0 Mpa。 戶/M的采集iSS的步骤为
a. 在工作面向煤层方向钻一个孔，钻孑頃达，聽后，停下辦几，将^f及钻头取出；
b. 将取芯装置与f沐下相连，送入钻孔，边f^力边钻进，直达煤层； C.继续钻进，并舰f鹏入压风排屑；
d. 当取芯装置深入廳的长度超拌合内管的长度时，停止钻进，向夕卜拉动^J;某芯取芯體，
此时取芯装置卡环座上的卡环向前,卡住;KE，在f浙拉力作用下，拉断煤芯；
e. 将取芯装置拉出孑L外，从f浙上拧下，拧开驗头，取出内管，将内管两端的内管接头及卡 环座松开，打开半合内管，取出傲l5,力认专用 采样盒内，完成一次取芯工作；
f. 将取芯驢组装好，重复b e的步骤，直至取芯驢穿过》媒为止，^g勉啲取芯工作。
g. 在石门及井筒工作面的另一边另打一个取芯钻孔，重复a f步骤，采對某层的^M紘。 M艮据两,占孔中取出的魏煤芯，确定软分层所在位置，并从两个完徵^S中取出软分层煤
样，以用于初始释放瓦斯膨胀能的测定。
戶脱的初始释放瓦斯膨胀能测定步骤为
a. 从两个取芯孔取出的软分层煤样中^隨最软煤样置于初始释放瓦斯膨胀能测定體的煤样 罐中，抽真空一段时间；
b. ^A与原廳同样的瓦斯压力的甲烷，在与原廳同样的《鹏下恒温^^勺一段时间；
c. 突然打开煤样^±的阀门，煤样罐内的瓦SfPti^ffliiaid:M喷口冲出驗卜，煤样罐中的压 力与^^变化均由煤样罐中的压力传^1和纟，传^1经控制顿各在计敦;几中记录下来，由此计算
出搏蹄喷口喷出来的动能随时间变化的會遣曲线；
d. 用与煤样同倂只的铁i颠iA煤样罐中，在同样的斜牛下测出另一条倉罎曲线，将两条倉糧曲
线相减，得到一条由煤样中涌出的瓦Dfn流的會缰曲线，逸就是w某体内释放出来的具釗故功能力
的瓦斯膨胀能曲线；
e. 对瓦斯膨胀能曲线在0 10秒的时间内进衍只分，并除以煤样的M，得到煤样的初々嫌 放瓦斯膨胀能指标Wp。
戶JM由真空的一段时间约为8 h;所述在与原煤层(C)同样的 ，下恒温i，的一段时间约 为8 h。本发明的优点在于細快速测定纟媒瓦斯压力的方法、^M芯取芯方法与初始释放瓦斯
膨胀能测定方法结合在一起，相辅相淑勾成的一种新的石门及井筒揭煤突出危险性预测方法。用
目前最可靠的瓦斯压力测定装置-禾故鼓寸孔器与注浆技术，与快3^寸孑LT艺结合^^，构成1快
速测定纟親瓦斯压力的方法，用不到1天的时间就能准确地测定出廳的瓦斯压力；翻^fc某 芯取芯技术，保证取出软分层煤样并7侮射也确定软分层的{體;釆用初始释放瓦斯膨胀能测定技术，
ffiilffi力传自和a^传^l及计^mM采l系统记录涌出过程中的压力及a^变化i^，从而
计算出煤样罐中方拨同#| 、的煤样和铁±姊领幌的喷口涌出的瓦,流随时间变化的动能曲线，两
者根麟积分后除以煤样SM就得至蝶样的初始释放瓦斯膨胀能指标Wp，与临界值比较，就可以
预测嫩芸的突出危险性。大大加快了石门及井筒揭煤突出预测过程并大大提高了突出危险性预测的
准确性，为船l/决^f共了可靠的依据。乡劲寸石门及井筒揭煤突出危险f4^"频则实验，最决的瓦 斯压力测定时间是5 h， 一般者陆十几小时左右。旨突出预测过程一般在3 5天即可完成。实 测表明，泡P些初始释放瓦斯膨胀能駄的;t媒中，突出危险性都比駄，相邻的地点出^1突出；
而在那些初始释放瓦斯膨胀能较小的火媒中，突出危险性也小，在没有采取扭可防穷昔施的剝牛下，
^i也穿越了j:媒。该方法可用刊页测石门及井筒揭煤的突出危险性，t腿测得的初始释放瓦斯膨 胀魁旨标Wp的大小，就可以 繊预测iM)H曷开时是否发生突出，不但可以预测廳是否突出， 而且可以预测突出S艘的大小，其预测精度高，操作方便，效果好，具有广泛的实用性。
图l为本发明的石门及井筒揭煤突出危险性+规预测装置结构布置亂
图2为本发明的^ME取芯装置结构图3为本发明的煤样的初始释放瓦斯膨胀能测定體结构图。
图中孔口管l，法l2，岩孔段3， 'j:對L段4，前胶囊5，后,6，粉液段7，粉液管8， ^ZK管9，瓦斯管IO，瓦斯压力表ll，水压凍12，粉麟13，雜头14，轴承套15，半合内管 16，外管17，钻头体18，卡环座19，卡环20，底托轴承21，钻孔合金片22，螺旋刃23，内管接 头24，煤样25，过滤网26，压力传S^和a^传繊27，转蹄喷口 28，球阀29，抽气和进气口 30，阀把31，计^m数据采縣统32，煤样罐33，髓A，煤层C，岩体B。
具体实K式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明
第一步，首先在髓A顯^筒两侧向廳^T一个直径cD约为133鹏，长为2200mm以上的钻 孔，插入带有法，2的孔口管1，用聚MI旨或決干水泥固定，再注入^W速凝剂的7K泥浆，使得
孔口管l与周围岩体紧密结合为一体；固定孔口管l的目的在于向岩层注浆，使得岩层B密实，封 孑L段3的岩杯漏气，粘)^寸孔驗密实的岩层中才能测准煤层的瓦斯压力；而M^钻头入煤深度
^^用^^f L工艺的目的是Mi^寸 L前殿LSM围煤体的瓦辦勒爐，以加快瓦斯压力的测趙程。
第二步，将钻孔打至鹏离;k媒约lOO咖的{體，钻孑Li:径o约为75咖，将注^±的胶管与 孔口管上的法12相连，向钻孔中注入压力超U 12Mpa的邀H7jC泥浆，凝固8h;
第三步，沿着原先的钻孔打钻，直达卡媒C，深入煤层0.5 1.5m，形J7鹏L段4，船L段长 度在上向钻 LM当失鹏，下向钻 L则长些；
第四步，用压风管清除测压 L内的煤屑；
第五步，向钻孔中送A^超寸孔器的前后两个胶囊5、 6， fflilffl水压泵12和勤K管9往两个 胶囊5、 6中注入压力7jC，使得前后两个胶囊5、 6膨胀，封住钻孔；
第六步，用糊顿13和糊夜管8向两个胶囊5、 6中间的粘液段7注Af战夜； 第七步，在瓦斯压力管10外端接上压力表11;
第八步，f親水ffi^ 12的压力大于3.0 MPa，并大于粉麟13的压力0. 5MPa， ^^fr麟 13上的压力大于2. 0 MPa，并大于瓦斯压力表11上的压力0. 5MPa;
第九步，钻孑LJ寸好以后，由专人记录瓦斯压力表11的压力值，开始时每隔10min记录一次， 后面每隔30min 2h记录一次，直到瓦斯压力表稳定10h以上，拆除钻孔中的粘^^寸孔器5、 6。 取两个测压钻孔中压力较高者作为煤层的瓦斯压力；
第十步，用^ffil战赃巷3t^^筒的两侧^T一取芯钻孔，直径①U3咖，直达煤层；
第十一步，辦占杆与完整煤芯取芯装置的外管接头14相连，把^^某芯取芯驢i^A钻孔， 用压縮空气排屑，边旋^ii钻进，由于半盒内管16的倫lM乍用及轴承套15和底报由承21将内管 与外管隔离，半盒内管16在外管17旋转日诉台终处^S:浮不动的位置，以承接钻头合金片22切割 下来的鹏。
第十二步，在钻iaa程中严粉空制钻M度，敏占进到一个内管长度时，停止钻进，向外拉动
完整煤芯艰芯装置，将内管两端的内管接头24及卡环座19松开，卡环座19上的卡环20向前滑动， 卡住煤芯，荆群術的拉力拉断JSE，带出孑"卜。用管f附开雜头14及钻头体18，打开半合内 管16，取出煤芯，方iA专用煤芯采样盒内，誠一次取芯工作；夕卜管17上的螺旋刃23 ^EJ定转的 过程中与臓空气一超髮卖排出钻屑，保^f非屑鹏的畅通，避免煤孑跑钻，这样倉镞将廳中的 软分层和硬分层煤稱隨的多遊卖切害ij下来荆呆存到内管中。在下向钻孔中i顿该取芯装置时，应将
卡簧20换^1\簧，避繊占时内管中的煤芯又掉入钻孔内；
第十三步，Sl碟好^g芯取芯装置，确保半盒内管16糊自如，继纟魏芯，輕至IJ达煤 层顶板；
第十四步，将鹏iWl取芯钻 战入煤层C滞留半小时后取出，测定煤层C的温度；
第十五步，将两个取芯孔中取出的最软分层煤样置于初始释放瓦斯膨胀能测定装置的煤样罐
33中，aa^^n进气口30抽气约8 h后，^A与原《親C同样的瓦斯压力，并在与原煤层C同 样的M^恒温促c^^勺8 h。然后突然打开该^*±阀门29的阀把31，煤样罐33内的瓦斯气》顿 ^M33M滤网26及荐赚喷口 28冲出驗卜，煤样罐33中的压力与^^变化均由煤样'耻的压力传
ii^和t鹏传r織27fflii计^m繊采集系统32在计^m中记录下来，由此，可以测出由喷口喷
出来的瓦斯气流的膨胀能的大小随时间的变化曲线。再用同f科只的铁t颠jtA煤样罐33中，在同样 的斜牛下观拙另一条l遣曲线，将两条倉糧曲线相紘銜导到一条表示由煤样中涌出的瓦斯流的动能 曲线，它相当于从煤体内释放出来的具^故功能力的瓦斯膨胀能曲线；在10秒的时间内对煤样的 瓦S^能曲^it，只分并除以煤样25的M，即可得煤样的初始释放瓦斯膨胀能指标Wp;
将测得的初^f鞋文瓦斯膨胀能与弱突出及弓赎出的临界值比较，即当煤样的初始释放瓦斯膨胀 能指标Wp鹏43 /g时,煤层具有弱突出危险;当初始释放瓦斯膨胀能指标Wp舰103 /g时， 煤层具有强突出危险，就可确定石门鄉筒揭开谢某层时是否会发生突出，以及是弱突出还是3赎 出。
权利要求
1.一种石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，其特征在于首先对巷道或井筒工作面(A)前方的煤层(C)进行瓦斯压力测定，然后用取芯装置对煤层进行煤芯采集，以判断软分层的位置并取得软分层煤样，待完整煤芯采集结束后，将温度计通过取芯钻孔送入煤层(C)滞留半小时后取出，读取煤层温度，最后将采集到的煤芯中的软分层煤样进行初始释放瓦斯膨胀能指标Wp测定，根据测得的初始释放瓦斯膨胀能指标Wp的大小与已有的弱突出及强突出的临界值比较，即能确定石门或井筒揭开该煤层时是否会发生突出，以及突出强度的大小。
2. 根据权利要求1所述的石门及井筒揭煤突出危险性决速预测方法,其特征在于所述的瓦 斯压力测定的步骤为a在巷道或井筒工作面(A)两侧向煤层(C)方向打一钻孔，在钻孔内插入法兰盘(2) 的孔口管(1)，用聚氨脂或快干水泥固定，再注入掺有速凝剂的水泥浆，使得孔口管(1)与周围岩体(B)紧密结合为一体；b.将钻孔钻进直至煤层(C),将注浆泵上的胶管与孔口管(1)上的法兰盘(2)连接，向钻孔 中注入一定压力的速凝水泥浆，凝固一段时间，以封堵钻孔周围的裂隙； C.沿着原先的孔孔钻进，直至深入煤层(C) 一定的深度；d. 用压风管清除钻孔内的煤屑；e. 迅速用瓦斯管(10)向钻孔中狄前后两个封孔胶囊(5、 6)， 迅速用水压泵12往两个封孔胶囊(5、 6)中注入压力水，使前后两个封孔胶囊(5、 6)膨胀，封住钻孔;f. 用粘液泵(13)向前后两个胶囊(5、 6)之间注入粘液；g. 在穿过两个封孔胶囊(5、 6)的瓦斯管(10)外端接上瓦斯压力表(11);h. 保持水压泵(12) —定的压力，并大于粘液泵(13)的压力0.5Mpa; 保持粘液泵(13) — 定的压力，并大于瓦斯压力表(11)上的压力0.5Mpa;i. 钻孔封好以后，记录瓦斯压力表(11)的压力值，开始时每隔10min记录一次,后面每隔 30min 2h记录一次，直到瓦斯压力表(11)稳定10h以上，即可拆除钻孔中的粘液封孔胶囊(5、 6)，完成一个钻孔的瓦斯压力测定；j.在同一工作面再打一孔，重复上述测压步骤,取两个钻孔中压力较高者作为煤层的瓦斯压力。
3. 根据权利要求2怖悉的石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，其特征在于向钻孔中 注入速凝水泥浆的压力约为12Mpa，凝固时间约8h。
4. 根据权利要求2所述的石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法期寺征在于所述测压钻孔深入願- (C) 一定的深度为0. 5 1. 5m。
5. 根据权利要求2所述的石门及井筒揭煤突出危险性伤塞预测方法，期寺征在于戶;M4親7K压泵(12) —定的压力大于3.0 MPa; f鄉fr麟(13) —定的压力大于2.0 MPa。
6. 根据权利要求1所述的石门及井筒揭煤突出危险性t夬速预测方法，其特征在于戶腿的采集煤芯的步骤为a. 在工作面向煤层(c)方向另打一,占孔，钻孑Lii」达j;媒后，停下嵌几，4裤浙及钻头取出；b. 将取芯装置与钻杆相连，送入钻孔，边糊边钻进，直达煤层；c. 继续钻进，并鹏新駄压风排鳳d当取芯装暨荣入M1的长度超伴合内管(16)的长度时，停止钻进，向夕卜拉动取芯装置，此时取芯装置卡环座(19)上的卡环(20)向前,卡住煤芯，在钻杆拉力作用下，拉断煤芯；e. 将取芯装置拉出 L外，从!战干上拉下，拧开连接头(14)，取出内管，将内管两端的内管接 头(24)及卡环座(19)松开，打开半合内管(16)，取出煤芯，方1A专用煤芯采样盒内，完成一次取芯工作；f. 将取芯装置组装好，重复b e的步骤，超取芯装置穿过廳为止，完成勉啲取芯工作。g. 在石门及井筒工作面的另一边另打一个取芯钻孔，重复a f步骤，采集煤层的完慰某芯。h. 根据两个钻孔中取出的雜煤芯，确定软分层所在位置，并从两个完整煤芯中取出软分层煤 样，以用于初始释放瓦斯膨胀能的测定。
7. 根据权利要求所述的石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，其將征在于所述初始释放瓦斯膨能测定步骤为a. 从两个取芯孔取出的软分层煤样中衫隨最软煤样(25)置于初始释放瓦斯膨胀能测定装置 的煤样罐(33)中，抽真空一段时间；b. 充入与原煤层(C)同样瓦斯压力的甲烷，在与原煤层聽(C)同样的温度下恒温保持约约一段 时间；c. 突然打开煤样罐(33)上与阀门(29)相连的阀把(31)，煤样罐(33)内的瓦斯气流喷口 (28)冲出戀卜，煤样罐(33)中的压力与温度变化均由煤样罐(33)中的压力传感 器和a^传感器(27)经控制电路(32)在计算机中记录下来，由此计算出渐縮喷口 (28)喷出来 的瓦斯气流动能随时间变化的會糧曲线；d. 用与煤样同術只的铁i站iiA煤样罐(33)中，在同样的斜牛下测出另一条會瞳曲线，将两条 能量曲乡針目减，得到一条由煤样(25)中涌出的瓦斯气流的倉糧曲线，即从煤体内释放出来的具备做功能力的瓦斯膨胀能曲线；
8.对瓦斯膨胀能曲线在0 10秒的时间内謝，只分，并除以煤样(25)的M，得至蝶样的 初始释放瓦斯膨胀能指标Wp。M艮据权利要求7 F腿的石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，期寺征在于戶湖由真 空的一段时间约为8 h。
9.根据权利要求7所述的石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，期寺征在于所述在与 原煤层(C)同样的溫度下恒温保持的一段时间约为8 h。
全文摘要
一种石门及井筒揭煤突出危险性快速预测方法，通过岩层注浆，密实岩层，对巷道或井筒工作面前方的煤层瓦斯压力进行快速测定，然后用取芯装置采集煤层的完整煤芯，以判断软分层的位置及取得软分层煤样，待完整煤芯采集结束后，将温度计通过取芯钻孔送入煤层滞留半小时后取出，读取煤层温度，再将采集到的煤芯中的软分层煤样进行初始释放瓦斯膨胀能指标Wp测定，根据测得的初始释放瓦斯膨胀能指标Wp的大小与已有的弱突出及强突出的临界值比较，就能确定石门或井筒揭开该煤层时是否会发生突出，以及突出强度的大小。该方法预测时间短，3～5天左右即可完成，预测准确，操作方便，效果好，具有广泛的实用性。
文档编号G01N33/00GK101344514SQ200810195650
公开日2009年1月14日 申请日期2008年9月1日 优先权日2008年9月1日
发明者吕淑文, 俊 唐, 李晓伟, 蒋承林, 解庆雪, 陈松立, 陈裕佳 申请人:中国矿业大学