瓦斯含量法预测突出危险新技术的试验研究

瓦斯含量法预测突出危险新技术的试验研究 张文冰123,周天才23,文天书3,赵敏敏3 (1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083:2山东科技大学灾害预测与控制重点 实验室,山东青岛266510;3.煤炭科学研究总院重庆分院,重庆400037) 摘要:运用自制的可视化实验设备,进行了表面活性剂吐温(T40,1×103mo/、T40,2×103 mo几L、T40/T80(1:1),1×10mo八)在瓦斯水合过程中影响研究,结合煤层高压注水中添 加表面活性剂R1-89的现场研究,分析了表面活性剂在瓦斯水合三阶段的主要作用。认为在煤 层注水阶段表面活性剂的加入降低了液体表面张力和注水压力,使注水速度加快,煤体得到均 匀润湿;在水合物诱导阶段表面活性剂的胶柬化増加了瓦斯气体的溶解度,促进了气体在溶液 中过饱和,推动了水合物晶核生长,缩短了诱导时间;在水合物生长阶段表面活性剂胶柬对溶 于其中的气体分子和吸附于其周围的水分子的束缚作用,相当于降低了体系的温度,改变了水 合物生成热力学条件。 关健词:瓦斯含量;突出预测:敏感性;预测深度 中图分类号:TPO288 文獻标识码:A Experimental study on the new technology of outburst danger prediction by gas content ZHANG Wen-bing, 23, ZoU Tian-cai2, 3, WEN Tian-shu, ZHAO Min-min (1. School of Resource and Safery Engineering. China Universiry of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China: 2 College of Resources and Emironmental Engineering, Shandong Universiry d Science and Technolog Qingdao 271019, China: 3. Chongqing Branch, China Cod Research Institute, Chongqing 400037, China) Abstract: Using self-developed visible experimental installation, the influences of surfactant Tween(T40 1x10-mol/L; T40, 2x10-'mol/L, T40/T80(1: 1),1x10-'molL) on the process of gas hydration were studied Combined with the field study of adding surfactant RI-89 for coal seam water infusion with high pressure, the essential roles of surfactant in three stages of gas hydration were analyzed. The results indicate that in the stage of coal seam water infusion, the surfactant decreases the surface tension of liquid and the pressure of water infusion, quickens the rate of water infusion, and coal is dabbled uniformly; in the stage of gas hydrate induction, the micelle agglomeration of surfactant can increase the solubility of gas, accelerate the supersaturation of gas in solution, prompt the formation of crystal nucleus of gas hydrate, and the induction time is shortened; in the stage of gas hydrate growth, the binding effect of surfactant micelle on gas molecule dissolved in it and water molecule absorbed around it is equivalent to the reduction of systems' temperature, so the thermodynamic conditions of gas hydrate formation are changed 收稿日期:X0-XX-XX 基金项目:X0000000X基金资助项目(项目编号) 作者简介:X0X(出生年-),性别,X0X人籍贯),职称或职位。Te:x-X00XXX,Emai:X0x@XX 通讯作者:X(出生年),性别,XX人籍贯),职称或职位。Tel:X0-X00XXX, E-mail:xox@x

1 瓦斯含量法预测突出危险新技术的试验研究* 张文冰 1,2,3，周天才 2,3，文天书 3，赵敏敏 2,3 （1.中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院，北京 100083；2.山东科技大学 灾害预测与控制重点 实验室，山东 青岛 266510；3.煤炭科学研究总院 重庆分院，重庆 400037 ） 摘 要：运用自制的可视化实验设备，进行了表面活性剂吐温（T40，1×10-3 mol/L、T40，2×10-3 mol/L、T40/T80（1:1），1×10-3 mol/L）在瓦斯水合过程中影响研究，结合煤层高压注水中添 加表面活性剂 R1-89 的现场研究，分析了表面活性剂在瓦斯水合三阶段的主要作用。认为在煤 层注水阶段表面活性剂的加入降低了液体表面张力和注水压力，使注水速度加快，煤体得到均 匀润湿；在水合物诱导阶段表面活性剂的胶束化增加了瓦斯气体的溶解度，促进了气体在溶液 中过饱和，推动了水合物晶核生长，缩短了诱导时间；在水合物生长阶段表面活性剂胶束对溶 于其中的气体分子和吸附于其周围的水分子的束缚作用，相当于降低了体系的温度，改变了水 合物生成热力学条件。 关健词：瓦斯含量；突出预测；敏感性；预测深度 中图分类号：TP 028.8 文献标识码：A Experimental study on the new technology of outburst danger prediction by gas content ZHANG Wen-bing1,2,3，ZOU Tian-cai2,3，WEN Tian-shu3，ZHAO Min-min3 (1.School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.College of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 271019,China; 3.Chongqing Branch, China Coal Research Institute, Chongqing 400037,China) Abstract: Using self-developed visible experimental installation, the influences of surfactant Tween (T40, 1×10-3mol/L; T40, 2×10-3mol/L; T40/T80(1:1), 1×10-3mol/L) on the process of gas hydration were studied. Combined with the field study of adding surfactant R1-89 for coal seam water infusion with high pressure, the essential roles of surfactant in three stages of gas hydration were analyzed. The results indicate that in the stage of coal seam water infusion, the surfactant decreases the surface tension of liquid and the pressure of water infusion, quickens the rate of water infusion, and coal is dabbled uniformly; in the stage of gas hydrate induction, the micelle agglomeration of surfactant can increase the solubility of gas, accelerate the supersaturation of gas in solution, prompt the formation of crystal nucleus of gas hydrate, and the induction time is shortened; in the stage of gas hydrate growth, the binding effect of surfactant micelle on gas molecule dissolved in it and water molecule absorbed around it is equivalent to the reduction of systems’ temperature, so the thermodynamic conditions of gas hydrate formation are changed. 收稿日期：XXXX－XX－XX 基金项目：XXXXXXXXXXX 基金资助项目（项目编号）；… 作者简介：XXX（出生年－），性别，XXXX 人(籍贯)，职称或职位。Tel：XXX－XXXXXXX，E-mail: XXXX@XXX 通讯作者：XXX（出生年－），性别，XXXX 人(籍贯)，职称或职位。Tel：XXX－XXXXXXX，E-mail: XXXX@XXX

Key words: gas content; outburst danger prediction; sensitivity; prediction deptl 前苏联马凯耶夫煤矿安全科学硏究所在20额定压力20MPa,最小流量0Im3/h,最大流量 世纪50年代提出了煤层近工作面部分的水力挤5m3/h,测量允许最大误差为5% 出方法-引,并在顿巴斯矿井的回采工作面获得了 (4)高压胶管:内径25mm,额定压力32 比较广泛的试验和应用。我国煤炭总院抚顺和重 MPa。 庆分院于七十年代在湖南白沙、贵州六枝、江西22钢的原始组织与淬火后的强硬性 岗等矿区进行了试验研究410。由于操作工艺和 图2表示零保温奥氏体逆相变淬火温度对 安全管理比较复杂,仅在回采工作面使用,在掘25MnV钢强硬度的影响。在试验的温度范围内, 进工作面未能得到推广应用。近年来先后在焦作、淬火温度越低,其强硬性越高。随淬火温度增加, 鹤壁等矿区进行了掘进工作面水力挤出(中高压钢的强硬性降低,超过900℃后,加速下降 注水)试验,也取得了很好的经济和社会效益。 1试验区情况 试验巷道为李一矿-660mW2EB工作面运输 巷,位于-660m西二采区东翼,东至开F13-8-1 断层,西至-660m西二石门,巷道标高-653m,巷 0-无辅助光源照明 →有辅助光源照明 道设计长度500m。巷道采用3#U型棚支护,跟 8101214 顶板、中线施工,断面面积9.32m2。该区域B 标定位置/m (a)位置1 煤层厚度30-40m,平均3.5m,煤岩层走向 140~160°,倾角20~25°,平均23°。煤层直接顶 板为厚40~60m的灰白色层状细粒砂岩,岩层层 理发育。煤层底板为厚40-6.0m的灰色块状、性 脆、致密页岩,含植物化石。 无辅助光源照明 有辅助光源照明 2水力挤出措施工艺及注水参数 标定位置/m 21注水系统及设备选型 (b)位置2处 水力挤出所用注水系统由注水泵、压力表 水表、流量控制阀、高压胶管和封孔器组成,如 图1所示 筛箱 无辅助光源照明 一有辅助光源照明 8101214 标定位置/m 激波器 图2淬火温度对25MnV钢硬度的影响 Fig.2 The effect of quenching temperature on 图1水力挤出措施注水系统示意 the25Mnv steel s strength Fig 1 Injection water system of hydraulic extrusion 2.3GA编码及参数选择 设置种群数为20个,交叉率为08,变异率 (1)注水泵:选用XRB2B型乳化液泵,额为0.2.计算过程如图3(a)所示 定压力20MPa、流量80L/min。 GA种群数为100,交叉率为08,变异率为 (2)封孔器:选用自主研制的SFK40/19型0.2.计算过程如图3(b)所 封孔器,适用孔径40-50mm,最大膨胀直径7024注水压力、注水水量、注水时间 mm,工作状态下耐压30MPa 巷道前方煤体受到上覆岩层的自重应力后, (3)水表:选用SGS型双功能高压水表 沿铅垂方向产生压缩变形,水平方向则产生膨胀

2 Key words: gas content; outburst danger prediction; sensitivity; prediction depth 前苏联马凯耶夫煤矿安全科学研究所在 20 世纪 50 年代提出了煤层近工作面部分的水力挤 出方法[1-3]，并在顿巴斯矿井的回采工作面获得了 比较广泛的试验和应用。我国煤炭总院抚顺和重 庆分院于七十年代在湖南白沙、贵州六枝、江西 岗等矿区进行了试验研究[4-10]。由于操作工艺和 安全管理比较复杂，仅在回采工作面使用，在掘 进工作面未能得到推广应用。近年来先后在焦作、 鹤壁等矿区进行了掘进工作面水力挤出（中高压 注水）试验，也取得了很好的经济和社会效益。 1 试验区情况 试验巷道为李一矿-660mW2EB8 工作面运输 巷，位于-660m 西二采区东翼，东至开 F13-8-1 断层，西至-660m 西二石门，巷道标高-653m，巷 道设计长度 500m。巷道采用 3#U 型棚支护，跟 顶板、中线施工，断面面积 9.32m2。该区域 B8 煤层厚度 3.0~4.0m，平均 3.5m，煤岩层走向 140~160º，倾角 20~25º，平均 23º。煤层直接顶 板为厚 4.0~6.0m 的灰白色层状细粒砂岩，岩层层 理发育。煤层底板为厚 4.0~6.0m 的灰色块状、性 脆、致密页岩，含植物化石。 2 水力挤出措施工艺及注水参数 2.1 注水系统及设备选型 水力挤出所用注水系统由注水泵、压力表、 水表、流量控制阀、高压胶管和封孔器组成，如 图 1 所示。 图 1 水力挤出措施注水系统示意 Fig.1 Injection water system of hydraulic extrusion measure （1）注水泵：选用 XRB2B 型乳化液泵，额 定压力 20 MPa、流量 80 L/min。 （2）封孔器：选用自主研制的 SFK40/19 型 封孔器，适用孔径 40~50 mm，最大膨胀直径 70 mm，工作状态下耐压 30 MPa。 （3）水表：选用 SGS 型双功能高压水表， 额定压力 20 MPa，最小流量 0.1 m3 /h，最大流量 5 m3 /h，测量允许最大误差为 5%。 （4）高压胶管：内径 25 mm，额定压力 32 MPa。 2.2 钢的原始组织与淬火后的强硬性 图 2 表示零保温奥氏体逆相变淬火温度对 25MnV 钢强硬度的影响。在试验的温度范围内， 淬火温度越低，其强硬性越高。随淬火温度增加， 钢的强硬性降低，超过 900℃后，加速下降。 图 2 淬火温度对 25MnV 钢硬度的影响 Fig.2 The effect of quenching temperature on the25MnV steel's strength 2.3 GA 编码及参数选择 设置种群数为 20 个，交叉率为 0.8，变异率 为 0.2．计算过程如图 3（a）所示 GA 种群数为 100，交叉率为 0.8，变异率为 0.2．计算过程如图 3（b）所示． 2.4 注水压力、注水水量、注水时间 巷道前方煤体受到上覆岩层的自重应力后， 沿铅垂方向产生压缩变形，水平方向则产生膨胀

变形,但是因水平岩体不允许水平方向膨胀,便 实验 产生水平方向挤压应力,即侧向水平应力,它的 编号火大削系统压力燃料及用量灭火时间 火焰状态 大小与自重应力成正比。水力挤出措施注水压 力最小应当克服水平侧向应力才有可能压裂煤 清水 煤油70021.92 小火后熄灭 体,因此,压裂疏松煤体的注水压力P应为 由大火变为 6煤油700 式中,P为注水压力MPa,μ为煤的泊松比;H煤层 4结论 埋深,m;y为上覆岩层的容重,tm3。 (1)水力挤出与超前排放孔等防突措施相 试验工作面的埋藏深度为681m,计算得自比,措施工程量低、操作工艺简便,施工安全, 重应力为1703MPa。工作面煤层的泊松比为 是一种方便高效的防突措施。 0.2~04,取中间值03,则由式(1)得注水压力 (2)水力挤出措施消除突出的主要机理: P>7.29MPa,由于从泵站到工作面注水管路压 是改变了工作面前方应力分布,应力集中带前移 力要损失一部分,60mW2EB运输巷的实际注卸压带增宽;二是储存在煤体中的瓦斯得到了较 水压力一般为8~12MPa现场试验时还发现在煤 为充分的释放,瓦斯含量降低,瓦斯压力减小 相对较硬的区域注水所需压力更大,最大值达到 从而消除了发生突出的主要动力。 15MPa。因而注水压力不仅和前方煤体受力有 关,而且也和煤体物理力学性质相关。现场试验 参考文就 时采取单孔注水,由低压(3~5MPa)→中压(6~ 陈红.中国煤矿重大事故中的不安全行为研究M].北京:科学 8MPa)→高压(9~12MPa)依次调压注水,这 出版社,200620-21 样不仅能够有效的压裂煤体,而且能够使得煤体 Chen Hong. The analysis of unsafe behavior of colliery fatal hazard 得到较充分的湿润。 accidents in China[M. Beijing: Science Press, 2006: 20-21 开始 卩2赵正宏,许绛垣,刘孝等.工业安全管理的实用事故模型及剖 识别特征点 扫描点二值化 Zhao Zhenghong, Xu Jiangyuan, Liu Xiao, et al Analysis of industry safety managem ent model[]. Science and Technology of Labour Protection. 1999, 19(3): 17-20 计算距离 阝3胀张胜强.我国煤矿事故致因理论及预防对策研究[D].杭州浙江大 学,2004:6-7 Zhang Shengqiang. The study on our country's coal mine accident- 距离匹配 causing theory and prevention countermeasures [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004: 6-7. 识别结束 [4]辛希孟.通讯技术在矿山中的应用分析[A].信息技术与信息服 图3BPGA计算过程 务国际研讨会论文集[C].北京:中国社会科学出版社,1994258299 Calculation process of BP-GA 3实验结果及分析 XX: XXXXXXXXXXXXXXXXX 用选择的复合灭火添加剂及清水开展对比灭6J谢希德,创造学习的新思路[人民日报,19812310×e 火实验,实验结果见表1,可以看出符合添加剂的xdxx07030 加入较大地缩短了细水雾的灭火时间,虽然实验 6西安电子科技大学.光折变自适应光外差探测方法[P中国专 Ⅱ-ⅣV实验条件已经尽可能相同,但是灭火时间却有 利:01128777,1989-07-26 差异,重复更多实验灭火时间相差都有数秒钟的时 7GB/7714-2005,文后参考文献著录规则[S 间。 [8]王明亮.关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展 表1纯细水雾和含复合添加剂细水雾灭火时间 Leb/ol]http://www.cajdd.educm/pub/wml.txt/980810-2.htm, Table 1 The extinguish time of pure water mist and contain 1998-08-16/1998-10-04

3 变形，但是因水平岩体不允许水平方向膨胀，便 产生水平方向挤压应力，即侧向水平应力，它的 大小与自重应力成正比[7]。水力挤出措施注水压 力最小应当克服水平侧向应力才有可能压裂煤 体，因此，压裂疏松煤体的注水压力 P 应为： P H   −  1 （1） 式中，P 为注水压力 MPa;μ为煤的泊松比;H 煤层 埋深,m;γ为上覆岩层的容重,t/m3。 试验工作面的埋藏深度为 681 m，计算得自 重应力为 17.03 MPa。工作面煤层的泊松比为 0.2~0.4，取中间值 0.3，则由式（1）得注水压力 P  7.29 MPa，由于从泵站到工作面注水管路压 力要损失一部分，-660 m W2EB8 运输巷的实际注 水压力一般为 8~12 MPa。现场试验时还发现在煤 相对较硬的区域注水所需压力更大，最大值达到 15 MPa。因而注水压力不仅和前方煤体受力有 关，而且也和煤体物理力学性质相关。现场试验 时采取单孔注水，由低压（3～5MPa）→中压（6～ 8 MPa）→高压（9～12 MPa）依次调压注水，这 样不仅能够有效的压裂煤体，而且能够使得煤体 得到较充分的湿润。 图 3 BP-GA 计算过程 Fig.3 Calculation process of BP-GA 3 实验结果及分析 用选择的复合灭火添加剂及清水开展对比灭 火实验，实验结果见表 1，可以看出符合添加剂的 加入较大地缩短了细水雾的灭火时间，虽然实验 Ⅱ-Ⅳ实验条件已经尽可能相同，但是灭火时间却有 差异，重复更多实验灭火时间相差都有数秒钟的时 间。 表 1 纯细水雾和含复合添加剂细水雾灭火时间 Table 1 The extinguish time of pure water mist and contain compound additives 4 结 论 （1）水力挤出与超前排放孔等防突措施相 比，措施工程量低、操作工艺简便，施工安全， 是一种方便高效的防突措施。 （2）水力挤出措施消除突出的主要机理：一 是改变了工作面前方应力分布，应力集中带前移， 卸压带增宽；二是储存在煤体中的瓦斯得到了较 为充分的释放，瓦斯含量降低，瓦斯压力减小。 从而消除了发生突出的主要动力。 参考文献: [1]陈 红．中国煤矿重大事故中的不安全行为研究[M]．北京：科学 出版社，2006:20-21． Chen Hong. The analysis of unsafe behavior of colliery fatal hazard accidents in China[M]. Beijing: Science Press, 2006:20-21 [2]赵正宏，许绛垣，刘 孝,等．工业安全管理的实用事故模型及剖 析[J]．劳动保护科学技术，1999，19（3）：17-20． Zhao Zhenghong, Xu Jiangyuan, Liu Xiao,et al. Analysis of industry safety management model[J]. Science and Technology of Labour Protection ,1999，19（3）：17-20. [3]张胜强．我国煤矿事故致因理论及预防对策研究[D]．杭州:浙江大 学，2004:6-7． Zhang Shengqiang. The study on our country’s coal mine accident￾causing theory and prevention countermeasures [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004:6-7. [4]辛希孟.通讯技术在矿山中的应用分析[A]. 信息技术与信息服 务国际研讨会论文集[C]. 北京:中国社会科学出版社,1994.258-299. Xin Ximeng. XXXXXXXXXXXXXXXXX[A]. XXXXXXXX [C]. XX:XXXXXXXXXXXXXXXXX,1994.258-299. [5]谢希德.创造学习的新思路[N].人民日报,1998-12-25(10). Xie Xide. XXXXXXXXXXXXXXX [N].XXXXXXXX,1998-12-25(10). [6]西安电子科技大学.光折变自适应光外差探测方法[P].中国专 利:01128777, 1989-07-26. [7]GB/T 7714-2005, 文后参考文献著录规则[S]. [8]王明亮 .关 于中国 学术期 刊标 准化数 据库系 统工程 的进展 [EB/OL]. http: //www. cajcd.edu.cn/pub/wml. txt/980810-2.htm, 1998-08-16/1998-10-04. 实验 编号 灭火剂 系统压力 /MPa 燃料及用量 /mL 灭火时间 /s 火焰状态 Ⅰ 清水 1.6 煤油 700 21.92 由大火变为 小火后熄灭 Ⅱ 复合添加剂 第一次实验 1.6 煤油 700 3.77 由大火变为 小火后熄灭