祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析＊

翟清偉 程遠(yuǎn)平 王 亮 周紅星 舒龍勇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，江蘇省徐州市，221008）

祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析＊

翟清偉 程遠(yuǎn)平 王 亮 周紅星 舒龍勇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，江蘇省徐州市，221008）

為了確定祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的敏感性，采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定指標(biāo)，掌握鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與吸附平衡壓力之間的關(guān)系，結(jié)合煤層區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)（瓦斯壓力）得到指標(biāo)的參考臨界值。以714運(yùn)輸巷為考察對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究指標(biāo)的分布規(guī)律和相關(guān)性，并利用臨界值迫近度法對(duì)敏感性進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明：在突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)工作中，祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2相對(duì)K1敏感性更高，可作為主要預(yù)測(cè)指標(biāo)。

鉆屑瓦斯 解吸指標(biāo) 敏感性 迫近度

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)反映了煤的吸附解吸特性，主要應(yīng)用于工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和區(qū)域效果驗(yàn)證，確定其敏感性是瓦斯防治工作的基礎(chǔ)。不同礦區(qū)指標(biāo)的敏感程度是不一樣的，主要受到地質(zhì)、開采條件、操作誤差等多方面因素的影響。指標(biāo)敏感性分析必須兼顧安全、經(jīng)濟(jì)原則。許多礦井運(yùn)用指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)，甚至出現(xiàn)效果檢驗(yàn)測(cè)值超過(guò)防突措施施工前的預(yù)測(cè)值的情況，給預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)工作帶來(lái)了很大的不便。本文以祁南煤礦72＃煤層為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法研究鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性，確定主要預(yù)測(cè)指標(biāo)，為突出煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)提供了保障，具有重大的理論參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井及試驗(yàn)煤層概況

祁南煤礦是煤與瓦斯突出礦井，核定生產(chǎn)能力300萬(wàn)t／a，礦井采用立井分水平階段石門開拓方式，全井田劃分為兩個(gè)水平（一水平為－550m，二水平為－750m）。礦井主采煤層為中32＃、72＃和10＃煤層。

72＃煤層厚度0～7.36m，平均2.64m，以中厚煤層為主，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬較穩(wěn)定煤層。煤層具有突出危險(xiǎn)性，曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故，最大突出煤量96t，最大突出瓦斯量11500m3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯壓力為3.5MPa，壓力梯度為1.94MPa／hm，2009年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)72＃煤層區(qū)域預(yù)測(cè)認(rèn)為標(biāo)高－435m以深為突出危險(xiǎn)區(qū)。

2 指標(biāo)敏感性確定方法

2.1 測(cè)定原理及物理意義

將含瓦斯煤樣瞬間暴露于大氣中或類似于大氣環(huán)境條件的儀器中，根據(jù)等容或變?nèi)葑儔航馕頊y(cè)定煤樣在不同時(shí)間段的瓦斯解吸量或不同時(shí)刻的瓦斯解吸速度，然后根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)與煤樣暴露時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理，得到鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值。

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)是煤在瞬間暴露后不同時(shí)段解吸瓦斯量的數(shù)學(xué)體現(xiàn)。K1是基于巴雷爾公式推算出來(lái)的初始瓦斯解吸速度，反映的是煤樣第1min的瓦斯解吸量；Δh2是特定儀器下的解吸引起的壓力差，反映的是煤樣第4min和第5min的瓦斯解吸量。

圖1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析技術(shù)路線圖

2.2 確定方法

圖1為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析路線。首先采集典型煤樣送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行制備，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，回歸擬合得到吸附平衡壓力與指標(biāo)之間的關(guān)系，結(jié)合區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)（瓦斯壓力），初步得到指標(biāo)參考臨界值。然后選擇跟蹤考察對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的分布規(guī)律和相關(guān)性進(jìn)行研究，利用臨界值迫近度法對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的敏感性進(jìn)行定量分析。

3 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)

從714運(yùn)輸巷采集原始煤樣，通過(guò)篩分得到粒徑1～3mm的煤樣，裝入煤樣罐。將煤樣罐置于60℃恒溫水浴中，用真空泵抽真空8h以上，去除煤樣吸附氣體使煤樣罐內(nèi)處于真空狀態(tài)。向煤樣罐中充入不同壓力的甲烷氣體（濃度99.9%），將煤樣罐置于在30℃恒溫水浴中48h，待煤樣達(dá)到吸附平衡后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2分別通過(guò)WTC瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀和MD－2瓦斯解吸儀測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室模擬指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

測(cè)定步驟：打開煤樣罐，將暴露煤樣盡快裝入WTC瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀的煤樣杯內(nèi)，將煤樣自然裝滿。暴露時(shí)間為1min左右時(shí)，按下測(cè)試鍵，測(cè)試結(jié)束后，輸入從煤樣暴露到測(cè)定開始的時(shí)間，儀器將根據(jù)測(cè)定的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出K1；同時(shí)，將暴露煤樣迅速裝入MD－2瓦斯解吸儀的煤樣瓶至刻度線位置，暴露時(shí)間3min時(shí)開始測(cè)定，2min后讀出水柱壓差，并根據(jù)煤樣標(biāo)準(zhǔn)重量（10g）進(jìn)行重量校正，即為Δh2。

圖2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)隨瓦斯壓力變化規(guī)律

對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行擬合，得出指標(biāo)與瓦斯壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式（1）、式（2），相關(guān)指數(shù)均在0.99以上。

72＃煤層區(qū)域預(yù)測(cè)的主要指標(biāo)瓦斯壓力的臨界值為0.74MPa，計(jì)算可得出Δh2和K1參考臨界值分別為170Pa和0.22ml／（g·min0.5）。

4 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察對(duì)象

714運(yùn)輸巷標(biāo)高－480～－500m，埋深較深，處于突出危險(xiǎn)區(qū)。714運(yùn)輸巷于2005年1月開始施工，采用邊掘邊抽結(jié)合掘進(jìn)工作面淺孔排放等“四位一體”綜合防突措施。掘進(jìn)過(guò)程中主要采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)，一般向工作面前方煤體施工3個(gè)鉆孔，孔深10m，鉆孔直徑取42mm。在打鉆過(guò)程中，每隔2 m利用儀器對(duì)Δh2和K1指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。圖3為714運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法預(yù)測(cè)鉆孔布置示意圖。

圖3 714運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)鉆孔布置示意圖

4.2 指標(biāo)敏感性分析

4.2.1 分布規(guī)律

在714運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，為了預(yù)測(cè)工作面前方煤體突出危險(xiǎn)性，測(cè)定了大量Δh2和K1數(shù)據(jù)，指標(biāo)分布情況見(jiàn)圖4。

參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》所規(guī)定的干煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值（K1為0.5ml／（g·min0.5），Δh2為200Pa）和實(shí)驗(yàn)室模擬得出的參考臨界值，對(duì)714運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)的超標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

圖4 714運(yùn)輸巷鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2分布圖

參照規(guī)定臨界值，K1指標(biāo)沒(méi)有超標(biāo)現(xiàn)象，而Δh2指標(biāo)的超標(biāo)率達(dá)到35.44%，且當(dāng)Δh2指標(biāo)超標(biāo)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)頂鉆、卡鉆等動(dòng)力現(xiàn)象；參照參考臨界值，K1指標(biāo)超標(biāo)率為12.66%，而Δh2指標(biāo)的超標(biāo)率達(dá)到39.24%，且當(dāng)Δh2指標(biāo)超標(biāo)而K1未超標(biāo)時(shí)曾出現(xiàn)頂鉆、卡鉆等動(dòng)力現(xiàn)象。兩個(gè)指標(biāo)超標(biāo)情況的差異可能是由于K1指標(biāo)敏感性較低等因素造成的。從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮，礦井現(xiàn)行參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)體系是不合理的。若K1臨界值降至0.16ml／（g·min0.5），兩者超標(biāo)率較為接近，但根據(jù)K1和瓦斯壓力之間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力為0.40MPa，遠(yuǎn)小于0.74MPa。

表1 714運(yùn)輸巷鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 相關(guān)性分析

表2、圖5體現(xiàn)的是K1和Δh2指標(biāo)的相關(guān)性，通過(guò)計(jì)算可以得到兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及決定系數(shù)。

由表2可以看出，兩個(gè)樣本數(shù)據(jù)都在0.01水平上顯著相關(guān)，樣本可以代表指標(biāo)的相關(guān)性。兩者的相關(guān)系數(shù)為0.623，處于0～0.8之間，表明兩個(gè)指標(biāo)之間具有正相關(guān)性，但線性相關(guān)程度不強(qiáng)。決定系數(shù)是相關(guān)系數(shù)的平方，表示一個(gè)變量波動(dòng)可由另一個(gè)變量解釋的百分比。決定系數(shù)小于0.4，說(shuō)明指標(biāo)間共享的特征較少。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，Δh2＞170Pa且K1＞0.22ml／（g·min0.5）的預(yù)測(cè)次數(shù)為7次，占預(yù)測(cè)總次數(shù)的8.8%；當(dāng)K1＞0.22ml／（g·min0.5）時(shí)，Δh2的平均值為212Pa，遠(yuǎn)大于總體平均值151Pa；當(dāng)Δh2＞170Pa時(shí)，K1的平均值為0.17 ml／（g·min0.5），略大于總體平均值0.15mL／（g·min0.5）。這說(shuō)明當(dāng)預(yù)測(cè)區(qū)域變化時(shí)，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)表現(xiàn)的同向等量變化性質(zhì)較弱，可以認(rèn)為兩個(gè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性不同。

表2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)相關(guān)性分析表

圖5 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)間相關(guān)性分析圖

4.2.3 敏感性定量分析

為了直觀地比較指標(biāo)的敏感性，可以分析數(shù)據(jù)的離散程度，離散程度越高，敏感性越強(qiáng)。定義預(yù)測(cè)指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的突出臨界值的比值為該指標(biāo)相對(duì)臨界值迫近度。迫近度是一個(gè)無(wú)量綱的量，可以屏蔽兩個(gè)指標(biāo)單位上的差異，體現(xiàn)的是測(cè)值與突出危險(xiǎn)狀態(tài)的相對(duì)迫近程度。714運(yùn)輸巷預(yù)測(cè)指標(biāo)迫近度分布如圖6所示，由圖可以直觀地看出指標(biāo)Δh2比K1圍繞臨界值的波動(dòng)性更強(qiáng)。

圖6 714運(yùn)輸巷鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)迫近度分布圖

極差和標(biāo)準(zhǔn)差是反映一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的兩個(gè)參數(shù)，極差和標(biāo)準(zhǔn)差越大則離散程度越大。由表3可以看出Δh2迫近度的極差和標(biāo)準(zhǔn)差都大于K1迫近度，Δh2指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)離散程度更高，波動(dòng)性更強(qiáng)。表明祁南煤礦72＃煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作中Δh2指標(biāo)比K1指標(biāo)更加敏感，可作為主要預(yù)測(cè)指標(biāo)。

表3 714運(yùn)輸巷鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)迫近度計(jì)算表

5 結(jié)論

（1）確定了祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性研究的技術(shù)路線，即采用實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行敏感性分析。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯壓力呈冪函數(shù)關(guān)系；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并用迫近度法進(jìn)行定量分析，表明Δh2指標(biāo)相對(duì)K1指標(biāo)在突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中敏感性更強(qiáng)，可作為主要預(yù)測(cè)指標(biāo)。

［1］ 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［2］ 俞啟香，程遠(yuǎn)平.礦井瓦斯防治［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011

［3］ 程遠(yuǎn)平.煤礦瓦斯防治理論與工程應(yīng)用［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［4］ 張向陽(yáng)，魏風(fēng)清，史廣山等.孟津礦鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（12）

［5］ 楊國(guó)梁，吳世躍，郭勇義等.寺河煤礦鉆屑解吸指標(biāo)區(qū)域臨界值的確定［J］.中國(guó)煤炭，2010（2）

［6］ 孫東玲.突出敏感指標(biāo)及臨界值確定方法的探討與嘗試［J］.煤炭工程師，1996（4）

［7］ 孫東玲.確定瓦斯突出敏感指標(biāo)及合理臨界值［J］.煤，1996（6）

［8］ 周概容.統(tǒng)計(jì)學(xué)原理［M］.天津：南開大學(xué)出版社，2004

Analysis of sensitivity of gas desorption index of drill cuttings in No.72coal seam in Qinan Coal Mine

Zhai Qingwei，Cheng Yuanping，Wang Liang，Zhou Hongxing，Shu Longyong
（National Engineering Research Center for Coal Gas Control，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

In order to determine the sensitivity of gas desorption index of drill cuttings in No.72coal seam in Qinan coal mine，the paper adopts the laboratory experiment combining with field statistical analysis method.Through the index obtained from laboratory simulation，the relation between gas desorption index of drill cuttings and adsorption equilibrium pressure is grasped，and combining which with the predicted index（gas pressure）in coal seam area，the critical value of the gas desorption index of drill cuttings is also worked out.Taking the 714main roadway as the investigating object，the paper adopts the field tests to analyze the distribution law and relevance of the indices，and uses the closeness degree to critical value method to make quantitative analysis.The result indicates that in the work of predicting the danger of gas outburst and testing its effect in No.72coal seam in Qinan coal mine，the gas desorption index of drill cuttings has higher sensitivity than and it can be used as the main predicting index.

gas desorption index of drill cuttings，sensitivity，closeness degree

TD712.3

A

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2011CB201204）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51074160）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50904068）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51004106）

翟清偉（1986－），男，漢，山東滕州人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊旱V瓦斯防治。

（責(zé)任編輯 梁子榮）