煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定

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(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶 400037)

煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定

章飛，徐文平，程廣，覃俊

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶400037)

某礦C19煤層自建井以來共發(fā)生6次煤與瓦斯突出事故，在煤巷掘進(jìn)過程中有明顯的突出預(yù)兆發(fā)生，造成防突工程量大，掘進(jìn)速度緩慢，采掘接替失衡。為有效預(yù)測C19煤層煤巷掘進(jìn)過程中的煤與瓦斯突出事故，采用歷史預(yù)測資料統(tǒng)計與分析、實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場考察分析相結(jié)合的方法，研究得出了適合C19煤層的敏感指標(biāo)(K1、S)臨界值，有效地減少了防突工程量，提高了掘進(jìn)速度。

煤與瓦斯突出；敏感指標(biāo)；臨界值

某礦首采煤層C19煤層為突出煤層。自建井以來，C19煤層共發(fā)生煤與瓦斯突出6次，突出強(qiáng)度最大的一次突出原煤126t。該煤層在掘進(jìn)過程中采用的突出預(yù)測指標(biāo)臨界值為：K1=0.35mL/(g·min0.5)，S=6.0kg/m。執(zhí)行該指標(biāo)及臨界值以來，雖在減少煤與瓦斯突出次數(shù)及預(yù)防事故發(fā)生等方面取得了一定的效果，但由于缺少適合C19煤層自身的突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值，導(dǎo)致防突工程量增加，掘進(jìn)速度緩慢，采掘接替失衡。因此，對C19煤層突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的研究就顯得尤為重要。

1 試驗(yàn)掘進(jìn)工作面概況

試驗(yàn)掘進(jìn)工作面選在2192運(yùn)輸巷及2192回風(fēng)巷。2192運(yùn)輸巷位于二采區(qū)北翼+470m標(biāo)高；2192回風(fēng)巷位于二采區(qū)北翼+530m標(biāo)高。2192運(yùn)輸巷及2192回風(fēng)巷均為半煤巖掘進(jìn)，走向長度約為500m。C19煤層平均煤厚為1.32m，傾角約為22°，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，頂?shù)装寰鶠樯百|(zhì)泥巖。

2 敏感指標(biāo)臨界初值的確定

2.1 歷史預(yù)測資料統(tǒng)計與分析

經(jīng)對C19煤層歷史預(yù)測資料的收集與初步統(tǒng)計分析，鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1在C19煤層突出預(yù)測中較為敏感。對2192運(yùn)輸巷及2192回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的歷史預(yù)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(共248次)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。從表1可以看出，K1≥0.35mL/(g·min0.5)的次數(shù)累計80次，占總預(yù)測次數(shù)的32.3%，而K1≥0.45mL/(g·min0.5)的次數(shù)累計12次，僅占總預(yù)測次數(shù)的4.8%。

表1 K1值歷史預(yù)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為保證工作面安全生產(chǎn)，預(yù)測突出危險帶準(zhǔn)確率應(yīng)達(dá)到100%。但受礦井生產(chǎn)技術(shù)條件及工作面部署的影響，難以給出具體指標(biāo)。但國內(nèi)外統(tǒng)計結(jié)果表明：突出煤層中，真正有突出危險的區(qū)域僅占預(yù)測區(qū)域的10%～30%。根據(jù)這一規(guī)律，應(yīng)選取預(yù)測突出危險帶準(zhǔn)確率大于30%的K1值作為臨界初值。因此，根據(jù)預(yù)測突出危險帶準(zhǔn)確率及表1的統(tǒng)計結(jié)果分析，選取0.35mL/(g·min0.5)作為K1的敏感指標(biāo)臨界初值，能在一定程度上反映C19煤層突出危險性的存在。

2.2 實(shí)驗(yàn)室研究

根據(jù)國家“八五”科技攻關(guān)課題的研究成果，煤層瓦斯壓力P與K1存在一定的相關(guān)關(guān)系。大量的破碎試驗(yàn)及測試結(jié)果也表明，煤層最小突出瓦斯壓力與煤的堅(jiān)固性系數(shù)f存在一定的函數(shù)關(guān)系。因此，可通過煤質(zhì)指標(biāo)確定煤層的突出瓦斯壓力臨界值，繼而依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定的K1-P關(guān)系模型初步確定煤層的敏感指標(biāo)K1的臨界初值[1-2]。

實(shí)驗(yàn)室對所取C19煤層煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度ΔP等指標(biāo)進(jìn)行了測試，并給出了K1-P關(guān)系模型，測試結(jié)果及K1指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室臨界值如表2所示。

表2 C19煤層突出參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果及K1指標(biāo)臨界值

注：A、B均為K1-P關(guān)系模型相關(guān)系數(shù)，P為瓦斯壓力，取最小突出瓦斯壓力0.74MPa。

通過對不同地點(diǎn)C19煤層煤樣的實(shí)驗(yàn)室測定分析：試驗(yàn)工作面C19煤層煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.22～0.71，煤質(zhì)較硬；瓦斯放散初速度ΔP=27～41，瓦斯放散能力較強(qiáng)[3-5]。

實(shí)驗(yàn)室測定分析結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)室K1指標(biāo)臨界值為K1=0.45～0.84mL/(g·min0.5)。試驗(yàn)初期，從安全角度考慮，取實(shí)驗(yàn)室最小臨界值0.45mL/(g·min0.5)作為敏感指標(biāo)K1的臨界初值。

2.3 突出點(diǎn)附近K1分析

C19煤層自建井以來共發(fā)生6次煤與瓦斯突出。其中，離發(fā)生在“370二石門”掘進(jìn)過程中的突出點(diǎn)最近的瓦斯壓力測定地點(diǎn)位于“370三石門”，實(shí)測該測點(diǎn)C19煤層瓦斯壓力為0.5MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定的2192回風(fēng)巷231m迎頭處及2192運(yùn)輸巷307m迎頭處的K1-P關(guān)系模型，計算得出K1值為0.42mL/(g·min0.5)、0.36mL/(g·min0.5)。

2.4 敏感指標(biāo)臨界初值初步確定

綜上分析：考慮到因地質(zhì)構(gòu)造而引起的煤體變軟的因素，從安全角度出發(fā)，試驗(yàn)初期敏感指標(biāo)K1的臨界初值確定為0.35mL/(g·min0.5)。結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》提供的參考臨界值(K1=0.5mL/(g·min0.5)，S=6.0kg/m)，確定試驗(yàn)初期敏感指標(biāo)臨界初值，即：K1max≥0.35mL/(g·min0.5)且S≥6.0kg/m，無突出危險性。

2.5 敏感指標(biāo)臨界初值的現(xiàn)場考察與分析

敏感指標(biāo)臨界初值初步確定后，在2192運(yùn)輸巷及2192回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在制定嚴(yán)密安全防護(hù)措施后，共進(jìn)行63個循環(huán)預(yù)測，63次測定(其中2192運(yùn)輸巷31個循環(huán)，2192回風(fēng)巷32個循環(huán))中，61次超標(biāo)，預(yù)測突出率97%。63個循環(huán)預(yù)測指標(biāo)最大值分布情況如圖1，圖2所示。

圖1 2192運(yùn)輸巷循環(huán)預(yù)測指標(biāo)最大值分布示意

圖2 2192回風(fēng)巷循環(huán)預(yù)測指標(biāo)最大值分布示意

由圖1，圖2可知：預(yù)測指標(biāo)K1值隨掘進(jìn)變化較大，尤其當(dāng)遭遇地質(zhì)構(gòu)造帶時，K1值由1.04mL/(g·min0.5)減小到0.21mL/(g·min0.5)，常發(fā)生頂鉆、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象。當(dāng)K1>0.4mL/(g·min0.5)時，施工鉆孔時開始出現(xiàn)頂鉆、卡鉆、噴孔等突出預(yù)兆；當(dāng)K1>0.6mL/(g·min0.5)時，突出預(yù)兆現(xiàn)象愈加明顯；而當(dāng)K1<0.4mL/(g·min0.5)時未發(fā)生任何頂鉆等突出預(yù)兆。鉆屑量預(yù)測指標(biāo)S則較為穩(wěn)定，Smax=2.7kg/m，平均2.2kg/m。地質(zhì)構(gòu)造帶S與正常情況差異不大，可作為輔助預(yù)測指標(biāo)。

2.6 敏感指標(biāo)臨界初值的確定

通過對以上歷史預(yù)測資料進(jìn)行統(tǒng)計與分析，并采用實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場考察分析等不同方法，對敏感指標(biāo)臨界初值進(jìn)行分析，可得：

(1)根據(jù)歷史預(yù)測資料，可以看出：C19煤層歷史預(yù)測指標(biāo)值中K1≥0.4mL/(g·min0.5)的次數(shù)占總預(yù)測次數(shù)的16.1%。

(2)通過實(shí)驗(yàn)室測定的C19煤層的K1-P關(guān)系模型，采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中突出煤層區(qū)域預(yù)測的瓦斯壓力P臨界值(0.74MPa)計算得出K1值在0.45～0.84mL/(g·min0.5)之間；利用突出點(diǎn)附近實(shí)測的瓦斯壓力，代入K1-P關(guān)系模型，得出突出點(diǎn)附近K1值為0.42mL/(g·min0.5)、0.36mL/(g·min0.5)。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)考察過程中，K1≤0.4mL/(g·min0.5)時未發(fā)生任何卡鉆、頂鉆等突出征兆。K1>0.4mL/(g·min0.5)時開始出現(xiàn)突出征兆，且征兆愈來愈明顯。

(4)鉆屑量S作為輔助預(yù)測指標(biāo)，在現(xiàn)場試驗(yàn)中預(yù)測值較為穩(wěn)定，敏感程度不高。

綜上分析：C19煤層突出預(yù)測指標(biāo)K1臨界初值為0.4mL/(g·min0.5)時，鉆屑量S取《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的6kg/m作為臨界初值。

3 敏感指標(biāo)臨界值的確定

3.1 敏感指標(biāo)臨界初值擴(kuò)大試驗(yàn)

敏感指標(biāo)擴(kuò)大試驗(yàn)在2192運(yùn)輸巷及2192回風(fēng)巷進(jìn)行。擴(kuò)大試驗(yàn)階段，兩條巷道共進(jìn)行了34個預(yù)測循環(huán)，預(yù)測指標(biāo)K1值超標(biāo)15次，S未超標(biāo)。當(dāng)K1值超過臨界初值時，采取防突措施后，K1值降到臨界值以下，2192運(yùn)輸巷預(yù)測指標(biāo)K1最大值由防突措施前的0.73mL/(g·min0.5)減小到0.32mL/(g·min0.5)，低于臨界值。執(zhí)行該敏感指標(biāo)臨界值后，安全進(jìn)尺198m，補(bǔ)充防突措施次數(shù)由原先的29次減少到15次，減少防突工程量48%，有效地保證了C19煤層巷道的安全快速掘進(jìn)。防突措施實(shí)施前后K1最大值對比情況如圖3，圖4所示。

圖3 2192運(yùn)輸巷防突措施前后K1最大值對比情況

圖4 2192回風(fēng)巷防突措施前后K1最大值對比情況

3.2 敏感指標(biāo)臨界值的確定

擴(kuò)大試驗(yàn)表明，研究確定的敏感指標(biāo)臨界初值合理有效，預(yù)測不突出危險率達(dá)到100%。在防突措施做足、保證安全的前提下，有效地解放了生產(chǎn)力，提高了掘進(jìn)速度，采掘接替緊張狀況得到了一定的緩解。綜上分析，C19煤層的敏感指標(biāo)臨界值確定為K1=0.4mL/(g·min0.5)，S=6kg/m。

4 結(jié)論

(1)突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定是一項(xiàng)極其復(fù)雜而又富有意義的工作。礦井應(yīng)根據(jù)煤層自身賦存規(guī)律及突出危險性程度的大小對敏感指標(biāo)及其臨界值進(jìn)行摸索考察。

(2)采用歷史預(yù)測資料統(tǒng)計與分析、實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場考察分析等相結(jié)合的方法研究確定了C19煤層敏感指標(biāo)臨界值為K1=0.4mL/(g·min0.5)，S=6kg/m，有效保障了礦井安全生產(chǎn)。

[1]趙旭生，董銀生，岳超平.煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值的確定方法[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(3).

[2]胡千庭，邵 軍.工作面預(yù)測敏感指標(biāo)值確定方法的研究[R].重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，1995.

[3]張永將，孟賢正，童 碧，等.深部礦井煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(3).

[4]馬雷舍夫，艾魯尼，胡 金，等.煤與瓦斯突出預(yù)測方法和防治措施[M].魏風(fēng)清，張建國譯.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

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[7]唐 征，田坤云.中馬村礦煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)影響因素分析[J].煤礦開采，2007，12(5)：77-79.

[責(zé)任編輯：李青]

Critical Value of Sensitivity Index for Forecasting Coal and Methane Outburst

ZHANG Fei, XU Wen-ping, CHENG Guang, QIN Jun

(Methane Research Branch, Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Chongqing 400037, China)

6 times coal and methane outburst occurred in C19 coal-seam of a mine since the shaft building.There were obvious outburst omens in driving coal roadway, which resulted into large prevention engineering amount, slow driving speed and unbalanced mining and driving.In order to effectively forecast coal and methane outburst disaster in driving coal roadway, applying historical forecast data, laboratory test and on-the-spot investigation, critical value of sensitivity index (K1,S)suitable for C19 coal-seam was obtained.Practice showed that outburst prevention engineering amount reduced largely and driving speed increased.

coal and methane outburst；sensitivity index；critical value

2014-05-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.028

國家青年自然科學(xué)基金(51104087)

章 飛(1989-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，從事煤礦瓦斯動力災(zāi)害預(yù)測及防治技術(shù)方面工作。

章 飛，徐文平，程 廣，等.煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定[J].煤礦開采，2014，19(6)：107-109.

TD713

A

1006-6225(2014)06-0107-03