掘進工作面敏感指標(biāo)及臨界值確定

王晉生 張玉明 樊會明

(1.陽煤集團五礦，山西省陽泉市，045000;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037;3.中煤科工集團重慶研究院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 4.陽煤集團通風(fēng)部，山西省陽泉市，045209)

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掘進工作面敏感指標(biāo)及臨界值確定

王晉生1張玉明2，3樊會明4

(1.陽煤集團五礦，山西省陽泉市，045000;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037;3.中煤科工集團重慶研究院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 4.陽煤集團通風(fēng)部，山西省陽泉市，045209)

根據(jù)逢春煤礦6#煤層的特點，分析了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值預(yù)測存在的問題，引進溫差指標(biāo)進行突出危險性預(yù)測。通過現(xiàn)場考察，根據(jù)預(yù)測指標(biāo)值的大小隨著突出危險性的大小明顯變化的原則和三率法確定逢春煤礦掘進工作面敏感指標(biāo)及其臨界值。現(xiàn)場結(jié)果表明，利用溫差指標(biāo)預(yù)測突出和非突準(zhǔn)確率均達 100%。

掘進工作面 敏感指標(biāo) 臨界值 溫差指標(biāo) 三率法

逢春煤礦位于松藻礦區(qū)東南部，主要開采6#、7#、8#煤層，各煤層均屬于突出煤層，且突出強度依次增大。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，逢春煤礦發(fā)生過9次突出事故，其中6#煤層發(fā)生過2次突出事故。

逢春煤礦將突出強度較弱的6#煤層作為保護層先行開采，在6#煤層的煤巷掘進工作面主要采取穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯為主的區(qū)域綜合防突措施，但在以往的預(yù)抽鉆孔施工過程中，頂鉆、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象時有發(fā)生，由此6#煤層掘進期間必須要做好防突工作。而工作面突出危險性預(yù)測是做好防突工作的前提，因此開展煤巷掘進工作面突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值確定試驗十分必要。

1 試驗地點概況及敏感指標(biāo)確定

突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值確定的現(xiàn)場試驗一般分為3個階段，首先根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定出敏感指標(biāo)；然后對選定的敏感指標(biāo)進行現(xiàn)場試驗，并初步確定其臨界值；最后通過繼續(xù)試驗，驗證已經(jīng)得到的敏感指標(biāo)及其臨界值，從而最終確定臨界值。

本次試驗地點選擇在N2621煤巷掘進工作面，該工作面位于+460 m水平N1石門和N2石門之間，其上方為+460 m～+523 m隔水煤柱，開采6#煤層，其下部7#煤層和8#煤層未開采。該工作面煤質(zhì)堅硬，一般情況下堅固性系數(shù)值為0.67，煤層賦存穩(wěn)定，煤層平均厚度為0.9 m，傾角48°，該區(qū)域無大的構(gòu)造影響，瓦斯含量為18.82 m3/t，為半煤巖巷掘進。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中明確提出，煤礦煤巷掘進工作可采用鉆屑指標(biāo)法、復(fù)合指標(biāo)法、R值指標(biāo)法及其他經(jīng)試驗證實有效的方法作為突出危險性預(yù)測，并要求應(yīng)針對各煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的特點和條件試驗確定工作面預(yù)測的敏感指標(biāo)和臨界值，作為判定工作面突出危險性的主要依據(jù)。

1.1 鉆屑解吸指標(biāo)K1值

鉆屑解吸指標(biāo)K1值是最常用的工作面預(yù)測指標(biāo)之一，K1值是綜合反映煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數(shù)及煤的孔隙結(jié)構(gòu)等參數(shù)的指標(biāo)。

表1 N2621工作面瓦斯解吸指標(biāo)K1值分布范圍表

1.2 溫差指標(biāo)

1.2.1 溫差預(yù)測可行性分析

王宏圖等認(rèn)為，在高地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下，受到瓦斯吸附和擠壓，煤巖體溫度會升高；同時，煤體聚集高應(yīng)變能導(dǎo)致頂鉆、噴孔等現(xiàn)象出現(xiàn)時，鉆孔孔底煤壁與鉆頭摩擦?xí)r間增加、鉆孔鉆進減慢等也會使鉆屑溫度發(fā)生變化，由此提出用煤的鉆屑溫度和煤體溫度進行突出危險性預(yù)測是可行的。

另外，瓦斯解吸的過程是吸熱的，吸附于煤顆粒表面的瓦斯從周圍介質(zhì)獲得能量后被解吸出來，煤中瓦斯大量解吸時，煤體溫度會顯著降低；煤體在地應(yīng)力作用下發(fā)生變形，煤體溫度升高。煤與瓦斯突出和煤的瓦斯解吸過程以及煤層中的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，即煤體應(yīng)力增加時溫度上升，而在卸壓和排放瓦斯時則溫度下降。因此，可以利用測定煤體溫度變化指標(biāo)來分析煤與瓦斯突出危險性。

1.2.2 敏感指標(biāo)確定

本次采用的溫差指標(biāo)為工作面煤壁溫度和巷道風(fēng)流溫度之差。在工作面煤壁剛暴露時煤壁溫度TB受地溫和煤壁瓦斯解吸影響較大。但隨著時間的推移，煤壁溫度TB主要受風(fēng)流溫度及由煤壁深部經(jīng)煤壁涌出瓦斯量大小的影響。因此，選擇工作面風(fēng)流溫度為基準(zhǔn)溫度T0，采用ΔT=T0-TB的指標(biāo)形式。

根據(jù)統(tǒng)計，在2007-2011年期間，6#煤層共進行了1154輪預(yù)測，發(fā)現(xiàn)有一個共同特點：只要鉆屑溫度、煤體溫度發(fā)生了明顯變化，就一定會發(fā)生頂鉆或者噴孔等動力現(xiàn)象。因此溫差指標(biāo)可以作為6#煤層的主要預(yù)測指標(biāo)。

2 敏感指標(biāo)臨界值初步確定

2.1 溫差指標(biāo)現(xiàn)場試驗

在+460N2621工作面掘進中，總共跟蹤考察了66個預(yù)測循環(huán)，計1737個數(shù)據(jù)，其分布范圍在0～8.5℃之間；在該試驗區(qū)溫差指標(biāo)(ΔT)超過5℃的次數(shù)為88次，占5.1%?？疾旎厩闆r見表2。

由表2 可知，溫差指標(biāo)(ΔT)有79.7%集中在0～4℃之間，15.2%的溫差指標(biāo)分布在4～5℃之間，而大于等于5℃的占5.1%。統(tǒng)計表明，溫差(ΔT)大于5℃時工作面均發(fā)生了噴孔等異?，F(xiàn)象。

表2 +460N2621溫差指標(biāo)ΔT值統(tǒng)計表

2.2 應(yīng)用三率法初步確定溫差指標(biāo)臨界值

三率法即是根據(jù)預(yù)測突出率、預(yù)測突出準(zhǔn)確率和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率對突出預(yù)測數(shù)據(jù)進行分析，從而確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)，應(yīng)用三率法對 6#煤層+460N2621、+380N2621掘進工作面的突出預(yù)測及效果檢驗結(jié)果進行分析，總預(yù)測1737次，有突出危險次數(shù)88次，預(yù)測突出率為100%，預(yù)測有危險次數(shù)中真正有危險次數(shù)為88次，預(yù)測突出準(zhǔn)確率為100%，預(yù)測無突出危險次數(shù)為1649次，預(yù)測無突出危險次數(shù)中果真無突出危險次數(shù)為1649次，預(yù)測不突出準(zhǔn)確率為100%。

從預(yù)測結(jié)果可以看出，采用溫差指標(biāo)在現(xiàn)場實測中，溫差指標(biāo)預(yù)測不突出準(zhǔn)確率為100%。

根據(jù)現(xiàn)場考察可知，當(dāng)ΔT≥5℃時，打鉆時出現(xiàn)頂鉆、噴孔等動力現(xiàn)象的情況增多，隨著ΔT值增大，類似動力現(xiàn)象就越發(fā)明顯和嚴(yán)重，而當(dāng)ΔT<5℃時，掘進期間未有突出動力現(xiàn)象發(fā)生。

綜上所述，溫差ΔT為5℃可作為6#煤層突出危險性預(yù)測臨界值。

3 敏感指標(biāo)及臨界值驗證試驗

掘進工作面敏感指標(biāo)擴大驗證在+460N2631掘進工作面進行，該工作面位于+460N2石門和+460N3石門之間，北部與N3石門相連，南部與N2石門貫穿，緊鄰N2621工作面南部，驗證期間N2631工作面進尺200 m，預(yù)測52個循環(huán)。

N2631工作面掘進期間僅在工作面開掘位置進行區(qū)域防突措施時，預(yù)測溫差指標(biāo)達到臨界值5℃，同時伴隨瓦斯動力現(xiàn)象發(fā)生。為了進一步驗證溫差指標(biāo)的敏感性，在部分地點對區(qū)域防突措施前后溫差指標(biāo)進行了對比，詳見表3。

表3 區(qū)域防突措施前后掘進工作面突出危險性預(yù)測指標(biāo)測定結(jié)果對比

從表3中可以看出，N2631上巷道開口處溫差預(yù)測超標(biāo)發(fā)生了動力現(xiàn)象，但在實施區(qū)域措施后，溫差降為3℃，而且動力現(xiàn)象消失。在其他位置的比對中也可以看出，實施區(qū)域措施前后，溫差指標(biāo)變化明顯。

敏感指標(biāo)驗證試驗表明，溫差指標(biāo)ΔT是試驗區(qū)域敏感指標(biāo)且指標(biāo)臨界值合理，適用于礦井試驗區(qū)瓦斯地質(zhì)及開采技術(shù)類似條件工作面的突出危險性預(yù)測。

4 結(jié)論

逢春煤礦應(yīng)用溫差指標(biāo)ΔT作為主要敏感指標(biāo)進行突出危險性預(yù)測是可行的，其臨界值為5℃，可在類似開采條件下的工作面應(yīng)用。

但在地質(zhì)構(gòu)造帶、應(yīng)力集中區(qū)等特殊地點應(yīng)用溫差指標(biāo)作為主要敏感指標(biāo)的同時，仍需配合使用鉆屑量S值作為預(yù)測指標(biāo)。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009

[2] 王佑安,王魁軍.工作面突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)確定方法探討[J].煤礦安全, 1991(10)

[3] 曹垚林.掘進工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值確定方法[C].全國煤礦學(xué)術(shù)年會，2007

[4] 張玉明.烏蘭煤礦7#煤層突出危險性敏感指標(biāo)及臨界值的確定[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2015(3)

[5] 郭民,郁鐘銘.煤與瓦斯突出影響因素的安全評價研究[J].中國煤炭, 2010(3)

[6] 周應(yīng)江,張永將.新集一礦6-1#煤層工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值研究[J].中國煤炭, 2012(6)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Determination of sensitive index and critical value of driving work face

Wang Jinsheng1, Zhang Yuming2,3, Fan Huiming4

(1. No.5 Coal Mine, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045000, China;2. National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400037, China;3.Chongqing Research Institute, China Coal Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China;4. Ventilation Branch, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045209, China)

According to the characteristics of No. 6 coal seam in Fengchun Mine, the existing problems about prediction of gas desorption indexK1of drill cuttings were analyzed, and temperature difference index was introduced in coal and gas outburst prediction. Through field investigation, combining the rule that prediction index changed obviously along with the coal seam outburst risk and three-rate method, sensitive index and its critical value were determined. The results showed that predictive accuracy rate of the danger of coal and gas outburst and non-outburst reached 100%.

driving work face, sensitive index, critical value, temperature index, three-rate method

王晉生，張玉明等. 掘進工作面敏感指標(biāo)及臨界值確定[J].中國煤炭，2017,43(7)：131-133. Wang Jinsheng，Zhang Yuming，F(xiàn)an Huiming. Determination of sensitive index and critical value of driving work face [J]. China Coal, 2017，43(7):131-133.

TD712.53

A

王晉生(1976-)，男，山西省陽泉人，工程師，主要從事煤礦“一通三防”工作。