基于煤層突出特征的工作面預測指標確定

張玉柱

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037）

工作面突出危險性預測是防治煤與瓦斯突出的最后一道安全防線，是礦井安全生產的重要保障。精準的工作面突出危險性預測需要合適的工作面突出預測敏感指標和合理的指標臨界值做支撐，《防治煤與瓦斯突出細則》要求突出礦井應當針對煤層的特點和條件試驗確定工作面突出預測的敏感指標和臨界值[1]。針對不同礦井，其生產工藝、工作面預測條件等外在因素不同；再者對于不同煤層，其煤層瓦斯解吸規(guī)律、煤層突出特征及其主控因素等內在因素不同，造成不同礦井不同煤層其工作面預測敏感指標及臨界值不同[2-4]。因此，研究確定突出煤層工作面突出預測敏感指標及臨界值對于礦井瓦斯防治意義重大。

1 礦井概況

四季春煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采6 號、7號、16 號、35 號煤層，6 號、7 號、16 號煤層煤層經鑒定全部為具有煤與瓦斯突出危險性，35 號煤層尚未鑒定。礦井區(qū)域防突措施為開采保護層，首采7 號煤層作為保護層先行開采，煤層開采順序為7 號→6號→16 號→35 號煤層。井田總體為一單斜構造，區(qū)內構造發(fā)育中等，局部區(qū)域內次一級褶皺和斷層較發(fā)育。

四季春煤礦6 號煤層全區(qū)可采，煤質為無煙煤，煤層厚度2.5 m 左右，平均傾角14°，煤層厚度及傾角總體賦存穩(wěn)定，煤層全層硬度一致，無軟分層，無夾矸。6 號煤層區(qū)域預測指標臨界值已經具有鑒定資質的機構完成試驗考察并應用，區(qū)域預測指標瓦斯含量臨界值確定為8.5 m3/t；6 號煤層工作面突出預測敏感指標及臨界值尚未試驗考察確定。

2 工作面突出預測敏感指標確定

2.1 工作面突出預測指標敏感性考察標準

目前研究認為，煤與瓦斯突出主要受煤層瓦斯、煤體結構、地應力等因素的共同影響[5-6]，但對于不同礦井不同煤層其主導因素不同，而各工作面突出預測指標對于不同主控因素的敏感程度不同，導致特定礦井煤層其工作面突出預測敏感指標不同。因此，工作面突出預測指標的敏感性主要取決于其對煤層煤與瓦斯突出顯現(xiàn)特征的響應程度。

四季春煤礦井田區(qū)域6 號煤層煤與瓦斯突出嚴重，通過統(tǒng)計礦井及鄰近礦井6 號煤層發(fā)生的煤與瓦斯突出歷史資料，總結分析得出其煤與瓦斯突出具有以下特征：歷史全部煤與瓦斯突出瓦斯突出量均較大，突出以煤層瓦斯作用為主導因素；大部分煤與瓦斯突出發(fā)生在煤層賦存異常區(qū)域（構造帶、應力集中區(qū)域、煤厚異常區(qū)域等），煤體結構和應力集中為煤與瓦斯突出發(fā)生的主要誘導因素。

煤層瓦斯主要通過煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量指標體現(xiàn)，瓦斯壓力測定要求高、周期長，瓦斯含量測定過程簡單、準確性高，因此選擇瓦斯含量作為表征煤層瓦斯大小的指標，煤層瓦斯含量越大，煤層瓦斯越大，煤層突出危險性越高?；? 號煤層煤與瓦斯突出特征，構建了煤層工作面突出預測指標敏感性考察標準如下：首先考察工作面突出預測指標隨瓦斯含量的變化情況，其次考察工作面突出預測指標在煤層賦存異常區(qū)域測值變化情況。若預測指標能夠同步隨瓦斯含量的變化而明顯變化，且煤層賦存異常區(qū)域測值相對煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，則該指標敏感性較好；若預測指標僅能夠明顯響應煤層瓦斯含量或煤層賦存異常1 個因素，則該指標敏感性一般；若預測指標對于煤層瓦斯含量和煤層賦存異常2 個因素均不能明顯響應，則該指標敏感性較差。

2.2 工作面突出預測敏感指標考察確定

《防治煤與瓦斯突出細則》推薦的采掘工作面突出預測方法有：鉆屑指標法、復合指標法、R 值指標法，主要涉及的工作面突出預測指標有：鉆屑瓦斯解吸指標K1、鉆屑瓦斯解吸指標△h2、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和R 值。由于鉆屑瓦斯解吸指標K1和△h2均為綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的指標[7]，考慮到目前四季春煤礦采用鉆屑瓦斯解吸指標K1，其測定裝備及工藝條件較完善，再者礦井未開展其它新工作面突出預測方法的試驗應用，不存在新的工作面突出預測指標。因此，四季春煤礦選取鉆屑瓦斯解吸指標K1、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和R 值指標進行工作面預測指標敏感性考察分析。

為了統(tǒng)一對比分析各工作面突出預測指標隨瓦斯含量和煤層賦存變化的變化情況，選取各指標實測值與其《防治煤與瓦斯突出細則》推薦臨界值的比值進行對比分析。由于各指標推薦臨界值是通過大量統(tǒng)計分析得出的，推薦臨界值與礦井實際合理臨界值相差不大，因此對于通過各指標比值考察其敏感性影響較小。各指標推薦臨界值見表1。

表1 各指標推薦臨界值Table 1 Recommended thresholds for each indicator

結合礦井采掘情況，針對6 號煤層所有采掘工作面進行工作面突出預測指標敏感性現(xiàn)場考察，現(xiàn)場采用風煤鉆施工φ42 mm 的工作面突出預測鉆孔，每個預測鉆孔同時測定鉆屑瓦斯解吸指標K1、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和瓦斯含量W，并計算R 值?，F(xiàn)場跟蹤考察了采掘工作面煤層賦存正常區(qū)域、巷煤柱應力集中影響區(qū)域和斷層影響區(qū)域，共測試了30 個預測循環(huán)各指標參數(shù)。由于R 值所有計算數(shù)值均為負值，因此采用公式中正值指標鉆屑量S 判斷工作面突出危險。統(tǒng)計現(xiàn)場測試的30 組各指標最大值比值，各指標比值變化曲線如圖1。

圖1 各指標比值變化曲線Fig.1 Ratio curves of each index

由圖1 可以看出，鉆屑瓦斯解吸指標能夠同步響應瓦斯含量和煤層賦存的變化，隨煤層瓦斯含量的增減而增減，且變化較明顯，煤層異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域明顯增大；鉆孔瓦斯涌出初速度總體隨瓦斯含量的增加而增加，但變化不明顯，局部區(qū)域甚至無變化，煤層異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域有增加趨勢，但增加幅度不大；鉆屑量在煤層賦存正常區(qū)域內不隨瓦斯含量的變化而變化，煤層賦存異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域增加明顯。

依據6 號煤層工作面預測指標敏感性考察標準，綜合分析表明：鉆屑瓦斯解吸指標敏感性較好；鉆屑量指標敏感性一般；鉆孔瓦斯涌出初速度指標敏感性較差。因此，確定6 號煤層工作面突出預測敏感指標為鉆屑瓦斯解吸指標，為了工作面預測更準確可靠，選擇鉆屑量為其輔助預測指標。

3 工作面突出預測敏感指標臨界值確定

3.1 工作面敏感指標臨界初值確定

工作面突出預測敏感指標臨界值是1 個假設、修正、確定的過程，為了保證現(xiàn)場考察的安全性和臨界值確定的高效性，考察之前需假設確定1 個合理的敏感指標臨界初值。

3.1.1 實驗室測試計算確定

理論實驗研究表明，鉆屑瓦斯解吸指標K1與瓦斯壓力p 呈冪函數(shù)關系[8-9]，煤層最小始突瓦斯壓力與煤層堅固性系數(shù)存在一定關系[10]。因此，可以實驗室測定煤層堅固性系數(shù)和K1-p 關系理論計算得出鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界初值。

現(xiàn)場采集6 號煤層4 個代表性煤樣送至實驗室測定其煤層堅固性系數(shù)f 和K1-p 關系，依據目前我國北票礦務局和重慶煤科院總結的煤層最小始突瓦斯壓力pmin與煤層堅固性系數(shù)f 關系式（pmin=2.79f+0.39、pmin=2.2f）[11]，計算得出的各煤樣鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值實驗室計算結果見表2。為了保證安全生產，選取最小的0.53 mL/（g·min1/2）作為6 號煤層實驗室鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界初值計算結果。

表2 鉆屑瓦斯解吸指標K1 臨界值實驗室計算結果Table 2 Experimental results of critical value ofdrilling cuttings gas analysis index K1

3.1.2 歷史數(shù)據擬合計算確定

理論及實踐表明，在瓦斯含量低值區(qū)間，鉆屑瓦斯解吸指標與瓦斯含量呈線性關系；在瓦斯含量高值區(qū)間，鉆屑瓦斯解吸指標與瓦斯含量呈較好的指數(shù)關系[12-13]。統(tǒng)計工作面突出預測敏感指標考察期間測試的30 個循環(huán)歷史數(shù)據，對各鉆孔同步測試的鉆屑瓦斯解吸指標和瓦斯含量分別進行線性關系擬合和指數(shù)關系擬合，鉆屑瓦斯解吸指標和瓦斯含量擬合曲線如圖2。

圖2 鉆屑瓦斯解吸指標和瓦斯含量擬合曲線圖Fig.2 Cuttings gas analysis index and gas content fitting curves

通過擬合曲線可以看出，當前瓦斯含量區(qū)間內鉆屑瓦斯解吸指標與瓦斯含量指數(shù)關系相關性較好，結合礦井已經試驗考察確定的6 號煤層區(qū)域預測指標瓦斯含量臨界值8.5 m3/t，計算得出對應鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值為0.52 mL/（g·min1/2）。

通過實驗室測試和歷史數(shù)據擬合分別得出鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值為0.53 mL/（g·min1/2）和0.52 mL/（g·min1/2），考慮礦井安全重要性，選取較小值0.52 mL/（g·min1/2）作為6 號煤層工作面突出預測鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界初值進行現(xiàn)場考察。

3.2 工作面敏感指標臨界初值考察修正

工作面突出預測敏感指標臨界初值的現(xiàn)場考察主要通過預測鉆孔施工及采掘期間實際發(fā)生的動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象進行修正[14-15]。若現(xiàn)場考察期間敏感指標測值小于等于臨界初值時未出現(xiàn)動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，則表明臨界初值偏小，修正增加臨界初值直至出現(xiàn)動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象并確定其為新的敏感指標臨界初值；若現(xiàn)場考察期間敏感指標測值小于等于臨界初值時發(fā)生了動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，則表明臨界初值偏大，修正確定對應發(fā)生動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的最小測值為新的敏感指標臨界初值。各預測鉆孔實測敏感指標最大值作為各預測鉆孔敏感指標測值，各采掘循環(huán)實測敏感指標最大值作為各采掘循環(huán)敏感指標測值。預測鉆孔施工期間發(fā)生的動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象對應預測鉆孔敏感指標測值，采掘期間發(fā)生的動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異常現(xiàn)象對應采掘循環(huán)敏感指標測值。

結合礦井采掘情況，選取6 號煤層具有代表性的1063 中間巷和1061 回采工作面開展鉆屑瓦斯解吸指標臨界初值的考察修正，現(xiàn)場跟蹤考察期間鉆屑瓦斯解吸指標臨界值采用已確定的臨界初值0.52 mL/（g·min1/2），記錄所有鉆孔施工和采掘期間瓦斯動力情況及瓦斯涌出情況。現(xiàn)場跟蹤考察了1063 中間巷和1061 回采工作面共計40 個采掘循環(huán)，測定了300 組采掘工作面鉆屑瓦斯解吸指標數(shù)據。其中鉆屑瓦斯解吸指標在預測鉆孔施工期間共出現(xiàn)6 次卡鉆、頂鉆、噴孔現(xiàn)象，采掘期間出現(xiàn)2 次瓦斯涌出超限。鉆屑瓦斯解吸指標測值分布情況見表3。

表3 鉆屑瓦斯解吸指標測值分布情況Table 3 Distribution of measured value of cuttings gas analysis index

通過對現(xiàn)場考察實測的鉆屑瓦斯解吸指標K1測值和發(fā)生的動力現(xiàn)象及瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的統(tǒng)計得出：鉆屑瓦斯解吸指標K1測值小于等于臨界初值0.52 mL（/g·min1/2）時發(fā)生了5 次動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象，表明臨界初值偏大，因此修正確定對應發(fā)生動力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的最小測值0.51 mL（/g·min1/2）作為新的鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界初值。

3.3 工作面敏感指標臨界值確定

在同一瓦斯地質單元內，對考察修正的敏感指標臨界初值進行全礦井、長周期擴大應用考察，若所有小于敏感指標臨界初值的測值均不出現(xiàn)動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，則驗證敏感指標臨界初值合理，確定其為敏感指標臨界值。

由于四季春井田屬于一單斜構造，井田范圍內總體屬于同一瓦斯地質單元。因此，對6 號煤層工作面突出預測鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界初值進行煤層所有采掘工作面擴大應用。為了保證工作面突出預測更加安全可靠，同步測定輔助預測指標鉆屑量，鉆屑量臨界值采用《防治煤與瓦斯突出細則》推薦臨界值。現(xiàn)場開展了6 個月的擴大應用，測定了1 200多組鉆屑瓦斯解吸指標和鉆屑量數(shù)據，對所有數(shù)據進行統(tǒng)計分析表明：鉆屑瓦斯解吸指標K1所有小于臨界初值0.51 mL/（g·min1/2）的測值均未發(fā)生動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象；鉆屑量在構造區(qū)域對鉆屑瓦斯解吸指標具有較好的輔助作用，能同步響應動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象。

因此，確定四季春煤礦6 號煤層工作面突出預測敏感指標鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值為0.51 mL/（g·min1/2），輔助預測指標鉆屑量采用《防治煤與瓦斯突出細則》推薦臨界值6 kg/m。

4 結 論

1）工作面突出預測敏感指標確定可以依托煤層煤與瓦斯突出特征及主控因素，構建工作面突出預測指標敏感性考察標準，通過統(tǒng)一對比工作面突出預測指標比值敏感程度確定敏感指標。

2）工作面突出預測敏感指標臨界值是1 個假設、修正、確定的過程，根據煤層實驗室測試和歷史數(shù)據擬合可以得出假設階段初值，修正和確定階段主要依據工作面預測鉆孔施工及采掘期間發(fā)生的動力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象作為修正和確定標準。

3）工作面突出預測輔助預測指標臨界值可采用工作面突出預測敏感指標臨界值確定方法同步確定。