孟津煤礦二1煤層突出預(yù)測敏感指標(biāo)確定

向 浩,伊 倩

(河南能源義煤公司技術(shù)研究院，河南 義馬 472300)

煤與瓦斯突出是煤礦井下重大災(zāi)害之一,其發(fā)生機理極其復(fù)雜,嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。工作面煤與瓦斯突出危險性預(yù)測和防突措施效果檢驗是突出礦井進行防突管理的兩項關(guān)鍵工作[1]。突出預(yù)測敏感指標(biāo)應(yīng)能夠靈敏地反映煤層突出危險性的大小,即敏感指標(biāo)在數(shù)值上隨著突出危險性的變化而明顯改變[2]。由于煤層的地應(yīng)力、瓦斯參數(shù)和煤質(zhì)指標(biāo)等方面存在差異,不同礦區(qū)、不同煤層,亦或同一煤層的不同區(qū)域,預(yù)測敏感指標(biāo)也不盡相同,甚至存在很大的差異。生產(chǎn)過程中因指標(biāo)不敏感造成預(yù)測結(jié)果的不準(zhǔn)確,導(dǎo)致誤判,發(fā)生突出事故或增加不必要的防突措施工程量是客觀存在的?！斗劳患?xì)則》規(guī)定突出礦井應(yīng)針對各煤層的特點和條件試驗確定工作面預(yù)測的敏感指標(biāo)。

隨著基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展及交叉學(xué)科的產(chǎn)生,尤其是計算機科學(xué)的發(fā)展,近年來我國專家學(xué)者就如何確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)方面做了進一步的探討[3],取得了很多寶貴的經(jīng)驗和成果,但由于未充分結(jié)合現(xiàn)場瓦斯地質(zhì)等因素,使得敏感指標(biāo)仍存在不同程度的交叉現(xiàn)象。為了提高預(yù)測準(zhǔn)確性和有效性,礦井應(yīng)根據(jù)本身實際情況考察確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)。

河南能源義煤公司孟津煤礦為煤與瓦斯突出礦井,2006年7月29日發(fā)生突出,突出煤量828 t,累計瓦斯涌出量8萬m3;礦井最大原始瓦斯含量16.37 m3/t,最大原始瓦斯壓力3.1 MPa。測定地點為東翼膠帶運輸大巷,距離11011膠帶巷26 m(東翼軌膠聯(lián)絡(luò)巷上口)。在12011膠帶順槽(第二掛耳鉆場處)測定二1煤層吸附常數(shù)a值為32.246 m3/t,b值為0.775 MPa-1。主要可采煤層二1煤層瓦斯放散初速度p為16.0～24.0 mL/s,透氣性系數(shù)為0.048 9 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.67 d-1,f值在0.1～0.3之間。在打贏公司“扭虧為盈”攻堅戰(zhàn)關(guān)鍵時期,開展孟津煤礦二1煤層突出預(yù)測敏感指標(biāo)研究,對該礦提高經(jīng)濟效益,提升瓦斯治理水平具有重要意義。通過試驗研究、跟蹤考察及綜合分析,孟津煤礦二1煤層鉆屑解吸指標(biāo)h2和鉆屑量指標(biāo)S能夠明顯區(qū)分工作面突出危險性,且該指標(biāo)無交叉[4]。

1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性實驗室研究

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)h2、K1值綜合考慮了地應(yīng)力、瓦斯指標(biāo)和煤質(zhì)指標(biāo)這三個與突出危險密切相關(guān)的因素[5-6],是我國預(yù)測突出危險性使用較廣泛的一種指標(biāo)。

1.1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)計算

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是單位質(zhì)量的煤體從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量,如式(1):

(1)

式中:Qt為煤體自平衡壓力卸除經(jīng)t時間后,所解吸的瓦斯總量,mL;t為解吸時間,min。

當(dāng)t=1時,得到:Qt=K1。

K1計算如下,其中煤樣暴露時間ti,按式(2)計算:

ti=t0+0.5i

(2)

式中:ti為煤樣自放氣開始至測量第i個數(shù)據(jù)的暴露時間,min;t0為煤樣自放氣開始至啟動解吸儀時的暴露時間,min。

假定t0時刻前煤樣已經(jīng)解吸的瓦斯量為w0,則:

(3)

式中:Qi為煤樣暴露t0時刻起的累計瓦斯解吸量,mL;w0為t0時刻前單位質(zhì)量煤樣的損失瓦斯解吸量,mL/g。

(4)

(5)

(6)

通過實驗,由式(4)計算K1值。

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2表示10 g煤樣從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第4～5 min內(nèi)在鉆屑瓦斯解吸儀中釋放(解吸)瓦斯擠壓水柱計中的水產(chǎn)生的壓差[7],如式(7):

Q4～5=0.008 3Δh2/10

(7)

式中:Q4～5為單位質(zhì)量煤樣第4～5 min內(nèi)的解吸量,mL/g;0.008 3為MD-2型解吸儀結(jié)構(gòu)常數(shù)。

根據(jù)式(1),實驗煤樣第3 min至第5 min內(nèi)的解吸量為:

(8)

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2、K1值的概念和測定原理表明,兩者具有相同的物理意義,沒有本質(zhì)區(qū)別,屬于同一類指標(biāo),有著顯著的關(guān)系[8],由式(7)和式(8)得到其線性關(guān)系:

K1=0.001 6Δh2

(9)

1.2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)實驗室測定及數(shù)據(jù)對比

1.2.1煤樣制備及測定方法

根據(jù)實驗要求,采集孟津煤礦12030回采工作面和12070掘進工作面的塊狀煤樣,實驗室進行破碎、篩分;稱取各100 g粒徑1～3 mm的煤樣放入帶有壓力表的煤樣罐中密封,在60℃條件下恒溫脫氣8 h;再將煤樣罐充入體積分?jǐn)?shù)不低于99.8%的CH4氣體至不同壓力,在30℃恒溫水浴中吸附直至平衡，時間約為48 h以上。使用MJ-3瓦斯解吸速度測定儀,對不同吸附平衡壓力下的煤樣進行瓦斯解吸特性測定,連續(xù)觀測數(shù)據(jù)60 min,并記錄不同時刻的瓦斯解吸量。

1.2.2鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

實驗室測定結(jié)果顯示,在不同吸附平衡壓力下瓦斯解吸曲線有一定的規(guī)律性,累計瓦斯解吸量與解吸時間呈類拋物線正相關(guān),等溫瓦斯解吸規(guī)律[9]如圖1所示。

圖1 孟津煤礦煤樣不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸特性Fig.1 Gas desorption of coal samples in Mengjin Coal Mine under different adsorption equilibrium pressures

使用WTC瓦斯突出參數(shù)測定儀測定孟津煤礦煤樣在不同吸附平衡壓力下的K1值,實測K1值和煤樣的第1 min實際解吸量見表1。同理,利用實驗煤樣的瓦斯解吸特性曲線數(shù)據(jù)[10-11],計算孟津煤礦煤樣在第4～5 min內(nèi)的實際解吸量Q4～5,并使用MD-2瓦斯解吸儀測定孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2,根據(jù)式(7)中煤樣鉆屑解吸指標(biāo)與第4～5 min煤樣解吸量的關(guān)系計算各煤樣第4～5 min解吸量Q4～5,見表2。

表1 K1與第1 min實際解吸量的比較Table 1 Comparison of K1 with the actual desorption at the 1st minute

表2 實驗煤樣第4～5 min計算解吸量與實際解吸量的比較Table 2 Comparison between the calculated desorption capacity and the actual desorption capacity of the experimental coal samples at the 4th to 5th minute

由表1可知,孟津煤礦的實驗煤樣鉆屑解吸指標(biāo)K1值和煤樣第1 min的實際解吸量存在較大差異,實驗煤樣測得的鉆屑解吸指標(biāo)K1值遠小于煤樣第1 min的實際解吸量。

由表2可知,依據(jù)孟津煤礦的煤樣實測鉆屑解吸指標(biāo)Δh2,按照式(7)計算得到的第4～5 min的解吸量與實驗煤樣的實際解吸量相差很小。

1.3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析

對不同破壞類型煤體解吸數(shù)據(jù)進行分析,得出初始瓦斯解吸速度與破壞類型有關(guān)。孟津煤礦二1煤層的f值僅為0.1～0.3,在同溫、同壓、等粒徑條件下,煤體破壞程度越嚴(yán)重,相應(yīng)初始時刻瓦斯解吸速度就越高,并且解吸速度衰減也越快,軟煤的初始瓦斯解吸速度和衰減率遠大于硬煤。因此,當(dāng)煤體破壞類型較嚴(yán)重時,K1值指標(biāo)不敏感也不適用[12-14]。

從孟津煤礦二1煤層實驗煤樣瓦斯解吸規(guī)律看出,煤樣具有初始時刻瓦斯解吸速度高、解吸速度衰減快、卸壓初期有大量的瓦斯釋放等特點；而3 min后,煤樣的瓦斯解吸特性曲線趨于平緩,解吸速度相對穩(wěn)定。因此,孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2受煤體破壞嚴(yán)重程度影響小,實驗煤樣計算得到的第4～5 min的解吸量與實際解吸量誤差很小。

2 鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)測定原理及敏感性分析

最早提出煤層鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)的是前蘇聯(lián)馬凱耶夫礦業(yè)研究所,該指標(biāo)通過鉆孔瓦斯涌出初速度測定儀進行測定,按流量計原理工作,是一種節(jié)流式差壓流量計。鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)測定方法是在打鉆結(jié)束后立馬進行封孔,由于鉆孔周圍破碎區(qū)和塑性區(qū)的形成,煤層透氣性提高,瓦斯向鉆孔中涌出,在密封室內(nèi)甲烷壓力升高,與外部形成壓差,以此測定打鉆結(jié)束2 min時相應(yīng)深度的鉆孔瓦斯流量,用q表示,單位為L/min。

鉆孔瓦斯涌出初速度q綜合反映了煤層的破壞類型、瓦斯參數(shù)、鉆孔周圍煤體應(yīng)力狀態(tài)和透氣性,特別是煤層的透氣性系數(shù)λ對q的影響很大。對透氣性系數(shù)λ大的煤層,鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)的敏感性較差,用于突出預(yù)測時容易產(chǎn)生誤報,其主要原因是瓦斯排放半徑大,瓦斯來源廣,造成煤層突出危險性不大時其值卻超過突出臨界值;若煤層破壞類型高、透氣性系數(shù)λ小,則在規(guī)定的時間內(nèi)完成測定q時,一般會出現(xiàn)孔內(nèi)瓦斯已基本枯竭,q值很小的情況,以至于煤層突出危險性較大而q值卻未超過臨界值,同樣會產(chǎn)生誤報(即所謂的低指標(biāo)突出現(xiàn)象)[15-16]。同時,由于煤體松軟破碎,鉆孔施工過程中容易塌孔,且難以封孔嚴(yán)密,造成測定數(shù)據(jù)失真。因而,鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)在上述煤層條件下應(yīng)用時有很大的局限性。

孟津煤礦主采的二1煤層為典型的豫西“三軟”煤層[17],煤體極其松軟破碎,透氣性系數(shù)小。因此在充分結(jié)合該礦瓦斯地質(zhì)等因素的基礎(chǔ)上,經(jīng)綜合分析確定預(yù)測指標(biāo)鉆孔瓦斯涌出初速度q指標(biāo)不敏感。

3 瓦斯突出危險預(yù)測指標(biāo)現(xiàn)場跟蹤考察

3.1 突出預(yù)測指標(biāo)考察對象的確定

為了提高煤與瓦斯突出危險預(yù)測的準(zhǔn)確性和有效性,本次對鉆屑量指標(biāo)S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1等4個指標(biāo)全部進行跟蹤考察。

3.2 突出預(yù)測指標(biāo)跟蹤考察

瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)體系最終要服務(wù)于現(xiàn)場生產(chǎn)實踐,為確定預(yù)測指標(biāo)考察結(jié)果的適應(yīng)性,對預(yù)測指標(biāo)進行現(xiàn)場跟蹤考察是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。

對采掘工作面預(yù)測指標(biāo)進行跟蹤考察(鉆孔測定原始煤體狀態(tài)下的鉆孔瓦斯涌出初速度q值、鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1值)。跟蹤考察內(nèi)容主要包括:預(yù)測指標(biāo)測值變化;作業(yè)過程中噴孔、頂鉆、響煤炮等典型突出預(yù)兆;瓦斯異常現(xiàn)象等。

重點對孟津煤礦12030工作面有關(guān)數(shù)據(jù)進行跟蹤考察,煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)統(tǒng)計情況見表3。

表3 煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)統(tǒng)計Table 3 Prediction indicators of coal and gas outburst

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)12030工作面預(yù)測效檢數(shù)據(jù)及地質(zhì)構(gòu)造變化情況,分析了該工作面預(yù)測指標(biāo)測值分布特征,繪制鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和鉆屑量指標(biāo)S的分布曲線,見圖2；同時繪制鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和鉆孔瓦斯涌出初速度q測值分布曲線,見圖3。

圖2 Δh2與S隨回采進尺變化曲線Fig.2 Variation of Δh2 and S with footage

圖3 K1與q隨回采進尺變化曲線Fig.3 Variation of K1 and q with footage

通過現(xiàn)場跟蹤考察的突出預(yù)測(效檢)數(shù)據(jù)可以看出,所測K1值比較小,這主要是由于該礦二1煤層煤體破壞嚴(yán)重,煤體卸壓后初期解吸速度很大[18-19],用WTC儀所測K1值遠遠小于煤體第1 min的實際解吸量所導(dǎo)致。綜合實驗室煤樣的解吸特性及解吸指標(biāo)實驗得出,該礦井的突出預(yù)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)選用Δh2較敏感;從圖3中可以看出,鉆孔瓦斯涌出初速度q值相對較小,并且與其他兩項指標(biāo)(S和h2)的變化規(guī)律也不相符,而鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2兩項指標(biāo)具有較為一致的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2可以通過測定儀器現(xiàn)場測定,用直接法確定的Δh2值是比較容易實現(xiàn)的;而通過間接法得到K1值是根據(jù)煤的瓦斯解吸規(guī)律計算出來的,相比較而言,Δh2是具有一定優(yōu)勢的[20]。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性實驗室研究也充分表明,對于孟津煤礦煤體破壞嚴(yán)重的煤樣其鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2相比K1值有更好的敏感性和適應(yīng)性。通過跟蹤考察,鉆孔瓦斯涌出初速度q值很小,且與S值和Δh2值的變化規(guī)律不一致。因此,可以將鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2這兩項指標(biāo)確定為孟津煤礦二1煤層采掘工作面的突出危險性預(yù)測指標(biāo)。生產(chǎn)實踐證明,該兩項指標(biāo)能夠滿足安全需要,避免敏感指標(biāo)相互交叉,有效減少防突工程量。