基于瓦斯地質(zhì)特征的多參量突出預(yù)警技術(shù)在新建煤礦的應(yīng)用

姚亞虎

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱“突出”)是煤礦井下嚴(yán)重的災(zāi)害之一，破壞性極大，突出發(fā)生時(shí)形成的沖擊波能夠摧毀巷道和通風(fēng)設(shè)施，拋出的煤巖會(huì)掩埋采掘設(shè)備和作業(yè)人員，涌出的大量瓦斯會(huì)造成人員窒息或引發(fā)瓦斯爆炸事故，因此，突出災(zāi)害是我國(guó)煤礦安全的重點(diǎn)防控對(duì)象。長(zhǎng)期的防突實(shí)踐表明，突出受瓦斯地質(zhì)條件控制[1-4]。從突出防治的角度出發(fā)，充分掌握開采范圍內(nèi)的瓦斯地質(zhì)環(huán)境，加強(qiáng)構(gòu)造影響區(qū)的預(yù)測(cè)預(yù)警是突出防治的重要技術(shù)措施。近年來(lái)，突出預(yù)警技術(shù)是煤炭行業(yè)研究的熱點(diǎn)，借助信息化手段和預(yù)警技術(shù)能夠有效提升礦井瓦斯地質(zhì)管控能力和突出危險(xiǎn)性預(yù)警水平。因此，分析瓦斯地質(zhì)因素對(duì)突出的影響，利用獲取的各類數(shù)據(jù)，研究突出的各影響因素及其臨界值，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行突出預(yù)警是十分必要的[5-6]。

新建煤礦是我國(guó)東北地區(qū)典型的突出礦井之一，其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層賦存極不穩(wěn)定，斷層構(gòu)造十分發(fā)育。復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致煤層瓦斯賦存極不均衡，局部區(qū)域煤層瓦斯富集現(xiàn)象嚴(yán)重，突出災(zāi)害防治難度較大。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者考察了新建煤礦瓦斯地質(zhì)因素與突出危險(xiǎn)的關(guān)系，從煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯3個(gè)方面構(gòu)建瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警指標(biāo)體系，建立基于瓦斯地質(zhì)特征的突出預(yù)警模型，設(shè)計(jì)開發(fā)瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)，旨在有效提升新建煤礦突出預(yù)警的效率和水平。

1 礦井概況

新建煤礦隸屬于黑龍江龍煤集團(tuán)，井田走向長(zhǎng)度10.9 km，傾向長(zhǎng)度4.5 km，井田面積49.2 km2，礦井生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a。礦井共有11層煤可采，煤層傾角2°～36°，煤層厚度0.6～1.3 m。目前有二采區(qū)、三采區(qū)和五采區(qū)共3個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，采用高檔普采、綜合機(jī)械化采煤工藝。

新建煤礦為突出礦井，2015年11月18日22時(shí)在三水平三采區(qū)回風(fēng)下山二片聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)發(fā)生1次突出，共突出煤巖100 t，涌出瓦斯超過(guò)2 400 m3。目前正在開采的87#、90#、91#、93#煤層原始瓦斯壓力均大于0.74 MPa，90#、91#煤層瓦斯壓力最高可達(dá) 3 MPa 以上；各煤層瓦斯含量為5～20 m3/t，平均為 13 m3/t；礦井開采期間揭露斷層375條，其中落差超過(guò)10 m的斷層多達(dá)30余條，大量星羅棋布的地質(zhì)構(gòu)造給礦井的安全生產(chǎn)造成極大風(fēng)險(xiǎn)。

2 瓦斯地質(zhì)特征預(yù)警指標(biāo)

影響突出的瓦斯地質(zhì)因素包括煤層瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存等[7-10]。首先，煤層瓦斯是突出發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源，瓦斯壓力和瓦斯含量是突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)；其次，地質(zhì)構(gòu)造破壞了煤體的整體性，使煤的承載能力下降，且容易造成構(gòu)造應(yīng)力集中或瓦斯富集，有利于突出發(fā)生，地質(zhì)構(gòu)造帶是突出的易發(fā)區(qū)域[11-12];第三，煤層賦存異常是突出的重要征兆，突出地點(diǎn)通常存在煤層厚度或傾角突變、軟分層增厚等現(xiàn)象[13-14]。

對(duì)新建煤礦近5年有記錄的136次噴孔、頂鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：有84次動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生地點(diǎn)存在煤層傾角或厚度變化，或有軟分層存在，占瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象總數(shù)的62%；109次發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造附近，占比達(dá)到80%。從煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯參數(shù)3個(gè)方面建立了瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警指標(biāo)體系框架，如圖1所示。

圖1 瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警指標(biāo)體系框架

2.1 煤層賦存指標(biāo)

煤層厚度變化、煤層傾角變化、軟分層厚度變化區(qū)域是突出易發(fā)地點(diǎn)[15]。根據(jù)新建煤礦突出與煤層賦存變化的關(guān)系，構(gòu)建了煤層厚度變化率η、煤層傾角變化率ω和軟分層厚度h3個(gè)指標(biāo)，來(lái)定量描述煤層賦存狀態(tài)的變化。

2.1.1 煤層厚度變化率

以煤層厚度變化率η表示相鄰2個(gè)防突預(yù)測(cè)循環(huán)煤層厚度變化的劇烈程度，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：η為煤層厚度變化率；M1、M2分別為實(shí)測(cè)的上、下循環(huán)煤層厚度，m。

為了確定煤層厚度變化率η的突出危險(xiǎn)判定閾值，對(duì)1304回風(fēng)巷210～525 m段、1515運(yùn)輸巷540～800 m段煤厚變化和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1進(jìn)行了跟蹤對(duì)比，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 1304回風(fēng)巷煤厚變化率η與K1值關(guān)系曲線

圖3 1515運(yùn)輸巷煤厚變化率η與K1值關(guān)系曲線

由圖2可以看出，K1值超限點(diǎn)有5個(gè)，坐標(biāo)分別為(240,0.58)、(255,0.82)、(270,0.63)、(330,0.75)、(360,0.71)，其對(duì)應(yīng)的煤層厚度變化率η分別為30%、28%、26%、32%、25%。由圖3可以看出，K1值超限點(diǎn)有4個(gè)，坐標(biāo)分別為(540,0.50)、(640,0.95)、(740,0.75)、(760,0.52)，對(duì)應(yīng)的煤層厚度變化率η分別為29%、34%、26%、28%。統(tǒng)計(jì)計(jì)算的2條巷道掘進(jìn)期間9個(gè)K1值超限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的煤層厚度變化率η的絕對(duì)值均在25%以上。因此，可將煤層厚度變化率η的臨界值確定為25%。

2.1.2 煤層傾角變化率

以煤層傾角變化率ω來(lái)表示相鄰2個(gè)防突預(yù)測(cè)循環(huán)的煤層傾角變化情況，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ω為煤層傾角變化率，(°)/m；θ1、θ2分別為實(shí)測(cè)的上、下循環(huán)煤層傾角，(°)；L為上、下循環(huán)間距，m。

通過(guò)公式(2)計(jì)算1301回風(fēng)巷40～240 m范圍內(nèi)每?jī)上噜徰h(huán)的煤層傾角變化率ω，并與對(duì)應(yīng)工作循環(huán)測(cè)得的K1值進(jìn)行對(duì)比，形成煤層傾角變化率ω與K1值的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 1301回風(fēng)巷煤層傾角變化率ω與K1值關(guān)系曲線

由圖4可以看出，在考察的200 m巷道中K1值出現(xiàn)了3次明顯的增大現(xiàn)象。K1值第一次出現(xiàn)明顯增大，前一工作循環(huán)煤層傾角變化率ω即出現(xiàn)了明顯增大，連續(xù)3個(gè)工作循環(huán)分別達(dá)到0.30°/m、0.32°/m、0.59°/m；同樣，K1值第二次出現(xiàn)明顯增大，前一工作循環(huán)煤層傾角變化率ω也出現(xiàn)了明顯增大，連續(xù)3個(gè)工作循環(huán)分別達(dá)到0.44°/m、0.32°/m、0.71°/m。上述2次K1值突變實(shí)例表明，K1值對(duì)煤層傾角變化率ω較為敏感，且傾角變化對(duì)K1值的影響是超前的，具有預(yù)警作用。2個(gè)實(shí)例中煤層傾角變化率ω的預(yù)警值最小為0.30°/m，因此，可將煤層傾角變化率ω的臨界值確定為0.30°/m。

2.1.3 軟分層厚度

通過(guò)跟蹤考察1303回風(fēng)巷距巷道開口50～300 m內(nèi)軟分層厚度變化情況，并與對(duì)應(yīng)工作循環(huán)的K1值進(jìn)行對(duì)比，得到的軟分層厚度h與K1值的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 1303回風(fēng)巷軟分層厚度h與K1值關(guān)系曲線

由圖5可以看出，1303回風(fēng)巷一般情況下無(wú)軟分層，在考察的250 m范圍內(nèi)，當(dāng)軟分層厚度h超過(guò)0.3 m時(shí)，K1值出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)軟分層消失后，K1值基本恢復(fù)到0.2 mL/(g·min1/2)左右。因此，將軟分層厚度h臨界值設(shè)定為0.3 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)

地質(zhì)構(gòu)造的形成及其演化過(guò)程為突出的發(fā)生創(chuàng)造了自然條件[16-18]。在同一構(gòu)造附近存在著應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，煤體的受力環(huán)境也表現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，進(jìn)而有利于瓦斯儲(chǔ)存或排放[19]。

根據(jù)新建煤礦近5年的突出事故和動(dòng)力現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)，80%的動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生在斷層附近，斷層是新建煤礦影響突出的主要地質(zhì)構(gòu)造類型。

2.2.1 斷層影響范圍的確定方法

以4102回風(fēng)巷掘進(jìn)期間揭露的落差為2 m的逆斷層為例，說(shuō)明斷層影響范圍的確定方法。4102回風(fēng)巷2 m落差逆斷層對(duì)鉆屑解吸指標(biāo)K1值影響的考察結(jié)果如圖6所示。

圖6 4102回風(fēng)巷2 m落差逆斷層影響范圍

由圖6可以看出，當(dāng)掘進(jìn)到距離斷層15 m位置時(shí)，K1值從0.24 mL/(g·min1/2)突然增大到0.59 mL/(g·min1/2)，突出危險(xiǎn)性明顯增大，通過(guò)斷層15 m時(shí)K1值從0.62 mL/(g·min1/2)降低到0.25 mL/(g·min1/2)。以K1值出現(xiàn)突變的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)為界，確定4102回風(fēng)巷2 m落差逆斷層的影響范圍為15 m。

2.2.2 斷層影響范圍的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)斷層影響范圍的確定方法，跟蹤考察了新建煤礦正在掘進(jìn)的5條巷道地質(zhì)構(gòu)造揭露情況和K1值變化情況，掘進(jìn)期間共揭露斷層16條，其中正斷層7條，逆斷層9條，落差H均在4 m以內(nèi)。按照斷層類型、落差進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 斷層影響范圍考察情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，落差H<2 m的正斷層、逆斷層最大影響范圍分別為12、14 m；落差H=2～3 m 的正斷層、逆斷層最大影響范圍均為18 m；落差H>3 m 的正斷層、逆斷層最大影響范圍分別為22、24 m。為使預(yù)警模型簡(jiǎn)單化，將正斷層、逆斷層影響范圍統(tǒng)一為同一標(biāo)準(zhǔn)，考慮一定的富余量，落差H<2 m、H=2～3 m、H>3 m的斷層影響范圍預(yù)警指標(biāo)臨界值分別確定為15、20、25 m。

2.3 瓦斯參數(shù)指標(biāo)

新建煤礦多年防突工作以瓦斯含量8 m3/t、瓦斯壓力0.74 MPa為預(yù)測(cè)指標(biāo)，因此，將瓦斯含量預(yù)警指標(biāo)臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力預(yù)警指標(biāo)臨界值確定為0.74 MPa。

3 基于瓦斯地質(zhì)特征的突出預(yù)警模型

3.1 預(yù)警模型

根據(jù)煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯參數(shù)中各預(yù)警指標(biāo)確定的臨界值，建立各指標(biāo)是否超限的判定規(guī)則，并根據(jù)專家知識(shí)，確定各判定規(guī)則的權(quán)重wi，所有判定規(guī)則的權(quán)重之和為1。將井下考察所獲取的各項(xiàng)參數(shù)與判定規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)滿足該條判定規(guī)則時(shí)，該指標(biāo)權(quán)重系數(shù)ki為1；否則，該指標(biāo)權(quán)重系數(shù)ki為0。具體判定規(guī)則的權(quán)重及其系數(shù)如表2所示。

表2 各類預(yù)警指標(biāo)權(quán)重及其系數(shù)

通過(guò)表2確定的各指標(biāo)權(quán)重及其系數(shù)，計(jì)算得出權(quán)重綜合值R，以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)警等級(jí)劃分。權(quán)重綜合值R計(jì)算公式如下：

(3)

3.2 預(yù)警結(jié)果等級(jí)判識(shí)

預(yù)警結(jié)果等級(jí)的判識(shí)規(guī)則，根據(jù)在新建煤礦跟蹤考察的各條巷道突出危險(xiǎn)性指標(biāo)及其超限情況結(jié)合專家知識(shí)確定，其劃分規(guī)則如表3所示。

表3 預(yù)警結(jié)果等級(jí)判識(shí)規(guī)則

4 瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于SuperMap平臺(tái)，采用C/S架構(gòu)，開發(fā)了瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)警分析服務(wù)、客戶端。

1)數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存儲(chǔ)每個(gè)循環(huán)測(cè)定的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)(煤層厚度、軟分層厚度、煤層傾角、K1值、瓦斯含量、瓦斯壓力等)、預(yù)警指標(biāo)臨界值、指標(biāo)的權(quán)重及其系數(shù)、預(yù)警結(jié)果等級(jí)判識(shí)規(guī)則等。

2)預(yù)警分析服務(wù)。主要包括預(yù)警指標(biāo)分析計(jì)算、預(yù)警權(quán)重綜合值分析、預(yù)警結(jié)果等級(jí)劃分與發(fā)布3個(gè)部分。預(yù)警指標(biāo)分析計(jì)算服務(wù)，根據(jù)上傳的井下測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算確定各類預(yù)警指標(biāo)數(shù)值；預(yù)警權(quán)重綜合值分析服務(wù)，根據(jù)各預(yù)警指標(biāo)超限情況計(jì)算預(yù)警權(quán)重綜合值；預(yù)警結(jié)果等級(jí)劃分與發(fā)布服務(wù)，負(fù)責(zé)按照預(yù)警結(jié)果等級(jí)判識(shí)規(guī)則自動(dòng)判定預(yù)警等級(jí)并發(fā)布預(yù)警結(jié)果。

3)客戶端。主要用于人機(jī)交互、數(shù)據(jù)錄入和查看預(yù)警結(jié)果。

4.2 主要功能

瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)的功能如圖7 所示。

圖7 瓦斯地質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1)礦圖管理。系統(tǒng)可對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、煤層傾角變化、瓦斯含量、瓦斯壓力等瓦斯地質(zhì)信息進(jìn)行圖形管理、瀏覽，并在圖上自動(dòng)顯示相應(yīng)的數(shù)值和圖標(biāo)，同時(shí)支持瓦斯地質(zhì)圖的生成、輸出和打印[20]。

2)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)設(shè)置有瓦斯參數(shù)管理、煤層賦存及煤體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)管理、工作面進(jìn)尺數(shù)據(jù)管理表單，用戶將井下測(cè)定數(shù)據(jù)錄入后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算各類指標(biāo)數(shù)值。

3)突出預(yù)警。系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)計(jì)算得出的各類預(yù)警指標(biāo)數(shù)值，按照預(yù)警模型進(jìn)行分析計(jì)算，以綠色、橙色、黃色3種狀態(tài)發(fā)布預(yù)警結(jié)果；能夠按照用戶的查詢條件，對(duì)各指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)、指標(biāo)超限情況、各工作循環(huán)預(yù)警綜合值、預(yù)警結(jié)果等級(jí)進(jìn)行查詢，如圖8所示。

圖8 新建煤礦13084反向掘進(jìn)巷道瓦斯地質(zhì)

5 應(yīng)用效果

13084反向掘進(jìn)巷道是新建煤礦一采區(qū)的重點(diǎn)防突巷道，在該巷道掘進(jìn)過(guò)程中每個(gè)防突預(yù)測(cè)循環(huán)均對(duì)煤層厚度、軟分層厚度、煤層傾角、斷層等進(jìn)行了跟蹤考察，詳細(xì)記錄并及時(shí)錄入至瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)。

2018年5月13日夜班，煤層厚度由1 m變?yōu)?.32 m，煤層傾角從0°增大到24°，瓦斯含量達(dá)到9.32 m3/t，瓦斯壓力達(dá)到1.16 MPa。該工作循環(huán)的間距為6 m，計(jì)算后4個(gè)預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)超限，該掘進(jìn)工作面停止掘進(jìn)，采取防突措施。上述考察數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出了預(yù)警權(quán)重綜合值為0.85，達(dá)到了“危險(xiǎn)”等級(jí)，發(fā)布了“危險(xiǎn)”預(yù)警，預(yù)警結(jié)果見圖9。經(jīng)分析原因，13084反向掘進(jìn)巷道進(jìn)入斷層F420影響范圍內(nèi)，該斷層為落差2.5 m的逆斷層，圖8中紅色陰影部分為預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)圈定的斷層20 m影響范圍，13084反向掘進(jìn)巷道在該班已進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域2.05 m。5月16日早班在工作面煤層中發(fā)現(xiàn)了矸石，工作面圍巖較為破碎，5月22日揭露F420斷層，預(yù)警系統(tǒng)提前10 d對(duì)F420斷層發(fā)布了準(zhǔn)確預(yù)警，對(duì)接近地質(zhì)構(gòu)造可能危險(xiǎn)區(qū)域邊界進(jìn)行了預(yù)警。

圖9 13084反向掘進(jìn)巷道預(yù)警結(jié)果

應(yīng)用結(jié)果表明，基于瓦斯地質(zhì)特征建立的突出預(yù)警系統(tǒng)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤影響突出的瓦斯地質(zhì)相關(guān)信息，通過(guò)多參量預(yù)警指標(biāo)的計(jì)算進(jìn)行突出危險(xiǎn)預(yù)警，提升了礦井防突預(yù)警效率和技術(shù)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析新建煤礦近5年的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象和防突數(shù)據(jù)，從煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯參數(shù) 3個(gè)方面建立了針對(duì)該礦的瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警指標(biāo)體系，包括煤層厚度變化率、軟分層厚度、煤層傾角變化率、斷層影響范圍、煤層瓦斯含量(或壓力)5個(gè)指標(biāo)。

2)分析了瓦斯地質(zhì)因素和煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值的關(guān)系，確定了煤層厚度變化率、煤層傾角變化率、軟分層厚度3個(gè)煤層賦存預(yù)警指標(biāo)的臨界值分別25%、0.3°/m、0.3 m，斷層影響范圍預(yù)警指標(biāo)分別為落差H<2 m時(shí)，15 m；落差H=2～3 m時(shí)，20 m；落差H>3 m時(shí)，25 m。

3)根據(jù)各類預(yù)警指標(biāo)臨界值判定規(guī)則，建立了瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警模型，開發(fā)了瓦斯地質(zhì)特征突出預(yù)警系統(tǒng)，并對(duì)新建煤礦斷層影響區(qū)突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)警。