煤巷突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及臨界值的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法及應(yīng)用

蔣承林，俞啟香，張超杰

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

煤巷突出預(yù)測(cè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題是突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性和臨界值隨著煤層及其條件的改變而改變。因此，在生產(chǎn)中，直接選用《防突細(xì)則》規(guī)定的指標(biāo)很有可能碰上選用的指標(biāo)不敏感，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。目前確定預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)和臨界值的方法為“三率法”，即在煤巷掘進(jìn)期間預(yù)測(cè)50～100 次，每次同時(shí)測(cè)定多項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)，從測(cè)定結(jié)果中選出那些能夠同時(shí)滿足預(yù)測(cè)突出率低于30%、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率超過(guò)60%、預(yù)測(cè)不突出的準(zhǔn)確率為100%這3 個(gè)條件的指標(biāo)作為該煤層的敏感指標(biāo)[1-3]。此方法不足之處在于：一方面，突出率的大小與實(shí)際預(yù)測(cè)區(qū)域的突出危險(xiǎn)程度有關(guān)，這已經(jīng)被一些礦井的實(shí)際情況證實(shí)[4]，對(duì)此作出一個(gè)低于30%的限制依據(jù)不足；另一方面，在敏感指標(biāo)的測(cè)定和比較期間，掘進(jìn)工作面處于不設(shè)防狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)的工人容易遭受突出的威脅。盡管也有一些專家提出通過(guò)試驗(yàn)給出鉆屑解吸指標(biāo)K1值的參考臨界值[5]，但判別突出的指標(biāo)未經(jīng)過(guò)科學(xué)檢驗(yàn)，也未與其他指標(biāo)進(jìn)行敏感度對(duì)比。還有一些將工作面打鉆噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象定義為突出[6-7]，這與實(shí)際的突出是有差異的，容易將打鉆本身造成的現(xiàn)象歸類于突出。因此，研究實(shí)驗(yàn)室測(cè)定突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)新方法，不但能避開(kāi)突出的威脅，還可以給出更為客觀的敏感指標(biāo)及臨界值。

1 煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的原理

敏感指標(biāo)是指對(duì)礦井特定煤層進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，能明顯區(qū)分出突出危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)指標(biāo)[1]，這是定性的描述。預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)也可以用敏感度來(lái)定量描述，如在同一煤體內(nèi)充入高壓瓦斯和低壓瓦斯，2 種條件下分別測(cè)定各個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)，將高壓和低壓瓦斯條件下在煤體內(nèi)測(cè)定的預(yù)測(cè)指標(biāo)值相比，得到各自的敏感度，這個(gè)數(shù)值越高則表明該預(yù)測(cè)指標(biāo)越敏感。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤層突出敏感指標(biāo)的關(guān)鍵是在實(shí)驗(yàn)室模擬復(fù)制出原煤層的軟分層，決定原煤層是否突出的主要因素是工作面前方集中應(yīng)力帶或原始應(yīng)力帶中的軟分層，這里地應(yīng)力和瓦斯壓力變化不大。這些軟分層實(shí)際上是經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造搓揉后重新壓制成型的煤體。如果采集原煤樣，按照一定的要求壓制成型，并保證每次壓制的方法與步驟一致，再分別充入不同壓力的甲烷，即可構(gòu)成性質(zhì)與原煤層相同但突出危險(xiǎn)性不同的軟煤層，由此獲得的敏感指標(biāo)及臨界值就可以用于原煤層。

2 突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及臨界值的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定

2.1 煤樣的采集

新景煤礦位于陽(yáng)泉市西部，3#煤層位于山西組中部，煤層厚度平均2.26 m。根據(jù)重慶煤科院2016年9 月提交的《陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯賦存規(guī)律研究階段驗(yàn)收?qǐng)?bào)告》，新景煤礦3#煤層最大的瓦斯壓力為2.1 MPa，礦井巷道施工進(jìn)入煤層以來(lái)，3#煤層先后發(fā)生了3 次煤與瓦斯突出。

在3#煤層北九巷道新暴露的煤層中，剝?nèi)ケ砻婷后w，采集軟分層原煤樣200～300 g，密封處理后帶回實(shí)驗(yàn)室。然后又在軟分層中采集煤樣400～600 kg，用普通的煤樣袋裝運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

2.2 原煤樣的水分測(cè)定及視密度測(cè)定

煤的水分會(huì)對(duì)軟分層的吸附性能有一定的影響，軟煤層復(fù)制前必須對(duì)原煤樣的水分進(jìn)行測(cè)定。新景煤礦3#煤層原煤樣的水分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新景煤礦3#煤層原始煤樣的水分測(cè)定結(jié)果Table 1 Moisture determination results of Xinjing No.3 original coal samples

原始煤樣的視密度采用MDMDY-300 型全自動(dòng)密度儀進(jìn)行測(cè)試。在原煤樣中選取1 塊直徑大于10 mm 的軟煤，利用電子天平稱其質(zhì)量（精度0.001 g），采用液體石蠟密封煤樣的孔隙后引入氦氣測(cè)定煤樣體積，用煤樣質(zhì)量除以煤樣的體積，即得煤樣的視密度。3 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為1.363、1.359、1.357 t/m3，平均值為1.360 t/m3。

2.3 軟分層的成型壓力的確定

將原煤樣破碎成6 mm 以下，放入直徑42 mm煤樣罐中，利用液壓千斤頂對(duì)煤樣壓制，成型壓力分別設(shè)置為10、15、20、25、30、35、40、45、50 MPa。每次壓制穩(wěn)定30 min 后，從煤樣罐側(cè)面打開(kāi)堵頭，用橡膠開(kāi)孔器采集煤樣，放入全自動(dòng)密度儀測(cè)定型煤的視密度。成型壓力下煤樣視密度的測(cè)定裝置如圖1。松弛后煤樣視密度與成型壓力的關(guān)系如圖2。 當(dāng)成型壓力小于20 MPa 時(shí)，型煤視密度隨著壓力的增加快速增長(zhǎng)；當(dāng)成型壓力大于25 MPa后，型煤視密度幾乎不再增加。在成型壓力為32 MPa 時(shí)，成型煤視密度為1.36 t/m3，與新景煤礦的原煤樣的視密度相近，因此將新景煤礦3#煤層軟分層模擬復(fù)制的成型壓力確定為32 MPa[8]。

圖1 成型壓力下煤樣視密度的測(cè)定裝置Fig.1 The device for measuring the apparent density of a coal sample under the forming pressure

圖2 松弛后煤樣視密度與成型壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between apparent density of coal sample

2.4 軟分層的壓制

將400～600 kg 煤樣篩分到6 mm 以下，以保留煤的原微結(jié)構(gòu)。加入適量水將煤樣的水分補(bǔ)充至與原煤樣一致，在攪拌機(jī)中攪拌均勻后裝桶密封。預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖3，軟分層在平臺(tái)左邊的長(zhǎng)圓形缸體中進(jìn)行壓制。缸體內(nèi)腔長(zhǎng)1 120 mm，高330 mm，寬為220 mm，當(dāng)采用直徑42 mm的鉆桿打鉆后，在不發(fā)生噴孔的情況下，兩邊的煤體厚度約89 mm，大于破裂帶的半徑，打鉆后短時(shí)間內(nèi)瓦斯卸壓圈不至于擴(kuò)散到缸體邊緣[9]。

圖3 預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test platform for predictive sensitive indicators

為保證每次壓制的煤樣均勻一致，將試驗(yàn)煤樣分5 次加入長(zhǎng)圓形缸體，再推到壓力機(jī)下壓制，成型壓力為32 MPa，穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為30 min。長(zhǎng)圓形缸體的端頭用預(yù)制的水泥堵頭進(jìn)行密封。在第5 次壓制時(shí)，壓柱的下端加上密封圈，以保證測(cè)定過(guò)程不漏氣。壓制結(jié)束后用真空泵對(duì)軟分層抽真空12 h，然后用壓力機(jī)在煤體上施加圍壓（新景礦采樣點(diǎn)埋深為470 m，對(duì)應(yīng)的圍壓為11.75 MPa），向煤體內(nèi)充入低壓甲烷，吸附甲烷平衡時(shí)間為48 h，得到1 個(gè)突出危險(xiǎn)性較小的軟分層。重復(fù)壓制步驟，充入高壓瓦斯，則得到突出危險(xiǎn)性較大的軟分層。

2.5 煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的測(cè)定

在缸體的堵頭處連接上預(yù)測(cè)煤巷突出的“線預(yù)測(cè)”裝置（圖3 右側(cè)），在打鉆過(guò)程中1 次可測(cè)定4 項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)。打鉆開(kāi)始后，漏斗中的煤屑向下流出與鉆孔中出來(lái)的煤屑混合，充滿整個(gè)煤屑排出管，迫使瓦斯氣流沿著裝有流量傳感器的流量管排出，通過(guò)流量傳感器與數(shù)據(jù)采集器記錄鉆孔中涌出的瓦斯流量，從而計(jì)算出單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量Q；在流量管下方的取樣口定點(diǎn)采集煤樣，用于測(cè)定鉆屑解吸指標(biāo)K1值和△h2；打鉆過(guò)程中鉆桿進(jìn)入軟煤的深度為1 m，收集打鉆前后漏斗中和煤屑出口管處落下的煤屑，稱重后得到鉆屑量S。

鉆孔打完后，清除缸體內(nèi)的殘余煤樣，再重新壓制一次煤樣，按同樣的要求抽真空12 h 并施加上與待測(cè)煤層同樣的圍壓，但第2 次充入瓦斯的瓦斯壓力較高，吸附平衡48 h 后按同樣的方法和順序測(cè)定這4 項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)。新景煤礦3#煤層突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新景煤礦3#煤層突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感度測(cè)定結(jié)果Table 2 Measurement results of relative sensitivity of outburst prediction index of No.3 coal seam in Xinjing Coal Mine

2 次測(cè)定的同一指標(biāo)的比值即為該指標(biāo)的敏感度。從表2 可以看出，2 次模擬軟分層充入的瓦斯壓力分別為0.263、0.811 MPa，突出危險(xiǎn)性相差較大。但測(cè)定的煤屑解吸指標(biāo)△h2分別為162.56 Pa 和259.45 Pa，△h2指標(biāo)的敏感度為1.60；K1值的敏感度為1.72；最差的是鉆屑量S，敏感度僅為1.20，屬于非常不敏感的指標(biāo)。單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量Q的敏感度達(dá)到3.26，說(shuō)明單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量是最敏感的預(yù)測(cè)指標(biāo)。

2.6 煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)臨界值的測(cè)定

最敏感的預(yù)測(cè)指標(biāo)確定后，有2 種獲得敏感指標(biāo)臨界值的方法：

1）通過(guò)突出模擬試驗(yàn)。專用的突出模擬裝置缸體內(nèi)徑528 mm，內(nèi)高390 mm，突出口直徑達(dá)200 mm，突出模擬裝置如圖4。按同樣的方法壓制1 個(gè)厚度大于200 mm 的軟分層，抽真空并充入瓦斯，然后突然打開(kāi)橫梁，造成突然暴露的條件。判斷煤體發(fā)生突出的標(biāo)準(zhǔn)是橫梁打開(kāi)后，堵頭自行推出，垮落的煤量占總煤量的5%以上[10]。通過(guò)調(diào)整充入瓦斯的壓力，找到1 個(gè)最逼近突出的臨界瓦斯壓力值，再通過(guò)測(cè)試平臺(tái)向模擬煤體充入同樣高壓力的瓦斯，即可測(cè)出該敏感指標(biāo)的臨界值。

圖4 突出模擬裝置Fig.4 The device of simulating outburst

2）測(cè)定反映煤層突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)。在預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)測(cè)試平臺(tái)中測(cè)定各個(gè)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)后，采集煤樣后在同樣的瓦斯壓力和溫度下測(cè)定其初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)。初始釋放瓦斯膨脹能是一項(xiàng)準(zhǔn)確反映煤層突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)，試驗(yàn)證明，當(dāng)初始釋放瓦斯膨脹能大于等于42.98 mJ/g 時(shí)，煤層可能發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象[11]。確定新景煤礦3#煤層突出臨界值時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度會(huì)影響單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量的測(cè)定值，因此先按快速鉆進(jìn)的方式打鉆測(cè)了8次，測(cè)點(diǎn)圖標(biāo)為正方形，后面又按慢速鉆進(jìn)的方式測(cè)定了4 次，單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量與膨脹能之間的關(guān)系如圖5。

依據(jù)2 種鉆速測(cè)定的結(jié)果，推導(dǎo)出把任一鉆速時(shí)測(cè)得的單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量換算成快速鉆進(jìn)時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的計(jì)算公式：

式中：Lz為快速鉆進(jìn)時(shí)對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量，L/m；L 為任一鉆速時(shí)測(cè)定的單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量，L/m；t 為任一鉆速鉆進(jìn)1 m 鉆孔用的時(shí)長(zhǎng)，min。

快速鉆進(jìn)時(shí)測(cè)定的曲線與膨脹能42.98 mJ/g 的交點(diǎn)是47.60 L/m，表明在快速打鉆時(shí)單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量的突出臨界值就是47.60 L/m。將式（1）及快速鉆進(jìn)時(shí)的突出臨界值輸入到預(yù)測(cè)煤巷突出的“線預(yù)測(cè)”裝置的數(shù)據(jù)采集器，由采集器內(nèi)置的計(jì)算程序進(jìn)行換算和判斷后，即可以在新景煤礦的3#煤層進(jìn)行突出預(yù)測(cè)。

3 突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及臨界值的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作在新景煤礦3#煤層北九煤層巷道進(jìn)行，每個(gè)循環(huán)測(cè)定3 個(gè)鉆孔的瓦斯涌出量，每個(gè)鉆孔鉆進(jìn)深度10～12 m，可以獲得9～11 個(gè)單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，分別與47.60 L/m 對(duì)比。同時(shí)，每個(gè)循環(huán)還測(cè)定了3 個(gè)鉆屑解吸指標(biāo)值K1值和1 個(gè)鉆屑量指標(biāo)S，分別與規(guī)定的突出臨界值（0.5 mL/（g·min0.5）和6 kg）進(jìn)行比較。總共測(cè)定了50 個(gè)掘進(jìn)循環(huán)，每次預(yù)測(cè)結(jié)果中只要有1 個(gè)位置的指標(biāo)超標(biāo)，就預(yù)測(cè)為有突出危險(xiǎn)。但50 個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果中所有數(shù)據(jù)都低于臨界值，預(yù)報(bào)無(wú)突出危險(xiǎn)50 次，事后的掘進(jìn)中均未見(jiàn)到任何瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，共安全推進(jìn)巷道約500 m，實(shí)際無(wú)突出危險(xiǎn)50 次，預(yù)測(cè)無(wú)突出危險(xiǎn)的準(zhǔn)確率100%，這一結(jié)果說(shuō)明預(yù)測(cè)的結(jié)果符合該煤層的實(shí)際情況。新景煤礦北九巷道煤層突出預(yù)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)分布圖如圖6。

圖6 新景煤礦北九巷道煤層突出預(yù)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)分布圖Fig.6 Distribution diagram of coal seam outburst prediction index in north ninth roadway of Xinjing Coal Mine

將這段預(yù)測(cè)巷道中各項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)的最大測(cè)定值與最小值比較，可以看出，K1值的敏感度為1.63，鉆屑量為1.96。而單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量敏感度最大，達(dá)到5.81。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的情況說(shuō)明，單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量指標(biāo)在新景煤礦3#煤層是最敏感的，其測(cè)定的臨界值也是合適的。即經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)得到的最敏感指標(biāo)及臨界值在現(xiàn)場(chǎng)得到了驗(yàn)證，證明這種方法是有效的。

單位長(zhǎng)度鉆孔瓦斯涌出量預(yù)測(cè)指標(biāo)可以區(qū)分有突出危險(xiǎn)煤與無(wú)突出危險(xiǎn)煤的關(guān)鍵在于其反映了地應(yīng)力、瓦斯和煤體結(jié)構(gòu)3 大突出的主要因素，即在鉆孔過(guò)程中煤體暴露初期的涌出瓦斯量。鉆屑指標(biāo)法測(cè)量的瓦斯脫離了地應(yīng)力作用，測(cè)量時(shí)已暴露幾分鐘，鉆孔瓦斯涌出初速度測(cè)定的是停鉆后在地應(yīng)力作用下的瓦斯涌出，測(cè)定開(kāi)始前煤層已暴露一段時(shí)間。無(wú)論鉆屑還是鉆孔瓦斯涌出初速度，瓦斯涌出的特征是煤暴露初期最大，以后急劇減小。鉆屑解吸指標(biāo)和鉆孔瓦斯涌出初速度測(cè)定的瓦斯信息均是在煤體暴露幾分鐘以后的靜態(tài)數(shù)據(jù)，故其敏感度鈍化、測(cè)值降低。而單位長(zhǎng)度鉆孔的瓦斯涌出量是測(cè)定鉆孔過(guò)程中地應(yīng)力作用下暴露初期的鉆屑和鉆孔釋放的瓦斯量之和，故其敏感度要比其它預(yù)測(cè)指標(biāo)高得多。至于鉆屑量指標(biāo)，反映的主要是地應(yīng)力和煤體強(qiáng)度，反映瓦斯壓力的影響較少，故敏感度較差。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)壓制原煤層的軟分層煤樣，可以形成視密度和水分與原煤層軟分層一致的模擬軟分層，為突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定打下了基礎(chǔ)。

2）在充入低壓瓦斯和高壓瓦斯的模擬軟分層中打鉆測(cè)定各項(xiàng)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，得到各項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感度，通過(guò)比較可以優(yōu)選出原煤層的最敏感指標(biāo)。

3）在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)突出模擬或測(cè)定煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能，可以確定最敏感指標(biāo)的突出臨界值。

4）實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的模擬軟分層的敏感指標(biāo)及臨界值的方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證證明是可行的，可以直接用于煤巷突出預(yù)測(cè)，避開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)敏感指標(biāo)過(guò)程中突出的威脅。