瓦斯為突出主導(dǎo)因素的煤層突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值考察

單大闊

(1.中煤科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

煤與瓦斯突出是一種形成原因較為復(fù)雜的煤礦瓦斯動力現(xiàn)象。目前研究人員認(rèn)為煤與瓦斯突出是由煤的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力與瓦斯綜合作用所導(dǎo)致的，不同地區(qū)、不同煤層煤與瓦斯突出的主導(dǎo)因素有所區(qū)別，各種因素的貢獻(xiàn)比重通常也不相同，用來反映突出三因素中的某一個或兩個因素在突出現(xiàn)象中貢獻(xiàn)比重的不同指標(biāo)，其預(yù)測突出危險的敏感性和臨界值也會有所不同。針對不同礦區(qū)，合理確定煤層突出危險性預(yù)測指標(biāo)及其臨界值，對指導(dǎo)礦井防突工作有著特殊的意義[1]。

1 突出危險性預(yù)測指標(biāo)及臨界值確定方法

羊東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采2號煤層，平均厚度6 m，井田范圍內(nèi)2號煤層瓦斯含量在8 m3/t以上。

羊東煤礦2號煤層較堅硬，其突出主導(dǎo)因素為瓦斯，其次為地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)生突出現(xiàn)象時的噸煤瓦斯涌出量大于30 m3/t。根據(jù)對突出預(yù)測指標(biāo)的研究成果和實驗條件，為避免盲目進(jìn)行考察研究，首先采集煤樣，考察煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的參考臨界值[2]；其次，記錄煤巷掘進(jìn)過程中煤層產(chǎn)狀變化、地質(zhì)構(gòu)造和作業(yè)過程中的夾鉆、頂鉆、噴孔、瓦斯異常涌出等瓦斯動力現(xiàn)象，跟蹤測定羊東煤礦2號煤層鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值、鉆孔瓦斯涌出初速度q和R值；再利用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析考察數(shù)據(jù)，最終確定2號煤層各預(yù)測指標(biāo)的敏感性及臨界值。

2 突出危險性預(yù)測指標(biāo)及臨界值考察

2.1 實驗室考察分析

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2是煤層瓦斯壓力與煤的破壞程度的綜合指標(biāo)，它的物理意義是10 g粒度為1～3 mm的煤屑，自煤屑暴露起第3～5 min這一時段內(nèi)釋放的瓦斯量。煤屑在實驗室模擬的井下環(huán)境中屬于近似等容等壓放散，充氣之后的煤屑由吸附飽和狀態(tài)突然與大氣連通釋放瓦斯3 min后，再向放散空間內(nèi)解吸2 min，利用MD-2型瓦斯解吸儀測試其Δh2[3]。

從羊東煤礦下41刮板輸送機(jī)道、下45運(yùn)料巷掘進(jìn)工作面采集2號煤層煤樣，分別在0.2～1.6 MPa之間5個不同壓力下充入瓦斯，吸附平衡48 h以上，煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2與瓦斯壓力P在不同壓力下的對應(yīng)關(guān)系見表1[4]。

表1 煤樣瓦斯解吸指標(biāo)△h2與吸附瓦斯壓力P實驗結(jié)果

綜合兩個煤樣數(shù)據(jù)，煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2與充氣瓦斯壓力P對應(yīng)關(guān)系作出曲線圖(圖1)。

圖1 煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2與充氣瓦斯壓力P關(guān)系曲線

線性擬合關(guān)系式為△h2=241.51P0.833，根據(jù)2號煤層具有突出危險的臨界瓦斯壓力P，可得出鉆屑解吸指標(biāo)△h2的臨界值。由于羊東煤礦無始突瓦斯壓力，因此參考相關(guān)規(guī)范，取煤層瓦斯壓力臨界值為0.74 MPa，計算可得2號煤層的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2實驗室參考臨界值為190 Pa(濕煤一般取干煤的80%，△h2=150 Pa)，以此為現(xiàn)場跟蹤考察期間的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 突出預(yù)測指標(biāo)現(xiàn)場跟蹤考察方法

結(jié)合羊東煤礦實際開拓情況，在8266工作面刮板輸送機(jī)道、8266工作面運(yùn)料巷、8269運(yùn)料巷、下8252設(shè)備眼等煤巷掘進(jìn)工作面迎頭煤壁施工4個D42 mm、孔深10 m的鉆孔，其中1號水平鉆孔沿掘進(jìn)方向施工于煤巷斷面中部，2～4號鉆孔的終孔點位于煤巷斷面兩幫及上部輪廓線外2～4 m處，各鉆孔優(yōu)先布置在2號煤層軟分層中，詳細(xì)記錄測量結(jié)果及鉆孔施工過程中的現(xiàn)象，鉆孔每鉆進(jìn)1 m測定該段全部鉆屑量S和瓦斯涌出初速度q，每鉆進(jìn)2 m測定1次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2，利用每個鉆孔測得的S值、q值的最大值計算各孔的R值。每一循環(huán)留有不小于2 m預(yù)測孔超前距，同時記錄煤層產(chǎn)狀變化、地質(zhì)構(gòu)造情況及作業(yè)過程中噴孔、響煤炮、頂鉆等瓦斯動力現(xiàn)象，各指標(biāo)測定鉆孔布置如圖2所示。

圖2 突出危險性預(yù)測指標(biāo)測定鉆孔布置情況

3 突出預(yù)測敏感指標(biāo)跟蹤考察及結(jié)果分析

3.1 羊東煤礦工作面突出危險性預(yù)測原則

2號煤層突出危險性預(yù)測臨界值在未實測之前，S值、q值、K1值和R值臨界值采用《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》提供的參考值，即S=6 kg/m、q=5.0 L/min、R=6，△h2值采用實驗室參考臨界值190 Pa。因并不是所有預(yù)測鉆孔都同時考察4個預(yù)測指標(biāo)，當(dāng)測定的預(yù)測指標(biāo)△h2<190 Pa、Smax<6 kg/m、q<5.0 L/min且R<6或△h2<190 Pa且Smax<6 kg/m時，預(yù)測該工作面無突出危險，掘進(jìn)時預(yù)留2 m超前距；當(dāng)預(yù)測指標(biāo)符合下列條件之一：△h2≥190 Pa、Smax≥6 kg/m、q≥5.0 L/min、R≥6或具有瓦斯動力現(xiàn)象，預(yù)測該工作面有突出危險[5]。

3.2 突出預(yù)測指標(biāo)敏感性分析

3.2.1 “三率法”

根據(jù)預(yù)測突出率η1、預(yù)測突出準(zhǔn)確率η1和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率η1，對突出預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定突出敏感指標(biāo)及其臨界值的方法稱為“三率法”。

η1=100nt/N

式中：nt為預(yù)測有突出危險次數(shù)，次；N為預(yù)測總次數(shù)，次。

η2=100nk/nt

式中：nk為預(yù)測有突出危險次數(shù)中，真正有突出危險的次數(shù)，次。

η3=100nA/nB

式中：nB為預(yù)測無突出危險次數(shù)，次；nA為預(yù)測無突出危險次數(shù)中果真無突出危險的次數(shù)，次。

3.2.2 “三率法”突出預(yù)測敏感指標(biāo)分析結(jié)果

根據(jù)從羊東煤礦2號煤層各采掘進(jìn)工作面測定的數(shù)據(jù)：Δh2值、S值各401組，分別超限143次、50次；q值、R值各42組，分別超限30次、15次。利用各指標(biāo)預(yù)測為有突出危險后，實際發(fā)生響煤炮、頂鉆、吸鉆等瓦斯動力現(xiàn)象的次數(shù)：Δh2值、S值各117次；q值、R值各0次，應(yīng)用“三率法”分析各指標(biāo)的敏感性，結(jié)果見表2。

表2 2號煤工作面預(yù)測及效檢指標(biāo)“三率法”綜合分析結(jié)果

由表2可知，2號煤層采掘工作面采用△h2值、S值、q值、R值四個指標(biāo)進(jìn)行突出預(yù)測，各指標(biāo)突出預(yù)測率別為10.5%、3.6%、71.4%和35.7%，預(yù)測突出準(zhǔn)確率分別為81.8%、100%、0和0，盡管q值和R值有較高的突出預(yù)測率，而預(yù)測突出準(zhǔn)確率卻很低，說明q值和R值存在較嚴(yán)重的誤報現(xiàn)象；四個指標(biāo)中S值預(yù)測不突出準(zhǔn)確率為93.1%，而△h2值、q值和R值的不突出準(zhǔn)確率可達(dá)100%，說明S值存在一定的漏報現(xiàn)象，這說明鉆屑解吸指標(biāo)△h2較S值、q值和R值更為敏感。

采用鉆孔瓦斯涌出初速度q進(jìn)行突出預(yù)測的42組數(shù)據(jù)中，q值超限30次，但煤體無任何瓦斯動力現(xiàn)象，且利用同一鉆孔測定的△h2和S值均小于臨界值，可以看出，用q值進(jìn)行工作面預(yù)測和效果檢驗時的誤報率較高。現(xiàn)場實際考察過程中q值忽大忽小，甚至同一預(yù)測地點的不同鉆孔測定值也相差很大，不存在規(guī)律性。其誤報率高的現(xiàn)象在于2號煤層開采前已采取了開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，煤層的透氣性有所提升，對于透氣性較好的煤層，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q的敏感性較差，不能識別已卸壓區(qū)域中煤層透氣性較好的無突出危險區(qū)。R值是由鉆孔中qmax計算得出，也存在同樣的弊端。因此，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q和R值指標(biāo)對于羊東煤礦2號煤層不敏感。

在考察期間，當(dāng)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值大于一定值后，鉆孔施工時會發(fā)生響煤炮、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象，而測定的大多數(shù)鉆屑量S值較小且變化不大。研究表明，當(dāng)突出以瓦斯因素為主導(dǎo)時，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值較為敏感；當(dāng)突出以地應(yīng)力因素為主導(dǎo)時，鉆屑量S值較為敏感，這正是羊東煤礦S值漏報的主要原因?？紤]到如遇到地質(zhì)構(gòu)造帶、煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等以地應(yīng)力為主導(dǎo)因素的突出，有可能造成鉆屑量S值超限，因此，為了增強(qiáng)預(yù)測突出準(zhǔn)確率，應(yīng)增加鉆屑量S值作為輔助指標(biāo)。綜合“三率法”分析結(jié)果，在2號煤層預(yù)測突出所使用的四個單項指標(biāo)之中，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值最為敏感，鉆屑量S值次之，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q值和R值誤報現(xiàn)象嚴(yán)重，可不采用。

3.3 突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定

3.3.1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2的臨界值

通過對各預(yù)測指標(biāo)的敏感性分析，認(rèn)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2在羊東煤礦2號煤層突出危險性預(yù)測中是敏感的，可以作為預(yù)測敏感指標(biāo)。取△h2的臨界值分別為180 Pa、190 Pa、200 Pa，用“三率法”進(jìn)行分析，比較結(jié)果如表3所示。

表3 “三率法”對△h2取不同臨界值時的比較結(jié)果

由表3可知，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2的臨界值為190 Pa時，預(yù)測突出率較低、預(yù)測突出準(zhǔn)確率和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率較高，根據(jù)實驗室測定結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)驗證，可以判斷鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2的臨界值取190 Pa是可靠的。

3.3.2 輔助指標(biāo)鉆屑量S的臨界值

鉆屑量S作為輔助指標(biāo)，能夠反映以地應(yīng)力為主導(dǎo)因素的異常區(qū)域，為保證在未受采動影響區(qū)域預(yù)測結(jié)果的可靠性，應(yīng)輔以測定該指標(biāo)作為參考，其臨界值參考《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，取6 kg/m。

4 結(jié) 語

通過實驗室測試分析和現(xiàn)場跟蹤考察，用數(shù)理統(tǒng)計法分析確定了羊東煤礦2號煤層采掘工作面的突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值，結(jié)論如下：

1) 突出敏感指標(biāo)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2，其臨界值為190 Pa；突出敏感輔助指標(biāo)為鉆屑量S，臨界值為6 kg/m。

2) 羊東煤礦2號煤層采取了開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施后，鉆孔瓦斯涌出初速度q值、R值預(yù)測發(fā)生誤報率高，不能作為預(yù)測2號煤層突出危險性的敏感指標(biāo)。