煤巷掘進突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值研究

孫孌孌，王中華

(1.重慶能源工業(yè)技師學(xué)院, 重慶 400037； 2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司, 重慶 400037；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室, 重慶 400037)

隨著礦井開采深度的增加，煤與瓦斯突出危險性越來越嚴(yán)重[1-3]，突出災(zāi)害已成為嚴(yán)重威脅礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要問題之一。確定煤巷掘進工作面突出危險預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值是煤巷局部防突的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有確定方法主要根據(jù)現(xiàn)場考察確定[4-7]，其臨界值的合理性和精準(zhǔn)性有待商榷?；诖?，本文采用多種方法綜合確定煤巷掘進工作面突出危險預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值，保證敏感指標(biāo)及臨界值的準(zhǔn)確性。

1 試驗區(qū)概況

試驗地點為陜西某煤礦3#煤層21301工作面，3#煤層為煤與瓦斯突出煤層，該工作面采用走向長壁采煤法，綜采工藝，全部垮落法管理頂板。21301回風(fēng)順槽設(shè)計長度1 111 m，運輸順槽設(shè)計長度1 088 m. 3#煤層位于山西組下部，煤層厚度0.35～2.5 m，一般厚度為1.6～1.8 m，平均厚度1.6 m，工作面煤層呈北東東—南西西走向，傾角傾向北西，煤層傾角7°～10°，平均8.5°，單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。3#煤層頂板為2.5～2.7 m砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖及中粒砂巖。

試驗區(qū)3#煤層實測最大瓦斯壓力為1.26 MPa，實測最大瓦斯含量為9.8 m3/t，現(xiàn)場勘查煤的破壞類型為Ⅳ～Ⅴ類，實驗室測試煤的瓦斯放散初速度ΔP=14～24、煤的堅固性系數(shù)f=0.11～0.22.

2 研究方案

1) 總體方案。首先現(xiàn)場考察初步確定3#煤層煤巷掘進工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值，然后采用實驗室驗證和工程擴大驗證的方法，綜合確定3#煤層區(qū)域預(yù)測瓦斯含量臨界值。

2) 現(xiàn)場考察方案。每次循環(huán)進尺前在掘進工作面迎頭布置3個預(yù)測孔，孔深8～10 m，其中一個鉆孔位于巷道中部與掘進方向一致，另外兩個鉆孔終孔控制巷道兩幫輪廓線外2～4 m，鉆孔盡量布置在軟分層。指標(biāo)臨界值確定前暫按國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《防治煤與瓦斯突出細則》執(zhí)行：鉆屑量S0=6 kg/m、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K10=0.5 mL/(g·min1/2)、鉆孔瓦斯涌出初速度q0=5 L/min.

3 敏感指標(biāo)及臨界值研究

3.1 現(xiàn)場考察確定

經(jīng)統(tǒng)計3#煤層21301回風(fēng)順槽掘進工作面鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、鉆孔瓦斯涌出初速度q值，均考察了115次循環(huán)，巷道累計掘進進尺381 m，各參數(shù)考察結(jié)果分別見圖1，2，3.

圖1 鉆屑量Smax圖

由圖1可知，鉆屑量S值考察期間均大于參考臨界值的20%，指標(biāo)值能夠克服測定誤差影響，鉆屑量S具有敏感性。鉆屑量最大值Smax分布范圍為1.0～4.8 kg/m，主要集中在3～4 kg/m，經(jīng)計算占預(yù)測次數(shù)的80%. 現(xiàn)場考察期間發(fā)現(xiàn)，21301回風(fēng)順槽發(fā)生了1次噴孔現(xiàn)象，噴孔時鉆屑量最大值Smax為4.8 kg/m.

由圖2可知，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值考察期間均大于參考臨界值的20%，指標(biāo)值能夠克服測定誤差影響，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值K1 max分布范圍為0～0.48 mL/(g·min1/2)，指標(biāo)主要集中在0.3～0.4 mL/(g·min1/2)，經(jīng)計算占預(yù)測總次數(shù)的76%. 現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)21301回風(fēng)順槽發(fā)生了1次噴孔現(xiàn)象，噴孔時鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1 max為0.48 mL/(g·min1/2).

圖2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1max圖

由圖3可知，鉆孔瓦斯涌出初速度q值波動范圍較小，其數(shù)值主要集中1～2 L/mim，大多數(shù)明顯小于臨界值，指標(biāo)值不能夠克服測定誤差影響。鉆孔瓦斯涌出初速度qmax分布為0～4.0 L/mim，無超標(biāo)現(xiàn)象，指標(biāo)主要集中在1.0～2.0 L/mim，占預(yù)測總次數(shù)的90%.

圖3 鉆孔瓦斯涌出初速度qmax圖

經(jīng)上述分析，并考慮一定安全系數(shù)，21301回風(fēng)順槽掘進工作面鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性，初步確定臨界值為4.5 kg/m、0.45 mL/(g·min1/2)，鉆孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性。

3.2 實驗室驗證

為了確定K1值的敏感性及臨界值大小的準(zhǔn)確性，在3#煤層取2個煤樣進行瓦斯解吸特性K1-P關(guān)系測試，測試結(jié)果見圖4.

圖4 3#煤層煤樣解吸特性K1-P曲線圖

由圖4可知，3#煤層瓦斯解吸指標(biāo)K1隨瓦斯壓力P增加而增大，表明瓦斯解吸指標(biāo)K1具有一定的敏感性。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》，當(dāng)瓦斯壓力≥0.74 MPa時，預(yù)測煤層具有突出危險性。因此，根據(jù)實驗室測試的K1-P曲線，計算瓦斯壓力P=0.74 MPa時，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的大小，并與現(xiàn)場測試的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的臨界值進行比較，驗證鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的臨界值的準(zhǔn)確性。

由圖4可知，當(dāng)瓦斯壓力P=0.74 MPa時，帶入鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的計算公式K1=0.440 0P0.653 5、K1=0.662 3P0.611 9可得，K1=0.36 mL/(g·min1/2)、K1=0.55 (mL/g·min1/2)，平均值為0.45 mL/(g·min1/2)，現(xiàn)場實測初步確定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值K1=0.45 mL/(g·min1/2). 由此表明，現(xiàn)場實測與實驗室測試的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值大小基本一致。

3.3 現(xiàn)場擴大驗證

經(jīng)統(tǒng)計3#煤層302運輸順槽掘進工作面鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、鉆孔瓦斯涌出初速度q值，均考察了149次循環(huán)，巷道累計掘進距離547 m，考察結(jié)果分別見圖5，6，7.

圖5 鉆屑量Smax(擴大驗證)圖

由圖5可知，鉆屑量S考察期間均大于參考臨界值的20%，指標(biāo)值能夠克服測定誤差影響，鉆屑量S具有敏感性。鉆屑量最大值Smax分布范圍為1.0～5.2 kg/m，主要集中在3～4 kg/m，經(jīng)計算占預(yù)測次數(shù)的87%. 經(jīng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)302運輸順槽發(fā)生了2次噴孔現(xiàn)象，噴孔時屑量最大值Smax分別為4.6 kg/m、5.2 kg/m.

由圖6可知，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值考察期間均大于參考臨界值的20%，指標(biāo)值能夠克服測定誤差影響，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值K1 max分布為0～0.48 mL/(g·min1/2)，指標(biāo)主要集中在0.3～0.4 mL/(g·min1/2)，經(jīng)計算占預(yù)測總次數(shù)的53%. 經(jīng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)302運輸順槽發(fā)生了1次噴孔、夾鉆等瓦斯動力現(xiàn)象，噴孔時鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1max均為0.48 mL/(g·min1/2).

圖6 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1max(擴大驗證)圖

由圖7可知，鉆孔瓦斯涌出初速度q值波動范圍較小，其數(shù)值主要集中1～2 L/mim，大多數(shù)明顯小于臨界值，指標(biāo)值不能夠克服測定誤差影響，鉆孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性。鉆孔瓦斯涌出初速度qmax分布范圍為0～2.4 L/mim，無超標(biāo)現(xiàn)象，指標(biāo)主要集中在1.0～2.0 L/mim，占預(yù)測總次數(shù)的86%.

圖7 鉆孔瓦斯涌出初速度qmax(擴大驗證)圖

經(jīng)實驗室驗證和工程擴大驗證，21301回風(fēng)順槽掘進工作面鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性，其臨界值為4.5 kg/m、0.45 mL/(g·min1/2)，鉆孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性，是合理可靠的。

4 結(jié) 論

本文采用實驗室實驗、現(xiàn)場考察和工程擴大驗證的方法綜合確定了21301回風(fēng)順槽掘進工作面敏感指標(biāo)及臨界值，得出鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性，其臨界值分別為4.5 kg、0.45 mL/(g·min1/2)，鉆孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性，是合理可靠的。采用多種方法確定煤巷掘進工作面敏感指標(biāo)及臨界值對突出煤層煤巷掘進工作面預(yù)測具有一定的借鑒意義。