張玉柱

(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)

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定：突出礦井應(yīng)當(dāng)針對(duì)各煤層的特點(diǎn)和條件試驗(yàn)確定工作面預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)和臨界值[1]。按照規(guī)定井巷揭煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法，煤巷采掘工作面突出預(yù)測(cè)一般采用鉆屑指標(biāo)法。目前大部分礦井按照上述工作面預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)一般鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)選取K1值，其臨界值采用規(guī)定參考值0.50 mL/(g·min1/2)[2]。工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值是綜合反映煤層瓦斯含量和卸壓初期瓦斯解吸速度大小的指標(biāo)，對(duì)于不同變質(zhì)程度煤層其瓦斯吸附解吸規(guī)律不同，導(dǎo)致不同煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值不同[3-4]。由于不同礦井的預(yù)測(cè)裝備、測(cè)試人員等外部條件不同，造成特定煤層不同礦井條件下工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值不同[5-6]。因此，針對(duì)不同礦井不同煤層研究確定其合理的工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值意義重大。

1 K1臨界值研究方法

由于工作面突出危險(xiǎn)性是一個(gè)臨界區(qū)間，為了方便礦井生產(chǎn)安全管理，需在臨界區(qū)間內(nèi)確定一個(gè)合理的臨界值。目前工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值的研究方法主要有：數(shù)率統(tǒng)計(jì)法、實(shí)驗(yàn)室建模試驗(yàn)法、數(shù)值仿真模擬法、現(xiàn)場(chǎng)考察分析法等[7-10]。筆者總結(jié)得出一種假設(shè)—考察—修正—確定遞進(jìn)式工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值的確定方法。

1)假設(shè)：即試驗(yàn)考察前確定一個(gè)合理的K1臨界初值，通過現(xiàn)場(chǎng)采取煤層代表性煤樣，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相關(guān)參數(shù)并建立關(guān)系模型，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》有關(guān)規(guī)定，從歷史資料定性分析和實(shí)驗(yàn)室理論公式定量計(jì)算兩個(gè)方面確定一個(gè)合理的K1臨界初值。

2)考察：即對(duì)假設(shè)確定的K1臨界初值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，通過分析研究煤層采掘工作面預(yù)測(cè)區(qū)域瓦斯賦存分布情況，確定采掘工作面考察區(qū)域并選取具有代表性的工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，在測(cè)定工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值的同時(shí)，同步記錄鉆孔施工過程中的突出預(yù)兆、瓦斯涌出、煤層賦存和構(gòu)造分布等情況。

3)修正：即依據(jù)考察階段記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)和情況，對(duì)假設(shè)確定的K1臨界初值進(jìn)行分析修正。

4)確定：即對(duì)修正后的K1臨界初值進(jìn)行擴(kuò)大應(yīng)用試驗(yàn)，采用多采面、長(zhǎng)周期驗(yàn)證K1臨界初值的準(zhǔn)確性和合理性，最終確定研究煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值和應(yīng)用條件。

2 合理臨界初值確定

2.1 根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)分析確定

中嶺一井3號(hào)煤層為煤與瓦斯突出煤層，發(fā)生過2次煤與瓦斯突出。3號(hào)煤層作為首采保護(hù)層先行開采，區(qū)域防突措施為預(yù)抽煤層瓦斯，區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)采用殘存瓦斯含量，其臨界值采用經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察確定的9 m3/t進(jìn)行評(píng)判；工作面預(yù)測(cè)采用鉆屑指標(biāo)法(K1，S)，其臨界值采用《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦的臨界參考值。

3號(hào)煤層掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)每循環(huán)按照規(guī)定在端頭向前方煤體施工3個(gè)鉆孔，孔深10 m，鉆孔每 2 m 測(cè)定一次K1值，選取每循環(huán)實(shí)測(cè)全部K1值中的最大值(K1max)作為該循環(huán)K1值。3號(hào)煤層回采工作面每循環(huán)按照規(guī)定沿傾向每隔12 m施工1個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，孔深10 m，鉆孔每2 m測(cè)定一次K1值，選取每循環(huán)實(shí)測(cè)全部K1值中的最大值(K1max)作為該循環(huán)K1值。通過查詢歷史工作面突出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，本次對(duì) 3號(hào)煤層采掘工作面共計(jì)300個(gè)循環(huán)K1max數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 3號(hào)煤層歷史工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)K1max值統(tǒng)計(jì)

煤與瓦斯突出概率與煤層突出危險(xiǎn)程度、工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)大小有關(guān)，即工作面突出概率隨著煤層突出危險(xiǎn)程度和工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)的增大而增大[11]。結(jié)合目前我國(guó)礦井生產(chǎn)條件及煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)技術(shù)、預(yù)測(cè)裝備、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)人員等因素的現(xiàn)狀，一般礦井工作面預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率可控制在20%～30 %[12]。

中嶺一井井田范圍內(nèi)構(gòu)造類型屬中等構(gòu)造，3號(hào)煤層總體賦存穩(wěn)定，煤層突出危險(xiǎn)性中等，綜合考慮礦井工作面預(yù)測(cè)技術(shù)、裝備及人員水平，3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率選取25%。根據(jù)上述歷史工作面預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，工作面預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率25%對(duì)應(yīng)的K1值為0.54 mL/(g·min1/2)。

2.2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室理論計(jì)算確定

大量煤與瓦斯突出事例表明，煤層瓦斯是煤與瓦斯突出發(fā)生的基礎(chǔ)，構(gòu)造煤是煤與瓦斯突出發(fā)生的必要條件[13-15]。因此，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》把煤層瓦斯壓力和煤層堅(jiān)固性系數(shù)作為判斷煤層突出危險(xiǎn)性的主要指標(biāo)。

相關(guān)研究表明，煤層突出臨界瓦斯壓力與煤層堅(jiān)固性系數(shù)f相關(guān)，煤層瓦斯壓力p與K1值之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[16-18]。《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第十一條規(guī)定：當(dāng)f≤0.3、p≥0.74 MPa，或者0.3

本次試驗(yàn)在3號(hào)煤層11034工作面和12033工作面區(qū)域采取了6份煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室煤層堅(jiān)固性系數(shù)f及對(duì)應(yīng)K1—p關(guān)系測(cè)試，由于3號(hào)煤層含 1～2層夾矸，6份煤樣包括煤層全層、上分層、中分層、下分層、軟分層煤樣。依據(jù)不同煤層堅(jiān)固性系數(shù)f測(cè)試結(jié)果及對(duì)應(yīng)的煤層瓦斯壓力臨界值，通過相應(yīng)的K1—p關(guān)系計(jì)算得出不同煤樣工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值，結(jié)果如表2所示。

表2 3號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)室K1指標(biāo)臨界初值計(jì)算結(jié)果

通過理論計(jì)算得出3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值分別為：0.78、0.70 、0.59、1.40、0.93、0.69 mL/(g·min1/2)，選取最小值0.59 mL/(g·min1/2)作為3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1的臨界初值。

2.3 臨界初值確定

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)分析，以及實(shí)驗(yàn)室理論計(jì)算得出3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值分別為0.59 mL/(g·min1/2)和0.54 mL/(g·min1/2)，選取較小的0.54 mL/(g·min1/2)作為3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1的現(xiàn)場(chǎng)考察的臨界初值。

3 臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察修正

3.1 現(xiàn)場(chǎng)考察區(qū)域選擇

選擇具有代表性的采掘工作面，由于其預(yù)測(cè)區(qū)域煤層瓦斯分布不均勻，因此現(xiàn)場(chǎng)考察前應(yīng)掌握采掘工作面預(yù)測(cè)區(qū)域的瓦斯賦存分布情況，盡量選在采掘工作面的高瓦斯區(qū)域。

1)掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)區(qū)域瓦斯賦存分布

煤巷條帶采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域措施。受巷道掘進(jìn)影響，巷道端頭前方應(yīng)力分布依次為應(yīng)力降低帶、應(yīng)力增高帶、原巖應(yīng)力帶[19-20]。應(yīng)力降低帶內(nèi)煤層透氣性增加，瓦斯大量釋放，突出危險(xiǎn)性減??；應(yīng)力增高帶內(nèi)，煤層透氣性降低，煤體瓦斯吸附能力增強(qiáng)，突出危險(xiǎn)性增大；原巖應(yīng)力帶內(nèi)，煤層瓦斯賦存不受影響，煤層保持原始突出危險(xiǎn)性[21]。因此，掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)考察時(shí)應(yīng)選取應(yīng)力增高帶內(nèi)的高瓦斯區(qū)域。為掌握3號(hào)煤層掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)區(qū)域瓦斯賦存分布情況，對(duì)11034運(yùn)輸巷和12033回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的預(yù)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其工作面預(yù)測(cè)每循環(huán)施工3個(gè)鉆孔，孔深均為10 m，鉆孔每隔2 m測(cè)定一次K1值，選取3個(gè)鉆孔2、4、6、8、10 m各位置處最大值K1max作為該循環(huán)該位置處的K1值。通過對(duì)11034運(yùn)輸巷和12033回風(fēng)巷所有歷史循環(huán)2、4、6、8、10 m位置處K1max值統(tǒng)計(jì)求平均值，其平均值分布如圖1所示。結(jié)果表明，掘進(jìn)工作面端頭前方10 m范圍內(nèi)8～10 m位置為高瓦斯區(qū)域。

圖1 掘進(jìn)工作面前方不同位置K1平均值分布

2)回采工作面預(yù)測(cè)區(qū)域瓦斯賦存分布

3號(hào)煤層回采工作面區(qū)域防突措施為順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，由于順層預(yù)抽鉆孔內(nèi)抽采負(fù)壓分布不均，導(dǎo)致工作面傾向煤層瓦斯賦存分布也不均勻。為掌握3號(hào)煤層回采工作面區(qū)域瓦斯賦存分布情況，對(duì)11033回采工作面突出預(yù)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。11033回采工作面預(yù)測(cè)鉆孔沿工作面傾向間距12 m，孔深均為10 m，鉆孔每隔2 m測(cè)定一次K1值，取每個(gè)鉆孔測(cè)定最大值K1max作為該鉆孔K1值。通過對(duì)11033回采工作面所有預(yù)測(cè)鉆孔歷史循環(huán)K1max值統(tǒng)計(jì)求平均值，其K1平均值分布如圖2所示。結(jié)果表明，回采工作面瓦斯賦存沿工作面傾向?qū)ΨQ分布，中間區(qū)域?yàn)楦咄咚箙^(qū)域。

圖2 11033回采工作面傾向不同位置K1平均值分布

綜上分析得出：掘進(jìn)工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察應(yīng)選取工作面端頭前方8～10 m區(qū)域；回采工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察應(yīng)選取工作面中間高瓦斯區(qū)域。

3.2 臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察

根據(jù)礦井采掘情況，3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察選擇在12033運(yùn)輸巷和11034回采工作面進(jìn)行，根據(jù)工作面瓦斯地質(zhì)說明書，工作面待考察區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定。依據(jù)3號(hào)煤層采掘工作面瓦斯賦存分布規(guī)律，在掘進(jìn)工作面每循環(huán)選取 3個(gè)預(yù)測(cè)考察鉆孔8 m和10 m位置測(cè)定的最大值K1max進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，回采工作面每循環(huán)選取工作面傾向中間3個(gè)預(yù)測(cè)考察鉆孔測(cè)定的最大值K1max進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同步記錄鉆孔施工過程中異常情況和煤層賦存情況。工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值現(xiàn)場(chǎng)考察共跟蹤40個(gè)循環(huán)，測(cè)定了40組K1max值。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：考察區(qū)域3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，構(gòu)造不發(fā)育；30組K1max值小于0.54 mL/(g·min1/2)，全部預(yù)測(cè)鉆孔施工期間未出現(xiàn)突出預(yù)兆現(xiàn)象，采掘期間瓦斯涌出正常；10組K1max值大于等于0.54 mL/(g·min1/2)，其中出現(xiàn)1次噴孔現(xiàn)象(K1max=0.59 mL/(g·min1/2))，出現(xiàn)2次卡鉆現(xiàn)象(K1max=0.56、0.57 mL/(g·min1/2))，出現(xiàn)1次頂鉆現(xiàn)象(K1max=0.57 mL/(g·min1/2))。

3.3 臨界初值修正

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，當(dāng)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1小于0.56 mL/(g·min1/2)時(shí)，鉆孔施工期間未出現(xiàn)突出預(yù)兆現(xiàn)象，采掘期間瓦斯涌出正常；當(dāng)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1大于等于0.56 mL/(g·min1/2)時(shí)，鉆孔施工期間出現(xiàn)噴孔、卡鉆和頂鉆突出預(yù)兆。依據(jù)考察結(jié)果和安全管理需要，修正3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值為0.55 mL/(g·min1/2)。

4 擴(kuò)大應(yīng)用試驗(yàn)

針對(duì)修正確定的工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界初值0.55 mL/(g·min1/2)進(jìn)行了長(zhǎng)周期、全礦井?dāng)U大應(yīng)用試驗(yàn)，擴(kuò)大應(yīng)用地點(diǎn)涉及3號(hào)煤層揭煤工作面和采掘工作面，擴(kuò)大應(yīng)用地點(diǎn)均勻分布于一井3號(hào)煤層目前已開拓的11采區(qū)和12采區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)開展擴(kuò)大應(yīng)用長(zhǎng)達(dá)6個(gè)多月，跟蹤應(yīng)用了125個(gè)循環(huán)，測(cè)定記錄了125組工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值及鉆孔施工、瓦斯涌出等情況。擴(kuò)大應(yīng)用結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明：3號(hào)煤層賦存正常區(qū)域，選取0.55 mL/(g·min1/2)作為工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值符合礦井目前工作面預(yù)測(cè)條件；3號(hào)煤層賦存異常區(qū)域由于影響因素多且主控因素不確定，工作面突出危險(xiǎn)性無法預(yù)測(cè)，導(dǎo)致工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值0.55 mL/(g·min1/2)不適用。

依據(jù)礦井采掘工程平面圖、地勘資料和相關(guān)瓦斯參數(shù)分析表明，3號(hào)煤層目前已開拓區(qū)域總體屬于一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。因此，3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值為0.55 mL/(g·min1/2)，該值適用于目前已開拓區(qū)域的煤層賦存正常區(qū)域。

5 結(jié)語

運(yùn)用總結(jié)的假設(shè)—考察—修正—確定遞進(jìn)式工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值確定方法，對(duì)中嶺一井 3號(hào)煤層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察，確定了3號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值為0.55 mL/(g·min1/2)，以及其應(yīng)用條件，驗(yàn)證了研究方法的可行性，為工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)K1臨界值確定提供了參考。