工作面突出危險性預(yù)測指標K1臨界值研究

張玉柱

(1.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； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定：突出礦井應(yīng)當針對各煤層的特點和條件試驗確定工作面預(yù)測的敏感指標和臨界值[1]。按照規(guī)定井巷揭煤工作面突出危險性預(yù)測采用鉆屑瓦斯解吸指標法，煤巷采掘工作面突出預(yù)測一般采用鉆屑指標法。目前大部分礦井按照上述工作面預(yù)測方法進行預(yù)測時一般鉆屑瓦斯解吸指標選取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)測指標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，對于不同變質(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K1臨界值不同[3-4]。由于不同礦井的預(yù)測裝備、測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)測指標K1臨界值不同[5-6]。因此，針對不同礦井不同煤層研究確定其合理的工作面預(yù)測指標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性是一個臨界區(qū)間，為了方便礦井生產(chǎn)安全管理，需在臨界區(qū)間內(nèi)確定一個合理的臨界值。目前工作面預(yù)測指標K1臨界值的研究方法主要有：數(shù)率統(tǒng)計法、實驗室建模試驗法、數(shù)值仿真模擬法、現(xiàn)場考察分析法等[7-10]。筆者總結(jié)得出一種假設(shè)—考察—修正—確定遞進式工作面突出危險性預(yù)測指標K1臨界值的確定方法。

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

2)考察：即對假設(shè)確定的K1臨界初值進行現(xiàn)場考察，通過分析研究煤層采掘工作面預(yù)測區(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行現(xiàn)場考察，在測定工作面預(yù)測指標K1值的同時，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，對假設(shè)確定的K1臨界初值進行分析修正。

4)確定：即對修正后的K1臨界初值進行擴大應(yīng)用試驗，采用多采面、長周期驗證K1臨界初值的準確性和合理性，最終確定研究煤層工作面預(yù)測指標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)計分析確定

中嶺一井3號煤層為煤與瓦斯突出煤層，發(fā)生過2次煤與瓦斯突出。3號煤層作為首采保護層先行開采，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指標采用殘存瓦斯含量，其臨界值采用經(jīng)現(xiàn)場試驗考察確定的9 m3/t進行評判；工作面預(yù)測采用鉆屑指標法(K1，S)，其臨界值采用《防治煤與瓦斯突出細則》推薦的臨界參考值。

3號煤層掘進工作面預(yù)測每循環(huán)按照規(guī)定在端頭向前方煤體施工3個鉆孔，孔深10 m，鉆孔每 2 m 測定一次K1值，選取每循環(huán)實測全部K1值中的最大值(K1max)作為該循環(huán)K1值。3號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個預(yù)測鉆孔，孔深10 m，鉆孔每2 m測定一次K1值，選取每循環(huán)實測全部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)測數(shù)據(jù)，本次對 3號煤層采掘工作面共計300個循環(huán)K1max數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 3號煤層歷史工作面突出預(yù)測指標K1max值統(tǒng)計

煤與瓦斯突出概率與煤層突出危險程度、工作面預(yù)測指標大小有關(guān)，即工作面突出概率隨著煤層突出危險程度和工作面預(yù)測指標的增大而增大[11]。結(jié)合目前我國礦井生產(chǎn)條件及煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)、預(yù)測裝備、現(xiàn)場預(yù)測人員等因素的現(xiàn)狀，一般礦井工作面預(yù)測突出危險率可控制在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號煤層總體賦存穩(wěn)定，煤層突出危險性中等，綜合考慮礦井工作面預(yù)測技術(shù)、裝備及人員水平，3號煤層工作面預(yù)測突出危險率選取25%。根據(jù)上述歷史工作面預(yù)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，工作面預(yù)測突出危險率25%對應(yīng)的K1值為0.54 mL/(g·min1/2)。

2.2 根據(jù)實驗室理論計算確定

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則》把煤層瓦斯壓力和煤層堅固性系數(shù)作為判斷煤層突出危險性的主要指標。

相關(guān)研究表明，煤層突出臨界瓦斯壓力與煤層堅固性系數(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則》第十一條規(guī)定：當f≤0.3、p≥0.74 MPa，或者0.3

本次試驗在3號煤層11034工作面和12033工作面區(qū)域采取了6份煤樣進行實驗室煤層堅固性系數(shù)f及對應(yīng)K1—p關(guān)系測試，由于3號煤層含 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)不同煤層堅固性系數(shù)f測試結(jié)果及對應(yīng)的煤層瓦斯壓力臨界值，通過相應(yīng)的K1—p關(guān)系計算得出不同煤樣工作面預(yù)測指標K1臨界初值，結(jié)果如表2所示。

表2 3號煤層實驗室K1指標臨界初值計算結(jié)果

通過理論計算得出3號煤層工作面預(yù)測指標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號煤層工作面預(yù)測指標K1的臨界初值。

2.3 臨界初值確定

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計分析，以及實驗室理論計算得出3號煤層工作面預(yù)測指標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號煤層工作面預(yù)測指標K1的現(xiàn)場考察的臨界初值。

3 臨界初值現(xiàn)場考察修正

3.1 現(xiàn)場考察區(qū)域選擇

選擇具有代表性的采掘工作面，由于其預(yù)測區(qū)域煤層瓦斯分布不均勻，因此現(xiàn)場考察前應(yīng)掌握采掘工作面預(yù)測區(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)掘進工作面預(yù)測區(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，突出危險性增大；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性[21]。因此，掘進工作面預(yù)測考察時應(yīng)選取應(yīng)力增高帶內(nèi)的高瓦斯區(qū)域。為掌握3號煤層掘進工作面預(yù)測區(qū)域瓦斯賦存分布情況，對11034運輸巷和12033回風巷掘進工作面的預(yù)測歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其工作面預(yù)測每循環(huán)施工3個鉆孔，孔深均為10 m，鉆孔每隔2 m測定一次K1值，選取3個鉆孔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11034運輸巷和12033回風巷所有歷史循環(huán)2、4、6、8、10 m位置處K1max值統(tǒng)計求平均值，其平均值分布如圖1所示。結(jié)果表明，掘進工作面端頭前方10 m范圍內(nèi)8～10 m位置為高瓦斯區(qū)域。

圖1 掘進工作面前方不同位置K1平均值分布

2)回采工作面預(yù)測區(qū)域瓦斯賦存分布

3號煤層回采工作面區(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號煤層回采工作面區(qū)域瓦斯賦存分布情況，對11033回采工作面突出預(yù)測歷史數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。11033回采工作面預(yù)測鉆孔沿工作面傾向間距12 m，孔深均為10 m，鉆孔每隔2 m測定一次K1值，取每個鉆孔測定最大值K1max作為該鉆孔K1值。通過對11033回采工作面所有預(yù)測鉆孔歷史循環(huán)K1max值統(tǒng)計求平均值，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)域為高瓦斯區(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：掘進工作面突出預(yù)測指標K1臨界初值現(xiàn)場考察應(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)測指標K1臨界初值現(xiàn)場考察應(yīng)選取工作面中間高瓦斯區(qū)域。

3.2 臨界初值現(xiàn)場考察

根據(jù)礦井采掘情況，3號煤層工作面預(yù)測指標K1臨界初值現(xiàn)場考察選擇在12033運輸巷和11034回采工作面進行，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號煤層采掘工作面瓦斯賦存分布規(guī)律，在掘進工作面每循環(huán)選取 3個預(yù)測考察鉆孔8 m和10 m位置測定的最大值K1max進行統(tǒng)計分析，回采工作面每循環(huán)選取工作面傾向中間3個預(yù)測考察鉆孔測定的最大值K1max進行統(tǒng)計分析，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)測指標K1臨界初值現(xiàn)場考察共跟蹤40個循環(huán)，測定了40組K1max值。

統(tǒng)計結(jié)果表明：考察區(qū)域3號煤層賦存穩(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)場考察結(jié)果，當工作面預(yù)測指標K1小于0.56 mL/(g·min1/2)時，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；當工作面預(yù)測指標K1大于等于0.56 mL/(g·min1/2)時，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號煤層工作面預(yù)測指標K1臨界初值為0.55 mL/(g·min1/2)。

4 擴大應(yīng)用試驗

針對修正確定的工作面預(yù)測指標K1臨界初值0.55 mL/(g·min1/2)進行了長周期、全礦井擴大應(yīng)用試驗，擴大應(yīng)用地點涉及3號煤層揭煤工作面和采掘工作面，擴大應(yīng)用地點均勻分布于一井3號煤層目前已開拓的11采區(qū)和12采區(qū)?，F(xiàn)場開展擴大應(yīng)用長達6個多月，跟蹤應(yīng)用了125個循環(huán)，測定記錄了125組工作面預(yù)測指標K1值及鉆孔施工、瓦斯涌出等情況。擴大應(yīng)用結(jié)果統(tǒng)計表明：3號煤層賦存正常區(qū)域，選取0.55 mL/(g·min1/2)作為工作面預(yù)測指標K1臨界值符合礦井目前工作面預(yù)測條件；3號煤層賦存異常區(qū)域由于影響因素多且主控因素不確定，工作面突出危險性無法預(yù)測，導(dǎo)致工作面預(yù)測指標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號煤層目前已開拓區(qū)域總體屬于一個瓦斯地質(zhì)單元。因此，3號煤層工作面預(yù)測指標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

運用總結(jié)的假設(shè)—考察—修正—確定遞進式工作面預(yù)測指標K1臨界值確定方法，對中嶺一井 3號煤層進行了現(xiàn)場試驗考察，確定了3號煤層工作面預(yù)測指標K1臨界值為0.55 mL/(g·min1/2)，以及其應(yīng)用條件，驗證了研究方法的可行性，為工作面預(yù)測指標K1臨界值確定提供了參考。