滴道盛和煤礦鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值確定及指標(biāo)優(yōu)選

和樹(shù)棟

(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)

0 引言

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》明確指出突出礦井落實(shí)并嚴(yán)格執(zhí)行區(qū)域與局部相結(jié)合的兩個(gè)“四位一體”的防突措施是保障礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)通常是在區(qū)域瓦斯地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)瓦斯參數(shù)測(cè)定的方式保障礦井新水平、新采區(qū)的部署。局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是在工作面推進(jìn)過(guò)程中開(kāi)展實(shí)施的安全保障措施，是作為瓦斯治理效果的驗(yàn)證與補(bǔ)充手段[1-3]。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定對(duì)礦井生產(chǎn)影響較小，加之其測(cè)定時(shí)間短、測(cè)定工作量小、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高而被推廣應(yīng)用。由于我國(guó)礦區(qū)分布廣、煤體差異大等造成了此類指標(biāo)臨界值的不同。在進(jìn)行鉆屑瓦斯解析指標(biāo)選取與臨界值確定時(shí)，樣本數(shù)據(jù)容量及真實(shí)性決定了指標(biāo)的可靠性，一定程度上也導(dǎo)致了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)普適性、準(zhǔn)確性降低[4-6]。為此，本文以雞西滴道盛和煤礦東采28#煤為例，通過(guò)首先對(duì)煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相結(jié)合的方式得到了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值；最后通過(guò)在井下對(duì)指標(biāo)的實(shí)地跟蹤考察，對(duì)比了不同指標(biāo)應(yīng)用的敏感程度，分析了指標(biāo)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)優(yōu)選。

1 煤樣解析特征實(shí)驗(yàn)研究

1.1 鉆屑瓦斯解析指標(biāo)

滴道盛和煤礦所采用的鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值是由突出參數(shù)測(cè)定儀在煤礦井下實(shí)際測(cè)定而來(lái)，該儀器原理是通過(guò)單位重量煤樣在固定容積煤樣桶里進(jìn)行解吸，解吸氣體產(chǎn)生壓力進(jìn)而反算瓦斯解吸量Q，其物理意義指的是單位質(zhì)量煤樣在暴露1min內(nèi)的瓦斯解吸量與損失量之和[7]，由公式1定義：

(1)

K1值是反映煤體瓦斯初期解吸程度的指標(biāo)，主要由煤體內(nèi)瓦斯的自身特性決定，與煤體所處的應(yīng)力環(huán)境無(wú)關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2是由鉆屑瓦斯解析儀測(cè)定而來(lái)，使用該儀器自煤樣暴露之初，選取一定粒徑尺度的鉆屑煤樣10g放入儀器內(nèi)，記錄第4～5min時(shí)間段內(nèi)解析儀U型管的水柱壓差[8-9]。結(jié)合U型管尺寸系數(shù)，得到解吸量Q4-5與Δh2的換算關(guān)系為

Q4-5=0.008 3Δh2/m

(2)

1.2 煤樣解析特征實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采取滴道盛和煤礦東采28#煤層煤樣開(kāi)展煤樣的解析特征實(shí)驗(yàn)研究，得到煤樣初期解吸量Q1、Q4-5與平衡瓦斯壓力的關(guān)系，從而為后續(xù)解析指標(biāo)臨界值的確定奠定基礎(chǔ)。

1)煤樣制備及測(cè)定。選取滴道盛和煤礦28#煤層?xùn)|采左15路塊狀煤樣，井下密封包裝，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)破碎、篩分選取1～3mm的煤為試驗(yàn)煤樣。首先稱取一定重量的煤樣裝入實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)進(jìn)行脫氣處理，然后充入純度為99.9%的甲烷至壓力表數(shù)值穩(wěn)定，即煤樣的吸附平衡狀態(tài)，最后煤樣進(jìn)行自由脫附，連續(xù)觀測(cè)記錄120min內(nèi)煤樣的瓦斯解吸量[7-8]。

2)瓦斯解吸特征分析。以記錄得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合累計(jì)解吸量與時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示，實(shí)驗(yàn)不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的瓦斯解吸量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同時(shí)段下解吸量數(shù)據(jù)

圖1 不同吸附平衡壓力條件下累計(jì)解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取的煤樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)可得出如下規(guī)律：①在吸附平衡壓力固定不變時(shí)，煤樣的累計(jì)解吸量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，到達(dá)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的末端時(shí)解析總量則基本保持不變，整個(gè)過(guò)程中解吸曲線的斜率逐漸減小，進(jìn)而表明解吸速率在逐漸衰減；②煤樣的解吸總量由吸附平衡壓力決定的，壓力越大則煤樣吸附貯存的瓦斯量越大，解吸釋放的瓦斯量也就越大，這與煤礦現(xiàn)場(chǎng)的表征是一致的；③初期階段煤樣解吸量Q1占解吸總量的比重均大于15%，解吸量Q3則占到了解吸總量的30%左右，為此用其作為描述煤樣暴露初期的解吸特征在突出預(yù)測(cè)過(guò)程中具有一定的代表性。

通過(guò)對(duì)滴道盛和煤礦東采28#煤層煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到不同吸附平衡壓力下的Q1和Q4-5如圖2所示，兩者與吸附平衡壓力符合正相關(guān)的乘冪函數(shù)關(guān)系，即Q=aPb。

圖2 解吸量Q1、Q4-5與吸附平衡壓力關(guān)系曲線

2 指標(biāo)臨界值的確定

指標(biāo)在實(shí)際防突應(yīng)用過(guò)程中，煤層原始瓦斯壓力與實(shí)驗(yàn)室條件下的吸附平衡壓力是相通的。煤層的最小突出壓力可以通過(guò)瓦斯地質(zhì)分析的方法，或者現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)公式等其他驗(yàn)證有效的方法來(lái)確定，再結(jié)合前述實(shí)驗(yàn)分析得到的吸附平衡壓力與解吸量的關(guān)系，進(jìn)而反算得到解吸指標(biāo)臨界值。

參照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》給出的瓦斯壓力、瓦斯含量指導(dǎo)臨界值[9-10]，結(jié)合28#煤層實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的瓦斯基本參數(shù)，利用間接法計(jì)算出東采28#煤層的臨界條件下的瓦斯壓力、瓦斯含量(表2)。

表2 東采28#煤層瓦斯參數(shù)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，煤層突出壓力最小值pmin與煤的堅(jiān)固性系數(shù)f存在關(guān)系[11]：pmin=2.79×f+0.39。俞啟香也通過(guò)對(duì)數(shù)十個(gè)突出礦井煤層統(tǒng)計(jì)資料分析[12-13]，得出了揮發(fā)分V和f的關(guān)系pmin=0.5+0.085Vf。將滴道盛和煤礦東采28#煤層堅(jiān)固性系數(shù)f(0.46)、揮發(fā)分V(22.64%)代入突出壓力最小值經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到東采28#煤層始突最小瓦斯壓力分別為1.67 MPa和1.39 MPa，對(duì)應(yīng)的瓦斯含量為8.65 m3/t和7.80 m3/t。此外，通過(guò)收集滴道盛和煤礦28#煤層井下動(dòng)力現(xiàn)象位置及瓦斯壓力數(shù)據(jù)，井下動(dòng)力現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)下的瓦斯壓力分布在1.45～2.12 MPa之間。

分析上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)東采28#煤層突出瓦斯壓力理論計(jì)算最小值和井下動(dòng)力現(xiàn)象位置點(diǎn)的壓力值均大于0.74 MPa，瓦斯含量則與8 m3/t相近。從現(xiàn)場(chǎng)施工安全層面考慮，將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比得到的瓦斯壓力1.39 MPa作為臨界突出壓力，將其代入圖2中公式反算求得東采28#煤層解吸指標(biāo)K1臨界值為0.21 mL/(g·min0.5)，Δh2臨界值為128Pa。

3 指標(biāo)優(yōu)選及效果考察分析

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察地點(diǎn)選取為滴道盛和煤礦東采28#煤層左15路工作面，該工作面在2019年6月14日至8月23日期間掘進(jìn)過(guò)程中揭露斷層一處。左15路工作面在此期間實(shí)測(cè)的解吸指標(biāo)K1、Δh2結(jié)果如圖3所示。

圖3 左15路掘進(jìn)過(guò)程K1、Δh2實(shí)測(cè)值

滴道盛和煤礦東采28#煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，同時(shí)伴有相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。從東采28#煤層左15路工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)的鉆屑解析指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)看，K1值在0.14 mL/(g·min0.5)上下波動(dòng)，Δh2處在76～146 Pa，鉆屑量處在3.7～6.3 kg。在7月22日東采左15路掘進(jìn)至距巷口710m時(shí)，受一斷層影響，Δh2、S出現(xiàn)了最大值，而此時(shí)K1波動(dòng)并不明顯，Δh2則出現(xiàn)了146 Pa的最大值；現(xiàn)場(chǎng)在采取施工排放孔等局部措施后，實(shí)測(cè)指標(biāo)均出現(xiàn)顯著降低，巷道順利掘進(jìn)通過(guò)該地質(zhì)構(gòu)造段。

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：由于K1值考察臨界值只有0.21 mL/(g·min0.5)，臨界值相對(duì)較小，且測(cè)定數(shù)據(jù)容易受到儀器自身誤差的影響，導(dǎo)致在實(shí)際預(yù)測(cè)突出過(guò)程中波動(dòng)不明顯，敏感性也不如Δh2、S。在后續(xù)的日常預(yù)測(cè)過(guò)程中，使用Δh2、S的組合對(duì)突出預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，能夠較好的保障生產(chǎn)安全，避免潛在的突出隱患。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室解吸特征研究，定性與定量分析得到了吸附平衡壓力與瓦斯解吸量、解吸速率的關(guān)系，煤樣初期解吸量作為描述解析特征甚至是用于突出預(yù)測(cè)具有代表性；綜合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，將滴道盛和煤礦東采28#煤層瓦斯壓力1.39MPa作為臨界突出壓力，進(jìn)而得到鉆屑解析指標(biāo)K1臨界值為0.21 mL/(g·min0.5)，Δh2臨界值為128 Pa；現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)指標(biāo)的敏感性進(jìn)行了跟蹤考察，使用Δh2、S的組合對(duì)突出預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，能夠較好的保障生產(chǎn)安全。