桑樹坪二號井3號煤層瓦斯敏感指標預測

李曉斌，劉 帥

(陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

二號井處于韓城礦區(qū)，韓城礦區(qū)是陜西唯一、也是全國瓦斯災害嚴重礦區(qū)之一，曾發(fā)生過有記載的煤與瓦斯突出150余次和突水及老采空區(qū)透水事故，并造成重大人員傷亡和財產損失。礦區(qū)骨干生產礦井桑樹坪二號井開采煤層均具有突出危險，其中主采3號煤層透氣性低，系嚴重中厚突出煤層，發(fā)生過各種類型的瓦斯動力現象，包括煤與瓦斯突出、壓出、傾出及瓦斯噴出等動力現象。

二號井設計按高瓦斯礦井設計，設計生產能力0.9 Mt/a；面積6.793 6 km2，開采3號煤層，于2012年經中煤科工集團重慶研究院鑒定為非突出煤層，但相鄰的桑樹坪煤礦3號煤層為嚴重突出煤層。北部毗鄰的棗莊煤礦在建設過程中相同標高范圍實測3號煤層瓦斯壓力達1.3 MPa，且軟分層厚度達1 m左右，在打鉆過程中鉆孔存在噴孔、夾鉆等動力現象。因此于2017年9月鑒定礦井3號煤層為突出煤層，礦井升級為突出礦井，自此礦井的所有生產管理按突出礦井管理。

在礦井升級為突出礦井后，按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第5條[1]，突出礦井在采掘過程中必須執(zhí)行局部綜合防突措施，其第1步即為突出危險性預測，方法主要有3種：鉆屑指標法、復合指標法、R值指標法[1]。由于3號煤層為嚴重突出煤層，并且在打鉆以及采掘過程中多次出現動力現象，為了探索哪一種方法能夠準確預測，礦井采用鉆屑指標法和復合指標法2種并行的辦法對三采區(qū)進行考察，最終確定一種切實可行并且能夠準確預測的方法。對二號井為期20個月的407次局部預測數據進行統計分析，以鉆屑指標法采用的3種指標、復合指標法采用的2種指標、是否發(fā)生動力現象為根本，探索最適合二號井3號煤層的預測方法。

對于敏感性指標的研究，國內外學者也已進行過很多研究，如王向軍[2]對大寧煤礦3號煤層采用的鉆屑指標法，通過分析鉆屑指標S、K1和Δh2，最終認為大寧煤礦3號煤層的突出預測指標K1對于突出預測更為準確；魏遠等[3]根據平溝礦16號煤層現場跟蹤實測數據，在模糊數學和統計分析理論的基礎上建立了預測指標敏感度函數，得出K1值最為敏感，Δh2相對比較敏感，而S則不敏感，確定選用K1作為預測指標，Δh2為輔助指標；陳建忠[4]通過對潘三礦C13-1煤層突出特征和跟蹤考察指標分析，確定了潘三礦C13-1煤層的敏感指標為鉆屑量S，其次為鉆孔瓦斯涌出初速度q；嚴磊等[5]對貴州省五輪山煤礦1807切眼煤與瓦斯突出預測指標敏感性進行研究，利用臨界值迫近度法對K1和Δh2指標的敏感性進行統計分析，確定了適合五輪山煤礦的主要預測指標為K1值，Δh2作為預測的輔助指標。

1 突出危險性預測方法介紹

突出危險性預測方法主要有3種，即鉆屑指標法、復合指標法和R值指標法，由于預測成本與敏感性問題，國內礦井大都以鉆屑指標法和復合指標法相應的指標作為礦井預測突出的敏感指標。二號井處于3號煤層的三采區(qū)亦采用鉆屑指標法和復合指標法并行的方式作為3號煤層突出的預測方法。

1.1 鉆屑指標法

鉆屑指標法是利用鉆孔最大鉆屑量Smax、鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2預測工作面突出危險性，是近幾年來推廣的一項新技術，主要適用于煤巷掘進、回采以及石門揭煤過程中工作面前方8～10 m的范圍內突出危險性的預測以及采取過防突措施以后的措施效果檢驗[6]。S為鉆孔每施工1 m孔口所排出的鉆屑重量，Smax則為鉆孔施工過程中數值最大的一次，鉆屑采用孔口接樣；K1和Δh2值的測定則分別采用WTC[7]和MD-2[8]在井下測定，并且鉆孔每鉆進2 m測定一次。對于Smax、K1和Δh2的臨界值在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第75條[1]中有明確規(guī)定，規(guī)定見表1。

表1 鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性的參考臨界值

在預測后，如果Smax、K1和Δh2均小于臨界值，并且未發(fā)現其他異常情況，則工作面無突出危險，否則有突出危險性。

1.2 復合指標法

復合指標法是利用鉆孔最大鉆屑量Smax，鉆孔瓦斯涌出初速度q預測工作面突出危險性，其能直接反映鉆孔瓦斯涌出量的大小[9]。其Smax的獲取方式與鉆屑指標法相同，q是利用TWY[10]獲取，鉆孔每鉆進1 m測定一次。雖然q值的獲取成本比較高而且難度大，但是利用TWY獲取的q值非常準確，對于煤礦突出預測非常具有參考性。對于Smax和q的臨界值在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第76條[1]中同樣有明確規(guī)定，規(guī)定見表2。

表2 復合指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性的參考臨界值

在預測后，如果Smax和q均小于臨界值，并且未發(fā)現其他異常情況，則工作面無突出危險，否則有突出危險性。

2 數據整理分析

為了找到能夠準確預測二號井3號煤層的突出指標、保證采掘過程的安全，從2016年10月至2018年6月，在掘進為三采區(qū)服務的3303切眼聯巷、3303-1#回風巷及3303-2#回風巷期間，一直采用鉆屑指標法和復合指標法并行的方式進行突出預測。

3條巷道在為期20個月的掘進過程中，3303切眼聯巷預測141次，有5次指標超限，并發(fā)生4次突出預兆；3303-1#回風巷預測148次，沒有指標超限，發(fā)生4次突出預兆；3303-2#回風巷預測121次，有5次指標超限，發(fā)生3次突出預兆；3條巷道一共預測410次，指標共超限10次，發(fā)生11次突出預兆。4種指標在超限情況下動力現象見表3。

表3 4種指標超限情況下動力現象

由表3可以看出，采用綜合指標法測得的Smax和q有一定的參考價值，而鉆屑指標法測得的K1和Δh2幾乎沒有任何參考價值，因為共發(fā)生的11次突出預兆，K1和Δh2都沒有體現。

表3中的數據一定程度上只能排除K1和Δh2對3號煤層突出的預測效果，并不能確定Smax和q能準確地預測3號煤層的突出，因此圖1將410次預測數據通過Origin[11-12]表示成圖像，研究分析4個指標的變化與是否發(fā)生動力現象之間的關系，從而得到能夠準確預測突出的敏感性指標，有動力現象則圖中Y軸為2，其他為1。

由圖1中Smax和動力現象狀態(tài)關系圖可以看出，發(fā)生的所有動力現象幾乎都聚集在Smax偏大的一側，因此可以得出Smax對于3號煤層的突出預測是較為敏感的一個指標；Δh2以及K1和動力現象狀態(tài)關系圖中，動力現象幾乎在K1和Δh2的每個階段都有發(fā)生，因此可以得出K1和Δh2對于3號煤層的突出預測不敏感，不能有效地預測3號煤層的突出；在q和動力現象狀態(tài)關系圖中，共發(fā)生的11次動力現象，在q變大的一側非常密集，因此可以得出q對于3號煤層的突出預測是敏感的一個指標。

圖1 3條巷道預測指標變化與動力現象狀態(tài)關系

3 結論

(1)桑樹坪二號井3號煤層的突出預測，鉆屑指標法中測得的K1和Δh2不能對3號煤層的突出做出有效預測，即K1和Δh2對于3號煤層的突出不敏感，建議采取復合指標法進行突出預測。

(2)復合指標法中測得的q能夠有效地預測3號煤層的突出，Smax一定程度上也可以預測3號煤層的突出，即q和Smax為3號煤層突出的敏感性指標，采取復合指標法作為3號煤層的突出預測方法，q為突出預測指標，Smax為突出預測輔助指標。