楊國梁,吳世躍,郭勇義,陳全秋

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.太原科技大學(xué),山西省太原市,030024)

★煤礦安全 ★

寺河煤礦鉆屑解吸指標(biāo)區(qū)域臨界值的確定

楊國梁1,吳世躍1,郭勇義2,陳全秋1

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.太原科技大學(xué),山西省太原市,030024)

根據(jù)礦區(qū)的瓦斯含量、軟煤層帶和煤的堅固性系數(shù)對寺河煤礦進(jìn)行區(qū)域劃分,然后通過實驗室方法,確定出適合該區(qū)域的鉆屑解吸指標(biāo)的實驗臨界值,即提高了臨界值的針對性,同時又縮短了確定現(xiàn)場突出預(yù)測臨界值的周期。

鉆屑解吸指標(biāo) 臨界值 區(qū)域預(yù)測 寺河礦

AbstractIn this paper,Sihe Coal Mine is divided into different regions on the basis of local gas contents,the rigidity coefficients of soft coal seams and coals.Then,by way of laboratory methods,appropriate test critical values of drill cutting desorption indices that best suit various local places are determined.This practice not only improves the critical values’relevance to the local places,but also shortens the time needed to determine on site the critical values for outburst prediction.

Key wordsdrill cutting desorption index,critical value,regional forecast,Sihe Coal Mine

寺河煤礦是一座設(shè)計總規(guī)模1100萬t/a的大型礦井,煤層由東向西方向埋藏深度逐漸增大,瓦斯含量7.67～16.6 m3/t,煤層瓦斯壓力0.29～2.12 MPa。礦井西翼煤層打鉆測定煤屑的解吸指標(biāo)值最高達(dá)2.2 ml/(min0.5·g)。現(xiàn)在全礦井采用鉆屑量S,鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) K1作為突出預(yù)測指標(biāo),其中取0.5 ml/(min0.5·g)作為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值。但是由于井田范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,并且存在軟煤帶,因此統(tǒng)一采用 0.5 ml/ (min0.5·g)作為臨界值是不科學(xué)的。鑒于對于一些實際臨界值高的區(qū)域,會人為的加大防突任務(wù),影響工程效率。相反對于一些實際臨界值低的區(qū)域,又會使現(xiàn)場突出預(yù)測失去意義,不能保證施工安全。因此應(yīng)對礦井區(qū)域進(jìn)行劃分,再分區(qū)域確定相應(yīng)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值。

1 區(qū)域劃分

在針對鉆屑解吸指標(biāo)進(jìn)行礦井區(qū)域劃分的時候,應(yīng)首先依據(jù)鉆屑解吸指標(biāo)的物理意義,確定出幾個劃分區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)。理論和實驗測試表明,鉆屑瓦斯累計擴散量與時間的關(guān)系有如下表達(dá)式:

式中:Vt——在任意時刻t時鉆屑累計擴散的瓦斯量,ml;

K1——反映煤屑擴散能力的實驗系數(shù),即鉆屑瓦斯解吸指標(biāo),0.5 ml/(min0.5·g)。

根據(jù)公式可以看出K1的物理意義是鉆屑暴露10 min內(nèi)以t0.5為變量的回歸分析得到的直線方程(1)的斜率,或者說是初始1 min內(nèi)累積的瓦斯擴散量。鉆屑解吸指標(biāo)反映了煤層中的瓦斯含量與破壞程度。它的大小與煤層瓦斯含量、煤的孔隙率、煤的破壞類型有直接的關(guān)系。同一礦井煤的孔隙率變化不大,因此孔隙率不能作為礦井區(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)之一。

寺河煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,瓦斯含量東西兩區(qū)變化大,且有軟煤帶存在。因此本文建議寺河煤礦以礦區(qū)的瓦斯含量、煤的堅固性系數(shù)突變?yōu)橹笜?biāo)進(jìn)行區(qū)域劃分。

根據(jù)現(xiàn)有資料,以斷層帶為界,斷層帶東部平均瓦斯含量 7.67 m3/t,堅固性系數(shù) 1.54～2.3 mm;西區(qū)平均瓦斯含量16.6 m3/t,堅固性系數(shù)2.17～2.73 mm。變化較為明顯。因此初步可將寺河煤礦劃分為東西兩大區(qū),下文將分別對寺河?xùn)|西兩區(qū)進(jìn)行初步確定針對寺河西區(qū)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值。

2 鉆屑解吸指標(biāo)臨界值確定

2.1 臨界值確定方法篩選

指標(biāo)臨界值現(xiàn)場考察方法主要有以下3種: (1)不首先設(shè)定實驗臨界值,在不采取任何防突措施的情況下,直接根據(jù)現(xiàn)場實際突出與不突出時測定值相比較直接確定。(2)選擇一個較低的臨界值,現(xiàn)場實驗摸索,實驗臨界值由低向高逐步調(diào)整,直到確定發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象的實際臨界值。(3)通過各種方法先確定一個比較接近真實臨界值的試驗臨界值,再通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行修正和適當(dāng)調(diào)整。第一種方法雖然簡單直觀,但是無法保證確定過程的安全。第二種方法可以保障施工安全,但是確定周期過長。第三種方法比較科學(xué),既保證了安全生產(chǎn),又有效的縮短了確定周期,可作為條件滿足的煤礦的首選方法。在第三種方法中,如何確定合適的試驗臨界值是最重要的一個環(huán)節(jié)。本文選擇通過實驗室方法,根據(jù)鉆屑解吸指標(biāo)與其它指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系,從而確定實驗臨界值的方法。

2.2 實驗原理

國內(nèi)北票、焦作、湖南、重慶等26個礦井始突深度的統(tǒng)計資料表明,發(fā)生突出的最小瓦斯壓力值與堅固性系數(shù)、揮發(fā)分存在如下關(guān)系:

式中:V——煤的揮發(fā)分,%;

fmin——最小堅固性系數(shù),mm;

Pmin——發(fā)生突出的最小瓦斯壓力,MPa。

通過實驗室方法可以確定突出煤層中的軟分層的揮發(fā)份和堅固性系數(shù),進(jìn)而可估算出發(fā)生突出的最小瓦斯壓力。

另因為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯壓力之間存在如下關(guān)系:

式中:K1——鉆屑瓦斯解吸指標(biāo),ml/(min0.5· g);

P——瓦斯壓力,MPa;

A,B——待定系數(shù),其中A>0,0

在實驗中,通過測量不同平衡壓力下對應(yīng)的K1值,然后對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得出待定系數(shù)A、B,再根據(jù)2式得出的引發(fā)突出的最小瓦斯壓力值,可以得出與其對應(yīng)的K1,即實驗臨界值。2.3 煤樣地點選取

由實驗原理可以看出,確定實驗臨界值的關(guān)鍵步驟在確定平衡瓦斯壓力與鉆屑解吸指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系的擬合曲線,該曲線與煤的堅固性系數(shù),實際煤層瓦斯壓力無關(guān),因此本文采用具有代表性的兩處突出點煤樣來進(jìn)行實驗,進(jìn)而得出平衡瓦斯壓力與鉆屑解吸指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系的擬合曲線。

2.4 實驗方法

(1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 49-1987(2005)和工業(yè)分析測得寺河?xùn)|、西區(qū)煤樣的堅固性系數(shù)及揮發(fā)份。

(2)采用鉆孔或煤壁采樣等方式對寺河煤礦兩處突出點分別采集一組新暴露煤樣,采樣方法按MT 38的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。將兩組煤樣編號為A、B。篩分出符合鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)儀粒徑要求的實驗煤樣進(jìn)行真空干燥。將每組干燥煤樣按5 g/份,分成5份,用于進(jìn)行不同平衡壓力下的鉆屑解吸指標(biāo)測量。

(3)將A,B組煤樣按照MT/T 641-1996規(guī)定,分別測量對應(yīng)0.5～2 MPa之間的5個不等壓力下的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值。

2.5 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 49-1987(2005)測得西區(qū)煤樣的堅固性系數(shù)及揮發(fā)分分別為2.17～2.73 mm,5.51%～9.5%。東區(qū)煤樣的堅固性系數(shù)及揮發(fā)分分別為1.54～2.3 mm,5.28%～7.77%。根據(jù)實驗測得平衡壓力與對應(yīng)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值如表1所示。

表1 平衡壓力與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)k1值測量值

將平衡壓力與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)擬合得到如圖2所示曲線。

圖1 瓦斯壓力與解吸指標(biāo)值擬合曲線

圖1中A、B組煤樣 K1與P關(guān)系擬合曲線的公式分別為:

兩條曲線的擬合公式均符合經(jīng)驗公式的常量要求,但在相同的壓力下B組曲線對應(yīng)的 K1值更小,而且B組擬合曲線決定系數(shù)高于A組。從臨界值的安全性與可靠性角度分析,B組更加適合用于判定 K1的臨界值。

根據(jù)試驗結(jié)果,寺河西區(qū)取 fmin=2.17 mm; V=5.51%,寺河?xùn)|區(qū)取 fmin=1.54 mm;V= 5.28%.則由式1可得出引起寺河西區(qū)突出的最小瓦斯壓力 Pmin=1.51 MPa,而寺河?xùn)|區(qū)為 Pmin= 1.19MPa;再由 K1與壓力的關(guān)系 (式5)可得西區(qū)突出預(yù)測的 K1臨界值可取為0.83 ml/(min0.5·g),東區(qū)為0.75 ml/(min0.5·g)。

3 實驗結(jié)果檢驗

3.1 臨界值可靠性優(yōu)化

在煤礦現(xiàn)場實際測試過程中,通常有預(yù)測突出率η1、預(yù)測突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率η3三個指標(biāo),作為評價煤與瓦斯突出臨界值是否合適的重要依據(jù)。3個評價指標(biāo)的意義分別為:

(1)預(yù)測突出率為預(yù)測有突出危險次數(shù)與預(yù)測總次數(shù)的比值。

(2)預(yù)測突出準(zhǔn)確率為預(yù)測有突出危險的情況中真正有突出危險的次數(shù) (其中包括實際發(fā)生了突出以及預(yù)測中有噴孔、煤炮頻繁及大面積片幫等嚴(yán)重突出征兆,采取措施后未發(fā)生突出的事件次數(shù))與預(yù)測中有突出危險的次數(shù)的比值。

(3)預(yù)測不突出準(zhǔn)確率為預(yù)測不突出次數(shù)中真正無突出危險的次數(shù)與預(yù)測不突出次數(shù)的比值。

利用這個方法確定臨界值的原則為在確保預(yù)測不突出準(zhǔn)確率達(dá)到100%的情況下,選擇突出預(yù)測準(zhǔn)確率最高時的突出參數(shù)臨界值作為煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)的臨界值。但是在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),由于煤與瓦斯突出的復(fù)雜性,確保預(yù)測不突出準(zhǔn)確率達(dá)到100%是不實際的。而且單項指標(biāo)的預(yù)測不突出準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上時,繼續(xù)降低臨界值,預(yù)測不突出準(zhǔn)確率變化不大。因此建議寺河煤礦在下一步現(xiàn)場調(diào)整突出預(yù)測臨界值的時候,應(yīng)該依實驗室確定的實驗臨界值作為指導(dǎo),根據(jù)現(xiàn)場實際測量,參照預(yù)測突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率η3兩個指標(biāo),綜合考慮各方面因素,進(jìn)行不斷的實驗優(yōu)化,調(diào)整臨界值的大小,最終找到適合該區(qū)域的臨界值。

3.2 效果對比

通過對寺河煤礦西區(qū)266次現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果為0.5≤K1≤0.83有23次;K1≥0.83有54次;K1≥0.5有77次。

統(tǒng)計結(jié)果顯示,對寺河西區(qū),通過實驗室方法先確定0.83作為試驗臨界值比直接采用0.5作為試驗臨界值減少了大約1/3的防突工作,占預(yù)測總數(shù)的9%,有效縮短了臨界值現(xiàn)場確定的周期,科學(xué)地減少了防突工作,提高了工程施工效率。

4 結(jié)論

根據(jù)寺河煤礦的煤的堅固性系數(shù)變化/軟煤層帶,瓦斯含量變化等因素將煤礦劃分出寺河?xùn)|、西兩大區(qū),通過實驗室方法測量鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) K1值與平衡壓力與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)擬合關(guān)系,參照寺河煤礦東西區(qū)的煤炭最小堅固性系數(shù)和揮發(fā)分分別得出適合寺河煤礦西區(qū)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) K1試驗臨界值為0.83 ml/(min0.5·g),東區(qū)為0.75 ml/ (min0.5·g)。然后進(jìn)行現(xiàn)場測量,以預(yù)測突出準(zhǔn)確率和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率為可靠性判定指標(biāo)進(jìn)行臨界值優(yōu)化。通過這樣的步驟進(jìn)行臨界值確定,能夠使寺河煤礦的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值的確定周期大大縮短,提高了臨界值優(yōu)化階段的工程效率,同時使鉆屑解吸指標(biāo)的臨界值有更強的針對性。

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(責(zé)任編輯 梁子榮)

Sihe Coal Mine drill cutting desorption indices:determination of the regional critical value

Yang Guoliang1,Wu Shiyue1,Guo Yongyi2,Chen Quanqiu1
(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China; 2.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

TD713

A

楊國梁(1986-),男,太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院安全工程系碩士研究生,研究方向為礦井瓦斯防治。