曲 方 張 龍 李迎業(yè) 李忠群

（1.中國計量學院質(zhì)量與安全工程學院，浙江省杭州市，310018；2.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西省長治市，046025）

鉆屑指標變化規(guī)律及其在突出預測中的應用

曲 方1張 龍1李迎業(yè)2李忠群2

（1.中國計量學院質(zhì)量與安全工程學院，浙江省杭州市，310018；2.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西省長治市，046025）

對鉆屑指標的原理進行了分析，重點研究鉆屑量S和瓦斯解吸指標K1值在實際突出預測中的應用，探尋其在鉆孔中的變化規(guī)律，并提出測定過程中減少誤差的措施與方法。

煤與瓦斯突出 鉆屑量 鉆屑解吸指標

在對煤礦瓦斯突出進行研究的一個多世紀中，各國研究者經(jīng)過長期不懈的努力，提出了各種突出預測方法，較為成熟的有鉆孔瓦斯涌出初速度法、綜合指標法、R值指標法和鉆屑指標法等。鉆孔瓦斯涌出初速度法主要用于煤巷掘進工作面和回采工作面突出危險性的預測，但對透氣性較大的煤層，該指標敏感性差；綜合指標法主要用于突出煤層的區(qū)域預測和石門揭煤工作面突出危險性預測，但不同礦區(qū)提出的綜合指標形式差別較大；R值指標法主要用于預測煤巷掘進工作面的突出危險性，R值是一個綜合指標，反映了工作面的應力狀態(tài)、煤的物理力學性質(zhì)、瓦斯含量及煤的透氣性等決定突出危險性的主要因素。目前，國內(nèi)外使用較為普遍的是鉆屑指標法，其中鉆屑解吸指標和鉆屑量是兩個重要參數(shù)。本文就鉆屑指標的一些問題進行討論，希望對礦井的突出防治工作有所參考和借鑒。

1 鉆屑指標理論分析

1.1 鉆屑量

鉆孔排出的鉆屑量來自鉆孔本身煤體和鉆孔周邊變形煤體。鉆孔本身煤體的鉆屑量只與鉆孔直徑有關，而鉆孔周邊變形量則與鉆孔直徑、煤的強度、煤體承受的地應力和煤中的瓦斯壓力等有關。因此，在鉆孔直徑一定的條件下，鉆孔周邊變形量綜合反映了煤的強度、煤體承受的地應力和煤體中的瓦斯壓力，鉆屑量的變化也就在一定程度上反映了煤體突出危險性的大小。

研究表明，鉆屑量由鉆孔實體煤芯鉆屑量S0，孔壁周圍破碎帶內(nèi)煤體擴容所形成的附加煤屑量Sp，鉆孔彈性變形所形成的附加煤屑量Se1，彈性區(qū)與破碎帶交界處由于彈性卸載產(chǎn)生的附加煤屑Se2共4部分組成。

極限煤屑量是煤體－圍巖力學系統(tǒng)達到極限平衡的條件，即突出鉆屑量指標的臨界值。而煤體力學性質(zhì)對鉆屑量的大小有顯著影響。煤體具有一般彈塑性軟化模型的力學特性，鉆屑量隨著地應力的增大而增大，該指標對以地應力為主導因素的突出預測較為敏感；但對異常松軟煤層在堅硬頂?shù)装鍔A持作用下出現(xiàn)整體靜態(tài)疲勞破壞而產(chǎn)生屈服作用，呈現(xiàn)顯著的流變力學性質(zhì)，并且由于在鉆孔施工過程中煤層幾乎不產(chǎn)生彈性變形附加煤屑量，也就不存在上述彈性變形和擴容產(chǎn)生的附加鉆屑量了，因而該指標在異常松軟煤層為不敏感指標。進一步的研究表明：對煤的堅固性系數(shù)f＞0.3的突出煤層，地應力對鉆屑量影響較小，此時鉆屑量大小不能反映地應力大小，預測精度比較低；對f＜0.3的突出煤層，用鉆屑量進行煤層突出危險性預測效果比較好；對f＝0.25的突出煤層，瓦斯壓力對鉆屑量的影響隨地應力的增大而增大。因此，鉆屑量對地應力作為主要動力的突出預測是一項比較敏感的指標，對煤體強度較小的突出危險煤層來說，地應力對鉆屑量的影響非常明顯，但對異常松軟的煤層，該指標就不敏感。

1.2 鉆屑解吸指標K1

鉆屑瓦斯解吸指標K1系煤樣瓦斯解吸特征系數(shù)。根據(jù)煤屑瓦斯解吸理論，K1的物理意義是煤樣從煤體采落暴露最初1min時間內(nèi)的瓦斯解吸量。K1值越大，表明煤的瓦斯含量大，破壞類型高，且瓦斯解吸速度快，因而煤的突出危險性就越大。K1值大小主要與鉆屑的物理力學性質(zhì)、鉆屑瓦斯壓力大小有關。因此，K1值預測突出的敏感性能主要取決于煤的物理力學性質(zhì)和煤中的瓦斯壓力。K1值對以瓦斯為主的突出危險煤層可進行較為有效的預測，但對以地應力為主的壓出、傾出型動力現(xiàn)象預測敏感性則較差。

1.3 鉆屑指標法

如前所述，鉆屑量指標能綜合反映煤層地應力、瓦斯和煤質(zhì)3個因素的預測指標。對煤體強度較小的突出煤層來說，地應力對鉆屑量的影響非常顯著。而鉆屑瓦斯解吸指標K1能夠較好地反映煤的吸附瓦斯的能力和可解吸瓦斯含量的大小，同時也能反映煤的破壞程度，它與地應力無直接的聯(lián)系，對以瓦斯為主的突出危險的煤層較為敏感。因此，鉆屑解吸指標K1和鉆屑量能夠完全反映誘發(fā)礦井突出的主控因素，將上述兩項指標相結(jié)合的鉆屑指標法可以對以地應力和瓦斯為主的突出危險煤層進行準確的預測。

2 鉆屑解吸指標K1及鉆屑量變化規(guī)律分析

2.1 指標測定方法

為了解礦井突出的有關參數(shù)及其變化情況，并探尋鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S在鉆孔中的變化規(guī)律，以對掘進工作面突出危險性進行全面研究。本文試驗選取在某礦7607運輸巷右16＃和右17＃右側(cè)鉆場附近布置專用測定鉆孔，對鉆孔鉆屑瓦斯解吸指數(shù)K1以及每米鉆屑量S進行了現(xiàn)場測定。該處距離七六架空人車巷大約1000～1100m，鉆孔開口位置埋藏深度約為570m，鉆孔長度在20 m左右。鉆孔設備采用石家莊中煤裝備制造有限公司生產(chǎn)的ZQS－65／2.5手持式氣動鉆機，干式鉆進，螺旋鉆桿自動排渣，鉆孔直徑?42mm。該鉆機額定轉(zhuǎn)矩不小于65N·m，額定轉(zhuǎn)速不小于380r／min，最大輸出功率不小于2.5kW。鉆屑瓦斯突出參數(shù)K1及S采用重慶煤炭科學院生產(chǎn)的WTC瓦斯突出參數(shù)測定儀進行測試。在測定過程中，每鉆進1m鉆孔收集全部鉆屑并稱重；每鉆進1m測量1次K1值，用1～3mm的篩子篩煤粉，并保證在2min內(nèi)將煤粉樣裝在煤樣罐中進行測定。

2.2 鉆屑指標K1隨孔深的變化規(guī)律

本次測定鉆孔布置在已經(jīng)開掘好的巷道壁面上，鉆孔所選位置無地質(zhì)構(gòu)造帶，因此測得的K1和S不受構(gòu)造應力的影響。在7607運輸巷共施工鉆孔4個，根據(jù)測定得到的有關數(shù)據(jù)，做出了鉆屑瓦斯解吸指標K1隨孔深的變化曲線，見圖1。

圖1 鉆屑瓦斯解吸指標K1隨鉆孔深度變化規(guī)律

從4個鉆孔的數(shù)值看出，在鉆孔全長范圍內(nèi)，鉆屑瓦斯解吸指標K1并非隨鉆孔深度的加深而增大，而是呈現(xiàn)出波浪式的起伏，具有較大的離散性?？傮w上看，從開孔到20m范圍內(nèi)，具有逐漸增大上升的趨勢，從20m以后開始下降。在5～7 m、11～13m和19m附近出現(xiàn)3個不同的峰值。4個鉆孔中K1最大值為0.63，最小值為0.01，數(shù)值分為3個區(qū)域：0.01～0.2、0.2～0.4和0.4～0.6，其中在0.4～0.6的數(shù)值范圍內(nèi)，其鉆孔深度大多數(shù)在17m以上。

由于巷道煤壁已經(jīng)暴露了一段時間，煤壁瓦斯釋放了較長時間，因此靠近壁面附近大約3～4m的K1值偏小，超過該深度以后K1值呈現(xiàn)增大的趨勢。當鉆孔深度超過17m以后，K1大多在0.4～0.6，其后的大多數(shù)超過了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》建議的臨界值0.5。

采掘工作面煤層開挖以后，靠近工作面煤壁的瓦斯壓力從原始瓦斯壓力降至大氣壓力，在瓦斯壓力梯度的作用下，煤層所含瓦斯由近及遠涌向工作面自由空間，通常認為在工作面暴露的初期，瓦斯的這種滲流是非穩(wěn)定流動。從煤壁到其深部，瓦斯壓力及其含量將隨著時間降低。經(jīng)過一定時間以后，煤體中的瓦斯壓力和瓦斯含量將趨于一個相對的穩(wěn)定值，此時煤層內(nèi)的瓦斯?jié)B流處于穩(wěn)定流狀態(tài)。圖2給出了某礦的實測曲線，從中可以看出：在煤壁暴露初期，瓦斯流動參數(shù)變化比較劇烈，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，當煤壁暴露150d后，瓦斯流場基本上趨于穩(wěn)定流場。對于具體的煤層，其穩(wěn)定時間和離煤壁的距離與所采煤層的煤質(zhì)和巷道尺寸等因素有關，但其總的變化趨勢則是一致的，通常距離煤壁20m左右的瓦斯參數(shù)基本能夠反映其原始值。

圖2 煤層瓦斯含量隨時間變化規(guī)律

由于該礦尚未發(fā)生過煤與瓦斯突出，掘進中動力現(xiàn)象也不明顯，根據(jù)上述瓦斯流動的理論分析，并結(jié)合實際測定數(shù)據(jù)整理結(jié)果，綜合分析認為：該煤層鉆屑瓦斯解吸指數(shù)K1在埋藏深度約為570m的原始值在0.4～0.6之間，大部分值超過了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》建議的0.5的規(guī)定；考慮到在正常掘進的工作面，還有超前支撐壓力的疊加影響，其K1值應該比原始值更高。因此，在該處及其以下深度進行采掘工作時，有發(fā)生突出的可能性，須引起高度重視。

2.3 鉆屑量S隨孔深的變化規(guī)律

在7607運輸巷共打了4個鉆孔，根據(jù)測定得到的有關數(shù)據(jù)，做出了每米鉆屑量S隨孔深的變化曲線，如圖3所示。

圖3 每米鉆屑量隨鉆孔深度變化規(guī)律

鉆屑量的大小實質(zhì)上綜合反映了煤體在地應力、瓦斯壓力作用下的破碎程度，在一定程度上反映了煤層突出危險性的大小。由圖3可以看出，每米鉆孔鉆屑量S呈現(xiàn)無規(guī)律的波動，大部分數(shù)值在2～3kg之間。說明這4個試驗鉆孔周邊變形量變化不大，并且沒有隨深度增加而明顯增大。由于鉆屑量的稱取與鉆孔技術(shù)有著密切的關系，特別是深長鉆孔在鉆進中，可能將前面鉆孔壁面上的煤一并帶出來，所以鉆孔越深其數(shù)值的可靠性越差，對于15m以后的鉆屑量只能作為參考數(shù)值。

在進行工作面突出預測時，要綜合考慮鉆屑量S和鉆屑解吸指標K1。只有這兩個指標都在臨界值以下，才能認為沒有突出危險。在預測有突出危險的地方，必須采取防突措施，然后再進行防突效果檢驗，當鉆屑量S和鉆屑解吸指標K1都在臨界值以下，方可進行施工。

3 結(jié)論

某礦掘進工作面實測結(jié)果表明，鉆屑瓦斯解吸指數(shù)K1在鉆孔全長范圍內(nèi)呈現(xiàn)波浪式的起伏，具有較大的離散性?？傮w看， 從開孔到20m范圍內(nèi)，具有逐漸增大上升的趨勢；鉆屑量S呈現(xiàn)無規(guī)律的波動，鉆孔越深其數(shù)值的可靠性越差。根據(jù)瓦斯流動理論，通常距離煤壁20m左右的瓦斯參數(shù)基本能夠反映其原始值。因此，當受礦井現(xiàn)場條件限制，需要將測定鉆孔布置在已開掘好的巷道壁面上時，可采用20m附近的K1值。

[1] 孟賢正.綜采工作面煤的突然壓出危險性預測[D].重慶大學，2002

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[3] 劉春陽，趙長闖，陳奇?zhèn)サ?鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定影響因素分析[J].煤炭科技，2009（3）

[4] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992

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Variation of desorption index for drill cuttings and its application in predicting risk of coal and gas outburst

Qu Fang1，Zhang Long1，Li Yingye2，Li Zhongqun2

（1.College of Quality and Safety Engineering，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China；2.Wuyang Coal Mine，Shanxi Lu＇an Environmental Protection and Energy Development Corporation Ltd.，Changzhi，Shanxi 046025，China）

The principle of drill cuttings index was briefly analyzed.The drilling cuttings weight and gas absorption index of drill cuttings were investigated as an emphasis in practical application to predict the risk of coal and gas outburst.The variation of desorption index for drill cuttings was discussed.The measures were proposed to reduce the errors during the measurement.

coal and gas outburst，drilling cuttings weight，desorption index for drill cuttings

TD713

A

曲方（1964－），男，陜西鳳縣人，博士，教授。曾先后在美國亞利桑那大學和西弗吉尼亞大學作訪問學者和副研究員。主要從事礦山通風與安全、煤礦瓦斯治理、火災防治以及公共安全方面的科研與教學工作。

（責任編輯 梁子榮）