鄭廣義

(湖南省株洲市桃水煤礦，湖南 株洲 412300)

煤與瓦斯突出是煤礦中的一種動(dòng)力現(xiàn)象，因發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，且突出的要素之間相互制約，預(yù)測突出地點(diǎn)及強(qiáng)度難度極大。煤與瓦斯突出具有突發(fā)性，隨著礦井開采深度增大導(dǎo)致地應(yīng)力、瓦斯壓力及含量迅速增大，突出發(fā)生的頻率及強(qiáng)度不容忽視，為了能夠保障工作面的安全，全國各大型生產(chǎn)礦井已逐步引入了重慶煤科院生產(chǎn)的WTC測定儀，采取局部綜合防突措施的“四位一體”，保障掘進(jìn)工作面的作業(yè)安全。

1 K1指標(biāo)的理論基礎(chǔ)研究

工作面預(yù)測指標(biāo)分為兩類，一是以鉆屑量為代表的應(yīng)力指標(biāo)，二是瓦斯指標(biāo)。瓦斯指標(biāo)分為兩類，一類是鉆孔瓦斯涌出初速度(q)，另一類是鉆屑瓦斯解吸量指標(biāo)(K1和h2)。預(yù)測效果的好壞取決于應(yīng)力的集中程度、位置和煤的瓦斯解吸特征和突出危險(xiǎn)臨界值的確定。而K1是一種瓦斯解析特征指標(biāo)，是由煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院多年研究確定的。其原理是取煤樣后，在5 min或10 min內(nèi)，測定10個(gè)點(diǎn)的每克煤的瓦斯解吸量，以及測定前煤樣暴露到大氣中的時(shí)間，根據(jù)巴雷爾(R．M．Barrer)公式計(jì)算，得出每克煤樣自暴露后第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量。K1是反映煤體瓦斯含量和瓦斯解吸特征的綜合指標(biāo)。

1．1 K1值穩(wěn)定性考察

煤樣暴露于大氣中所解吸損失的瓦斯量同其解吸時(shí)間平方根成正比，這一巴雷爾(R．M．Barrer)實(shí)驗(yàn)理論起初用于測量煤層原始瓦斯含量時(shí)確定測前損失量。根據(jù)巴雷爾公式的理論基礎(chǔ)，考察煤樣在暴露大氣中第1 min中的每克煤的瓦斯解吸量，即為K1值。

其模型表達(dá)式：

式中：

Q—煤樣在 T測定時(shí)間內(nèi)累計(jì)解吸的瓦斯量，ml;

K—比例常數(shù)。

其后，重慶煤科分院用此應(yīng)用于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)中，并把比例常數(shù)K作為標(biāo)志所測定煤體突出危險(xiǎn)性大小的特征指標(biāo)。其模型表達(dá)式：

式中：

Qi—每克煤樣在Ti測定時(shí)間內(nèi)累計(jì)解吸的瓦斯量，mL/g;

W—每克煤樣在測前暴露時(shí)間T0內(nèi)解吸的損失量，mL/g;

K1—擬合系數(shù)，mL/g·min1/2。

式中：

T0—測前煤樣暴露時(shí)間;

Qi—ti時(shí)刻儀器測定的每克煤鉆屑瓦斯放散量，ml/g。

式(3)中，煤樣測前暴露時(shí)間T0是可變化的，它包括煤樣在鉆孔中逗留時(shí)間和取樣時(shí)間，取樣一般控制在3 min之內(nèi)，而鉆屑在鉆孔內(nèi)被運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間(用鉆桿的轉(zhuǎn)速，鉆桿的螺距和輸送效率計(jì)算出鉆屑，每輸送1 m所需要的時(shí)間，再乘以長度L加以校正，用42 mm電煤鉆打鉆時(shí)通常采用0．1×L也必須校正)。

理論上，K1值是不受測定時(shí)間影響的。實(shí)際上，上述數(shù)學(xué)式是近似描述煤鉆屑瓦斯解吸規(guī)律的擬合式，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測定中均反應(yīng)出K1測定值隨測量時(shí)間的改變有不同程度的變化，即K1指標(biāo)具有一定程度的不穩(wěn)定性。

1．2 K1值的計(jì)算方法

根據(jù)式(2)可知，Qi、Ti和T0可以通過實(shí)測得到，而Q0為未知數(shù)，根據(jù)所取煤樣在測定時(shí)間為Ti時(shí)間內(nèi)每0．5 min所測定的解吸量，運(yùn)用最小二乘法回歸得出取樣暴露時(shí)間T0時(shí)的損失量Q0。

依據(jù)Q與W是和■t成正比的基本規(guī)律，以Q為縱坐標(biāo)，■t為橫坐標(biāo)，繪制煤樣瓦斯解吸曲線圖見圖1。

圖1 瓦斯解吸曲線圖

解吸開始時(shí)：t1=0，t=t1+t2，Q=0

式中：

G—煤樣重量，g。

1．3 K1值的實(shí)驗(yàn)室模擬方法

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1表示平衡壓力卸除后，單位重量煤樣在第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量。實(shí)驗(yàn)室測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)計(jì)算方法如下，其中煤樣暴露ti時(shí)間按式(5)計(jì)算：

式中：

ti—煤樣自放氣始至測量第i個(gè)數(shù)據(jù)的暴露時(shí)間，min;

t0—煤樣自放氣始至啟動(dòng)解吸儀時(shí)的暴露時(shí)間，min。

煤樣的瓦斯解吸規(guī)律可認(rèn)為服從關(guān)系式(6)：

式中：

Q—單位質(zhì)量煤樣從暴露時(shí)刻起到t時(shí)刻的瓦斯解吸量，mL/g;

t—煤樣暴露時(shí)間，min。

因?yàn)镼i是從煤樣暴露t0時(shí)刻起的瓦斯解吸累積量，而在t0時(shí)刻前煤樣已經(jīng)解吸的瓦斯量為W0，顯然有式(7)成立：

式中：

w0—t0時(shí)刻前單位質(zhì)量煤樣的瓦斯解吸損失量，mL/g;

令Xi=t■i，則有如下鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值計(jì)算公式：

解吸1 min 后：t3=1，t=t1+t2+1，Q=Q1

解吸2 min 后：t3=2，t=t1+t2+2，Q=Q2依此類推，

解吸 3 min 后：t3=3，t=t1+t2+1，Q=Q1

根據(jù)在井下實(shí)測的t1和Q1可在坐標(biāo)圖上繪出直線AB延長AB交縱坐標(biāo)于0點(diǎn)，可得煤樣總的瓦斯損失量W值。

將各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(8)，從而得到相應(yīng)的瓦斯解吸指標(biāo)K1值。

2 K1值影響因素分析

K1值作為一種瓦斯解吸特征指標(biāo)，采取粒度為1～3 mm的鉆屑煤樣后，在5 min(WTC儀器)或10 min(ATY儀器)內(nèi)，分別每隔0．5 min或1 min測量一次每克鉆屑的瓦斯解吸量，共10次，再根據(jù)估算出測定前的煤樣暴露到大氣中的時(shí)間，用巴雷爾公式推算出每克煤樣自暴露后第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量，即為K1指標(biāo)。

因?yàn)閃TC瓦斯突出參數(shù)儀的內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定基礎(chǔ)，是用于鉆孔長度為10 m、孔徑為d42 mm的麻花鉆排粉，若用其他孔徑與排粉方式，則需要重新設(shè)定儀器的參數(shù)。而使用WTC進(jìn)行K1值的測定已在我國絕大多數(shù)突出礦井中應(yīng)用，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》也對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的測定過程進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值理論上是穩(wěn)定的，即不受煤樣暴露時(shí)間的影響，但實(shí)際上，由于儀器本身、人工測定等多種因素會(huì)導(dǎo)致K1值測定值的可靠性與實(shí)際情況存在差異。

1)采樣方式。由于工作面煤體內(nèi)的瓦斯含量和瓦斯壓力隨煤體暴露時(shí)間而變化，從煤壁深部到煤壁逐漸減小，實(shí)測表明，在煤體結(jié)構(gòu)無明顯變化的情況下，煤體中瓦斯含量的鉆屑解吸指標(biāo)隨鉆孔深度增加呈增大的趨勢，且存在鉆屑解吸指標(biāo)值隨鉆孔深度加深不是單一上升的線性增長趨勢，在孔深4～6 m處指標(biāo)值最大的客觀事實(shí)?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定，預(yù)測工作面8～10 m處的突出危險(xiǎn)性應(yīng)每隔2 m采樣測定一次鉆屑解吸瓦斯指標(biāo)，根據(jù)所測數(shù)值的最大值進(jìn)行判斷。但現(xiàn)所采用的都為孔口接取煤樣的方式，該方法存在的主要問題是煤樣在測定前暴露時(shí)間難以確定以及所取煤樣的深度無法保證，當(dāng)煤體松軟、鉆桿彎曲、長度較深時(shí)，麻花鉆桿磨削孔壁的情況愈加嚴(yán)重，所取的煤樣為孔底、孔壁及暴露時(shí)間不同的混樣，由于每次測定的K1值需要5 min時(shí)間，所取的混樣代表性較差，導(dǎo)致所測定的K1值比真實(shí)值偏小。通過采用定點(diǎn)取樣器與孔口取樣的測定值進(jìn)行對(duì)比，定點(diǎn)取樣測定的K1值明顯高于孔口取樣。不同采樣方式的K1值對(duì)比示意圖見圖2。

圖2 不同采樣方式的K1值對(duì)比示意圖

2)人為因素。由于在測定過程中打鉆速度過快或過慢，都將影響K1值測定過程中的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，應(yīng)用的d42 mm鉆頭應(yīng)按照1 m/min的速度勻速鉆進(jìn)，如果鉆進(jìn)速度過快(過慢)，WTC測定過程的5 min將不能同步，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)煤壁暴露時(shí)候過長，煤樣暴露初始階段的解吸速度過快，將導(dǎo)致測定值與實(shí)際值偏小;防突技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進(jìn)行，如取樣時(shí)t0值的準(zhǔn)確測定、擰緊罐蓋以防漏氣等工序都將影響K1測定的準(zhǔn)確性。

3)煤樣水分的影響。水分對(duì)瓦斯含量的影響較為明顯，煤層中水分含量越高，煤的吸附性能越低。未含水分條件下取樣時(shí)，煤樣暴露后吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)化，初始階段的解吸速度較快，解吸量較大;當(dāng)含有吸附水外在水分時(shí)，處于微孔隙呈吸附狀態(tài)的結(jié)合水對(duì)煤吸附性減低，毛細(xì)水和游離水充塞在大孔隙和毛細(xì)管中占據(jù)了吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)化的通道，使測定時(shí)瓦斯擴(kuò)撒和滲透的通道受阻，此條件下所測定的數(shù)值將對(duì)初始解吸速度及解吸量造成極大影響，測定值將比真實(shí)值要小40%左右。

4)儀器本身的原因。由于WTC儀器內(nèi)設(shè)定了固定的程序，防突員在測定K1值過程中，如取樣時(shí)間段內(nèi)對(duì)取樣段時(shí)間t0測定不準(zhǔn)，將影響測值的準(zhǔn)確性。如在測試現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)，防突員在取樣開始時(shí)，未進(jìn)行時(shí)間的準(zhǔn)確測定，不論取樣開始至結(jié)束這段時(shí)間用時(shí)多少，在儀器提示輸入取樣時(shí)間t0時(shí)，都輸入的為1 min或2 min，這就使得儀器在計(jì)算K1值開始段出現(xiàn)誤差，使的測試值比真實(shí)值偏差10%左右;在測定過程中，如未檢查儀器的密閉性，未檢查乳膠管與煤樣罐、泄氣閥與煤樣罐未擰緊等都將導(dǎo)致測試過程中存在漏氣，導(dǎo)致測定數(shù)值比實(shí)際值偏低。

3 準(zhǔn)確測定K1值的措施

通過對(duì)上述K1值測定過程中各個(gè)環(huán)節(jié)易出現(xiàn)錯(cuò)誤的因素進(jìn)行分析，可以得出，測定中如果存在失誤，測定值與真實(shí)值偏小的現(xiàn)象普遍存在，如果不更，將會(huì)給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。為了能提高工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)，減少K1值測定過程中的誤差。

1)應(yīng)采用定點(diǎn)取樣器設(shè)備取樣，能夠避免鉆粉混合、暴露時(shí)間不一等因素的干擾，同時(shí)，能夠保證所取煤樣的特定深度，使取樣時(shí)間相對(duì)固定。

2)應(yīng)指定特定的鉆孔施工人員，對(duì)鉆孔施工人員進(jìn)行必要的指導(dǎo)和培訓(xùn)，同時(shí)各個(gè)礦井應(yīng)配備專職突出預(yù)測人員，對(duì)防突技術(shù)人員進(jìn)行鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的理論知識(shí)和操作技能培訓(xùn)，應(yīng)嚴(yán)格按照《WTC瓦斯突出參數(shù)儀說明書》進(jìn)行規(guī)范操作，加強(qiáng)防突員的儀器熟練性操作。下井前，應(yīng)嚴(yán)格檢查儀器的電量、密封性等情況。

3)應(yīng)使用風(fēng)壓鉆進(jìn)鉆取煤粉，在應(yīng)用水力化工作面消突措施后，布置的預(yù)測鉆孔應(yīng)避開濕潤煤體進(jìn)行突出危險(xiǎn)性效果檢驗(yàn)。在采用孔口取樣的前提下時(shí)，應(yīng)避免鉆桿跟煤壁的摩擦，在鉆桿打到預(yù)定深度時(shí)，不應(yīng)立即接粉，應(yīng)來回打動(dòng)鉆桿，排一會(huì)鉆桿內(nèi)的煤粉后再取樣，在測定過程中遇到漏氣等問題時(shí)，應(yīng)立即檢查、處理，同時(shí)對(duì)此深度的測定值應(yīng)重新進(jìn)行測定。

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