張玉柱

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測是防治煤與瓦斯突出的最后一道安全防線，是礦井安全生產(chǎn)的重要保障。精準(zhǔn)的工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測需要合適的工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)和合理的指標(biāo)臨界值做支撐，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求突出礦井應(yīng)當(dāng)針對(duì)煤層的特點(diǎn)和條件試驗(yàn)確定工作面突出預(yù)測的敏感指標(biāo)和臨界值[1]。針對(duì)不同礦井，其生產(chǎn)工藝、工作面預(yù)測條件等外在因素不同；再者對(duì)于不同煤層，其煤層瓦斯解吸規(guī)律、煤層突出特征及其主控因素等內(nèi)在因素不同，造成不同礦井不同煤層其工作面預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值不同[2-4]。因此，研究確定突出煤層工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值對(duì)于礦井瓦斯防治意義重大。

1 礦井概況

四季春煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采6 號(hào)、7號(hào)、16 號(hào)、35 號(hào)煤層，6 號(hào)、7 號(hào)、16 號(hào)煤層煤層經(jīng)鑒定全部為具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，35 號(hào)煤層尚未鑒定。礦井區(qū)域防突措施為開采保護(hù)層，首采7 號(hào)煤層作為保護(hù)層先行開采，煤層開采順序?yàn)? 號(hào)→6號(hào)→16 號(hào)→35 號(hào)煤層。井田總體為一單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育中等，局部區(qū)域內(nèi)次一級(jí)褶皺和斷層較發(fā)育。

四季春煤礦6 號(hào)煤層全區(qū)可采，煤質(zhì)為無煙煤，煤層厚度2.5 m 左右，平均傾角14°，煤層厚度及傾角總體賦存穩(wěn)定，煤層全層硬度一致，無軟分層，無夾矸。6 號(hào)煤層區(qū)域預(yù)測指標(biāo)臨界值已經(jīng)具有鑒定資質(zhì)的機(jī)構(gòu)完成試驗(yàn)考察并應(yīng)用，區(qū)域預(yù)測指標(biāo)瓦斯含量臨界值確定為8.5 m3/t；6 號(hào)煤層工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值尚未試驗(yàn)考察確定。

2 工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)確定

2.1 工作面突出預(yù)測指標(biāo)敏感性考察標(biāo)準(zhǔn)

目前研究認(rèn)為，煤與瓦斯突出主要受煤層瓦斯、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等因素的共同影響[5-6]，但對(duì)于不同礦井不同煤層其主導(dǎo)因素不同，而各工作面突出預(yù)測指標(biāo)對(duì)于不同主控因素的敏感程度不同，導(dǎo)致特定礦井煤層其工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)不同。因此，工作面突出預(yù)測指標(biāo)的敏感性主要取決于其對(duì)煤層煤與瓦斯突出顯現(xiàn)特征的響應(yīng)程度。

四季春煤礦井田區(qū)域6 號(hào)煤層煤與瓦斯突出嚴(yán)重，通過統(tǒng)計(jì)礦井及鄰近礦井6 號(hào)煤層發(fā)生的煤與瓦斯突出歷史資料，總結(jié)分析得出其煤與瓦斯突出具有以下特征：歷史全部煤與瓦斯突出瓦斯突出量均較大，突出以煤層瓦斯作用為主導(dǎo)因素；大部分煤與瓦斯突出發(fā)生在煤層賦存異常區(qū)域（構(gòu)造帶、應(yīng)力集中區(qū)域、煤厚異常區(qū)域等），煤體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中為煤與瓦斯突出發(fā)生的主要誘導(dǎo)因素。

煤層瓦斯主要通過煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量指標(biāo)體現(xiàn)，瓦斯壓力測定要求高、周期長，瓦斯含量測定過程簡單、準(zhǔn)確性高，因此選擇瓦斯含量作為表征煤層瓦斯大小的指標(biāo)，煤層瓦斯含量越大，煤層瓦斯越大，煤層突出危險(xiǎn)性越高?；? 號(hào)煤層煤與瓦斯突出特征，構(gòu)建了煤層工作面突出預(yù)測指標(biāo)敏感性考察標(biāo)準(zhǔn)如下：首先考察工作面突出預(yù)測指標(biāo)隨瓦斯含量的變化情況，其次考察工作面突出預(yù)測指標(biāo)在煤層賦存異常區(qū)域測值變化情況。若預(yù)測指標(biāo)能夠同步隨瓦斯含量的變化而明顯變化，且煤層賦存異常區(qū)域測值相對(duì)煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，則該指標(biāo)敏感性較好；若預(yù)測指標(biāo)僅能夠明顯響應(yīng)煤層瓦斯含量或煤層賦存異常1 個(gè)因素，則該指標(biāo)敏感性一般；若預(yù)測指標(biāo)對(duì)于煤層瓦斯含量和煤層賦存異常2 個(gè)因素均不能明顯響應(yīng)，則該指標(biāo)敏感性較差。

2.2 工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)考察確定

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦的采掘工作面突出預(yù)測方法有：鉆屑指標(biāo)法、復(fù)合指標(biāo)法、R 值指標(biāo)法，主要涉及的工作面突出預(yù)測指標(biāo)有：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和R 值。由于鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和△h2均為綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的指標(biāo)[7]，考慮到目前四季春煤礦采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1，其測定裝備及工藝條件較完善，再者礦井未開展其它新工作面突出預(yù)測方法的試驗(yàn)應(yīng)用，不存在新的工作面突出預(yù)測指標(biāo)。因此，四季春煤礦選取鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和R 值指標(biāo)進(jìn)行工作面預(yù)測指標(biāo)敏感性考察分析。

為了統(tǒng)一對(duì)比分析各工作面突出預(yù)測指標(biāo)隨瓦斯含量和煤層賦存變化的變化情況，選取各指標(biāo)實(shí)測值與其《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦臨界值的比值進(jìn)行對(duì)比分析。由于各指標(biāo)推薦臨界值是通過大量統(tǒng)計(jì)分析得出的，推薦臨界值與礦井實(shí)際合理臨界值相差不大，因此對(duì)于通過各指標(biāo)比值考察其敏感性影響較小。各指標(biāo)推薦臨界值見表1。

表1 各指標(biāo)推薦臨界值Table 1 Recommended thresholds for each indicator

結(jié)合礦井采掘情況，針對(duì)6 號(hào)煤層所有采掘工作面進(jìn)行工作面突出預(yù)測指標(biāo)敏感性現(xiàn)場考察，現(xiàn)場采用風(fēng)煤鉆施工φ42 mm 的工作面突出預(yù)測鉆孔，每個(gè)預(yù)測鉆孔同時(shí)測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S 和瓦斯含量W，并計(jì)算R 值?，F(xiàn)場跟蹤考察了采掘工作面煤層賦存正常區(qū)域、巷煤柱應(yīng)力集中影響區(qū)域和斷層影響區(qū)域，共測試了30 個(gè)預(yù)測循環(huán)各指標(biāo)參數(shù)。由于R 值所有計(jì)算數(shù)值均為負(fù)值，因此采用公式中正值指標(biāo)鉆屑量S 判斷工作面突出危險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場測試的30 組各指標(biāo)最大值比值，各指標(biāo)比值變化曲線如圖1。

圖1 各指標(biāo)比值變化曲線Fig.1 Ratio curves of each index

由圖1 可以看出，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)能夠同步響應(yīng)瓦斯含量和煤層賦存的變化，隨煤層瓦斯含量的增減而增減，且變化較明顯，煤層異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域明顯增大；鉆孔瓦斯涌出初速度總體隨瓦斯含量的增加而增加，但變化不明顯，局部區(qū)域甚至無變化，煤層異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域有增加趨勢，但增加幅度不大；鉆屑量在煤層賦存正常區(qū)域內(nèi)不隨瓦斯含量的變化而變化，煤層賦存異常區(qū)域測值較煤層賦存正常區(qū)域增加明顯。

依據(jù)6 號(hào)煤層工作面預(yù)測指標(biāo)敏感性考察標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析表明：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性較好；鉆屑量指標(biāo)敏感性一般；鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)敏感性較差。因此，確定6 號(hào)煤層工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，為了工作面預(yù)測更準(zhǔn)確可靠，選擇鉆屑量為其輔助預(yù)測指標(biāo)。

3 工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值確定

3.1 工作面敏感指標(biāo)臨界初值確定

工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值是1 個(gè)假設(shè)、修正、確定的過程，為了保證現(xiàn)場考察的安全性和臨界值確定的高效性，考察之前需假設(shè)確定1 個(gè)合理的敏感指標(biāo)臨界初值。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)室測試計(jì)算確定

理論實(shí)驗(yàn)研究表明，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1與瓦斯壓力p 呈冪函數(shù)關(guān)系[8-9]，煤層最小始突瓦斯壓力與煤層堅(jiān)固性系數(shù)存在一定關(guān)系[10]。因此，可以實(shí)驗(yàn)室測定煤層堅(jiān)固性系數(shù)和K1-p 關(guān)系理論計(jì)算得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界初值。

現(xiàn)場采集6 號(hào)煤層4 個(gè)代表性煤樣送至實(shí)驗(yàn)室測定其煤層堅(jiān)固性系數(shù)f 和K1-p 關(guān)系，依據(jù)目前我國北票礦務(wù)局和重慶煤科院總結(jié)的煤層最小始突瓦斯壓力pmin與煤層堅(jiān)固性系數(shù)f 關(guān)系式（pmin=2.79f+0.39、pmin=2.2f）[11]，計(jì)算得出的各煤樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值實(shí)驗(yàn)室計(jì)算結(jié)果見表2。為了保證安全生產(chǎn)，選取最小的0.53 mL/（g·min1/2）作為6 號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)室鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界初值計(jì)算結(jié)果。

表2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1 臨界值實(shí)驗(yàn)室計(jì)算結(jié)果Table 2 Experimental results of critical value ofdrilling cuttings gas analysis index K1

3.1.2 歷史數(shù)據(jù)擬合計(jì)算確定

理論及實(shí)踐表明，在瓦斯含量低值區(qū)間，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯含量呈線性關(guān)系；在瓦斯含量高值區(qū)間，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯含量呈較好的指數(shù)關(guān)系[12-13]。統(tǒng)計(jì)工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)考察期間測試的30 個(gè)循環(huán)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)各鉆孔同步測試的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和瓦斯含量分別進(jìn)行線性關(guān)系擬合和指數(shù)關(guān)系擬合，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和瓦斯含量擬合曲線如圖2。

圖2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和瓦斯含量擬合曲線圖Fig.2 Cuttings gas analysis index and gas content fitting curves

通過擬合曲線可以看出，當(dāng)前瓦斯含量區(qū)間內(nèi)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與瓦斯含量指數(shù)關(guān)系相關(guān)性較好，結(jié)合礦井已經(jīng)試驗(yàn)考察確定的6 號(hào)煤層區(qū)域預(yù)測指標(biāo)瓦斯含量臨界值8.5 m3/t，計(jì)算得出對(duì)應(yīng)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值為0.52 mL/（g·min1/2）。

通過實(shí)驗(yàn)室測試和歷史數(shù)據(jù)擬合分別得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值為0.53 mL/（g·min1/2）和0.52 mL/（g·min1/2），考慮礦井安全重要性，選取較小值0.52 mL/（g·min1/2）作為6 號(hào)煤層工作面突出預(yù)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界初值進(jìn)行現(xiàn)場考察。

3.2 工作面敏感指標(biāo)臨界初值考察修正

工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界初值的現(xiàn)場考察主要通過預(yù)測鉆孔施工及采掘期間實(shí)際發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象進(jìn)行修正[14-15]。若現(xiàn)場考察期間敏感指標(biāo)測值小于等于臨界初值時(shí)未出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象，則表明臨界初值偏小，修正增加臨界初值直至出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象并確定其為新的敏感指標(biāo)臨界初值；若現(xiàn)場考察期間敏感指標(biāo)測值小于等于臨界初值時(shí)發(fā)生了動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異常現(xiàn)象，則表明臨界初值偏大，修正確定對(duì)應(yīng)發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的最小測值為新的敏感指標(biāo)臨界初值。各預(yù)測鉆孔實(shí)測敏感指標(biāo)最大值作為各預(yù)測鉆孔敏感指標(biāo)測值，各采掘循環(huán)實(shí)測敏感指標(biāo)最大值作為各采掘循環(huán)敏感指標(biāo)測值。預(yù)測鉆孔施工期間發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象對(duì)應(yīng)預(yù)測鉆孔敏感指標(biāo)測值，采掘期間發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象對(duì)應(yīng)采掘循環(huán)敏感指標(biāo)測值。

結(jié)合礦井采掘情況，選取6 號(hào)煤層具有代表性的1063 中間巷和1061 回采工作面開展鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界初值的考察修正，現(xiàn)場跟蹤考察期間鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值采用已確定的臨界初值0.52 mL/（g·min1/2），記錄所有鉆孔施工和采掘期間瓦斯動(dòng)力情況及瓦斯涌出情況。現(xiàn)場跟蹤考察了1063 中間巷和1061 回采工作面共計(jì)40 個(gè)采掘循環(huán)，測定了300 組采掘工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)。其中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)在預(yù)測鉆孔施工期間共出現(xiàn)6 次卡鉆、頂鉆、噴孔現(xiàn)象，采掘期間出現(xiàn)2 次瓦斯涌出超限。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測值分布情況見表3。

表3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測值分布情況Table 3 Distribution of measured value of cuttings gas analysis index

通過對(duì)現(xiàn)場考察實(shí)測的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1測值和發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象及瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)得出：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1測值小于等于臨界初值0.52 mL（/g·min1/2）時(shí)發(fā)生了5 次動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象，表明臨界初值偏大，因此修正確定對(duì)應(yīng)發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象或瓦斯涌出異?，F(xiàn)象的最小測值0.51 mL（/g·min1/2）作為新的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界初值。

3.3 工作面敏感指標(biāo)臨界值確定

在同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，對(duì)考察修正的敏感指標(biāo)臨界初值進(jìn)行全礦井、長周期擴(kuò)大應(yīng)用考察，若所有小于敏感指標(biāo)臨界初值的測值均不出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，則驗(yàn)證敏感指標(biāo)臨界初值合理，確定其為敏感指標(biāo)臨界值。

由于四季春井田屬于一單斜構(gòu)造，井田范圍內(nèi)總體屬于同一瓦斯地質(zhì)單元。因此，對(duì)6 號(hào)煤層工作面突出預(yù)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界初值進(jìn)行煤層所有采掘工作面擴(kuò)大應(yīng)用。為了保證工作面突出預(yù)測更加安全可靠，同步測定輔助預(yù)測指標(biāo)鉆屑量，鉆屑量臨界值采用《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦臨界值。現(xiàn)場開展了6 個(gè)月的擴(kuò)大應(yīng)用，測定了1 200多組鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆屑量數(shù)據(jù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1所有小于臨界初值0.51 mL/（g·min1/2）的測值均未發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象；鉆屑量在構(gòu)造區(qū)域?qū)︺@屑瓦斯解吸指標(biāo)具有較好的輔助作用，能同步響應(yīng)動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異常現(xiàn)象。

因此，確定四季春煤礦6 號(hào)煤層工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值為0.51 mL/（g·min1/2），輔助預(yù)測指標(biāo)鉆屑量采用《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦臨界值6 kg/m。

4 結(jié) 論

1）工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)確定可以依托煤層煤與瓦斯突出特征及主控因素，構(gòu)建工作面突出預(yù)測指標(biāo)敏感性考察標(biāo)準(zhǔn)，通過統(tǒng)一對(duì)比工作面突出預(yù)測指標(biāo)比值敏感程度確定敏感指標(biāo)。

2）工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值是1 個(gè)假設(shè)、修正、確定的過程，根據(jù)煤層實(shí)驗(yàn)室測試和歷史數(shù)據(jù)擬合可以得出假設(shè)階段初值，修正和確定階段主要依據(jù)工作面預(yù)測鉆孔施工及采掘期間發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯涌出異?，F(xiàn)象作為修正和確定標(biāo)準(zhǔn)。

3）工作面突出預(yù)測輔助預(yù)測指標(biāo)臨界值可采用工作面突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值確定方法同步確定。