向 浩,伊 倩

(河南能源義煤公司技術(shù)研究院，河南 義馬 472300)

煤與瓦斯突出是煤礦井下重大災(zāi)害之一,其發(fā)生機(jī)理極其復(fù)雜,嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防突措施效果檢驗(yàn)是突出礦井進(jìn)行防突管理的兩項(xiàng)關(guān)鍵工作[1]。突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)應(yīng)能夠靈敏地反映煤層突出危險(xiǎn)性的大小,即敏感指標(biāo)在數(shù)值上隨著突出危險(xiǎn)性的變化而明顯改變[2]。由于煤層的地應(yīng)力、瓦斯參數(shù)和煤質(zhì)指標(biāo)等方面存在差異,不同礦區(qū)、不同煤層,亦或同一煤層的不同區(qū)域,預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)也不盡相同,甚至存在很大的差異。生產(chǎn)過(guò)程中因指標(biāo)不敏感造成預(yù)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確,導(dǎo)致誤判,發(fā)生突出事故或增加不必要的防突措施工程量是客觀存在的?！斗劳患?xì)則》規(guī)定突出礦井應(yīng)針對(duì)各煤層的特點(diǎn)和條件試驗(yàn)確定工作面預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)。

隨著基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展及交叉學(xué)科的產(chǎn)生,尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,近年來(lái)我國(guó)專家學(xué)者就如何確定突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)方面做了進(jìn)一步的探討[3],取得了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和成果,但由于未充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)瓦斯地質(zhì)等因素,使得敏感指標(biāo)仍存在不同程度的交叉現(xiàn)象。為了提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和有效性,礦井應(yīng)根據(jù)本身實(shí)際情況考察確定突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)。

河南能源義煤公司孟津煤礦為煤與瓦斯突出礦井,2006年7月29日發(fā)生突出,突出煤量828 t,累計(jì)瓦斯涌出量8萬(wàn)m3;礦井最大原始瓦斯含量16.37 m3/t,最大原始瓦斯壓力3.1 MPa。測(cè)定地點(diǎn)為東翼膠帶運(yùn)輸大巷,距離11011膠帶巷26 m(東翼軌膠聯(lián)絡(luò)巷上口)。在12011膠帶順槽(第二掛耳鉆場(chǎng)處)測(cè)定二1煤層吸附常數(shù)a值為32.246 m3/t,b值為0.775 MPa-1。主要可采煤層二1煤層瓦斯放散初速度p為16.0～24.0 mL/s,透氣性系數(shù)為0.048 9 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.67 d-1,f值在0.1～0.3之間。在打贏公司“扭虧為盈”攻堅(jiān)戰(zhàn)關(guān)鍵時(shí)期,開(kāi)展孟津煤礦二1煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)研究,對(duì)該礦提高經(jīng)濟(jì)效益,提升瓦斯治理水平具有重要意義。通過(guò)試驗(yàn)研究、跟蹤考察及綜合分析,孟津煤礦二1煤層鉆屑解吸指標(biāo)h2和鉆屑量指標(biāo)S能夠明顯區(qū)分工作面突出危險(xiǎn)性,且該指標(biāo)無(wú)交叉[4]。

1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性實(shí)驗(yàn)室研究

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)h2、K1值綜合考慮了地應(yīng)力、瓦斯指標(biāo)和煤質(zhì)指標(biāo)這三個(gè)與突出危險(xiǎn)密切相關(guān)的因素[5-6],是我國(guó)預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性使用較廣泛的一種指標(biāo)。

1.1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)計(jì)算

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是單位質(zhì)量的煤體從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量,如式(1):

(1)

式中:Qt為煤體自平衡壓力卸除經(jīng)t時(shí)間后,所解吸的瓦斯總量,mL;t為解吸時(shí)間,min。

當(dāng)t=1時(shí),得到:Qt=K1。

K1計(jì)算如下,其中煤樣暴露時(shí)間ti,按式(2)計(jì)算:

ti=t0+0.5i

(2)

式中:ti為煤樣自放氣開(kāi)始至測(cè)量第i個(gè)數(shù)據(jù)的暴露時(shí)間,min;t0為煤樣自放氣開(kāi)始至啟動(dòng)解吸儀時(shí)的暴露時(shí)間,min。

假定t0時(shí)刻前煤樣已經(jīng)解吸的瓦斯量為w0,則:

(3)

式中:Qi為煤樣暴露t0時(shí)刻起的累計(jì)瓦斯解吸量,mL;w0為t0時(shí)刻前單位質(zhì)量煤樣的損失瓦斯解吸量,mL/g。

(4)

(5)

(6)

通過(guò)實(shí)驗(yàn),由式(4)計(jì)算K1值。

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2表示10 g煤樣從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第4～5 min內(nèi)在鉆屑瓦斯解吸儀中釋放(解吸)瓦斯擠壓水柱計(jì)中的水產(chǎn)生的壓差[7],如式(7):

Q4～5=0.008 3Δh2/10

(7)

式中:Q4～5為單位質(zhì)量煤樣第4～5 min內(nèi)的解吸量,mL/g;0.008 3為MD-2型解吸儀結(jié)構(gòu)常數(shù)。

根據(jù)式(1),實(shí)驗(yàn)煤樣第3 min至第5 min內(nèi)的解吸量為:

(8)

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2、K1值的概念和測(cè)定原理表明,兩者具有相同的物理意義,沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,屬于同一類指標(biāo),有著顯著的關(guān)系[8],由式(7)和式(8)得到其線性關(guān)系:

K1=0.001 6Δh2

(9)

1.2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定及數(shù)據(jù)對(duì)比

1.2.1煤樣制備及測(cè)定方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,采集孟津煤礦12030回采工作面和12070掘進(jìn)工作面的塊狀煤樣,實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎、篩分;稱取各100 g粒徑1～3 mm的煤樣放入帶有壓力表的煤樣罐中密封,在60℃條件下恒溫脫氣8 h;再將煤樣罐充入體積分?jǐn)?shù)不低于99.8%的CH4氣體至不同壓力,在30℃恒溫水浴中吸附直至平衡，時(shí)間約為48 h以上。使用MJ-3瓦斯解吸速度測(cè)定儀,對(duì)不同吸附平衡壓力下的煤樣進(jìn)行瓦斯解吸特性測(cè)定,連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)60 min,并記錄不同時(shí)刻的瓦斯解吸量。

1.2.2鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果顯示,在不同吸附平衡壓力下瓦斯解吸曲線有一定的規(guī)律性,累計(jì)瓦斯解吸量與解吸時(shí)間呈類拋物線正相關(guān),等溫瓦斯解吸規(guī)律[9]如圖1所示。

圖1 孟津煤礦煤樣不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸特性Fig.1 Gas desorption of coal samples in Mengjin Coal Mine under different adsorption equilibrium pressures

使用WTC瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定孟津煤礦煤樣在不同吸附平衡壓力下的K1值,實(shí)測(cè)K1值和煤樣的第1 min實(shí)際解吸量見(jiàn)表1。同理,利用實(shí)驗(yàn)煤樣的瓦斯解吸特性曲線數(shù)據(jù)[10-11],計(jì)算孟津煤礦煤樣在第4～5 min內(nèi)的實(shí)際解吸量Q4～5,并使用MD-2瓦斯解吸儀測(cè)定孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2,根據(jù)式(7)中煤樣鉆屑解吸指標(biāo)與第4～5 min煤樣解吸量的關(guān)系計(jì)算各煤樣第4～5 min解吸量Q4～5,見(jiàn)表2。

表1 K1與第1 min實(shí)際解吸量的比較Table 1 Comparison of K1 with the actual desorption at the 1st minute

表2 實(shí)驗(yàn)煤樣第4～5 min計(jì)算解吸量與實(shí)際解吸量的比較Table 2 Comparison between the calculated desorption capacity and the actual desorption capacity of the experimental coal samples at the 4th to 5th minute

由表1可知,孟津煤礦的實(shí)驗(yàn)煤樣鉆屑解吸指標(biāo)K1值和煤樣第1 min的實(shí)際解吸量存在較大差異,實(shí)驗(yàn)煤樣測(cè)得的鉆屑解吸指標(biāo)K1值遠(yuǎn)小于煤樣第1 min的實(shí)際解吸量。

由表2可知,依據(jù)孟津煤礦的煤樣實(shí)測(cè)鉆屑解吸指標(biāo)Δh2,按照式(7)計(jì)算得到的第4～5 min的解吸量與實(shí)驗(yàn)煤樣的實(shí)際解吸量相差很小。

1.3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析

對(duì)不同破壞類型煤體解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出初始瓦斯解吸速度與破壞類型有關(guān)。孟津煤礦二1煤層的f值僅為0.1～0.3,在同溫、同壓、等粒徑條件下,煤體破壞程度越嚴(yán)重,相應(yīng)初始時(shí)刻瓦斯解吸速度就越高,并且解吸速度衰減也越快,軟煤的初始瓦斯解吸速度和衰減率遠(yuǎn)大于硬煤。因此,當(dāng)煤體破壞類型較嚴(yán)重時(shí),K1值指標(biāo)不敏感也不適用[12-14]。

從孟津煤礦二1煤層實(shí)驗(yàn)煤樣瓦斯解吸規(guī)律看出,煤樣具有初始時(shí)刻瓦斯解吸速度高、解吸速度衰減快、卸壓初期有大量的瓦斯釋放等特點(diǎn)；而3 min后,煤樣的瓦斯解吸特性曲線趨于平緩,解吸速度相對(duì)穩(wěn)定。因此,孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2受煤體破壞嚴(yán)重程度影響小,實(shí)驗(yàn)煤樣計(jì)算得到的第4～5 min的解吸量與實(shí)際解吸量誤差很小。

2 鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)測(cè)定原理及敏感性分析

最早提出煤層鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)的是前蘇聯(lián)馬凱耶夫礦業(yè)研究所,該指標(biāo)通過(guò)鉆孔瓦斯涌出初速度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定,按流量計(jì)原理工作,是一種節(jié)流式差壓流量計(jì)。鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)測(cè)定方法是在打鉆結(jié)束后立馬進(jìn)行封孔,由于鉆孔周圍破碎區(qū)和塑性區(qū)的形成,煤層透氣性提高,瓦斯向鉆孔中涌出,在密封室內(nèi)甲烷壓力升高,與外部形成壓差,以此測(cè)定打鉆結(jié)束2 min時(shí)相應(yīng)深度的鉆孔瓦斯流量,用q表示,單位為L(zhǎng)/min。

鉆孔瓦斯涌出初速度q綜合反映了煤層的破壞類型、瓦斯參數(shù)、鉆孔周圍煤體應(yīng)力狀態(tài)和透氣性,特別是煤層的透氣性系數(shù)λ對(duì)q的影響很大。對(duì)透氣性系數(shù)λ大的煤層,鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)的敏感性較差,用于突出預(yù)測(cè)時(shí)容易產(chǎn)生誤報(bào),其主要原因是瓦斯排放半徑大,瓦斯來(lái)源廣,造成煤層突出危險(xiǎn)性不大時(shí)其值卻超過(guò)突出臨界值;若煤層破壞類型高、透氣性系數(shù)λ小,則在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定q時(shí),一般會(huì)出現(xiàn)孔內(nèi)瓦斯已基本枯竭,q值很小的情況,以至于煤層突出危險(xiǎn)性較大而q值卻未超過(guò)臨界值,同樣會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)(即所謂的低指標(biāo)突出現(xiàn)象)[15-16]。同時(shí),由于煤體松軟破碎,鉆孔施工過(guò)程中容易塌孔,且難以封孔嚴(yán)密,造成測(cè)定數(shù)據(jù)失真。因而,鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)在上述煤層條件下應(yīng)用時(shí)有很大的局限性。

孟津煤礦主采的二1煤層為典型的豫西“三軟”煤層[17],煤體極其松軟破碎,透氣性系數(shù)小。因此在充分結(jié)合該礦瓦斯地質(zhì)等因素的基礎(chǔ)上,經(jīng)綜合分析確定預(yù)測(cè)指標(biāo)鉆孔瓦斯涌出初速度q指標(biāo)不敏感。

3 瓦斯突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察

3.1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)考察對(duì)象的確定

為了提高煤與瓦斯突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性,本次對(duì)鉆屑量指標(biāo)S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1等4個(gè)指標(biāo)全部進(jìn)行跟蹤考察。

3.2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)跟蹤考察

瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)體系最終要服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐,為確定預(yù)測(cè)指標(biāo)考察結(jié)果的適應(yīng)性,對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。

對(duì)采掘工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行跟蹤考察(鉆孔測(cè)定原始煤體狀態(tài)下的鉆孔瓦斯涌出初速度q值、鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1值)。跟蹤考察內(nèi)容主要包括:預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)值變化;作業(yè)過(guò)程中噴孔、頂鉆、響煤炮等典型突出預(yù)兆;瓦斯異?，F(xiàn)象等。

重點(diǎn)對(duì)孟津煤礦12030工作面有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤考察,煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 3 Prediction indicators of coal and gas outburst

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)12030工作面預(yù)測(cè)效檢數(shù)據(jù)及地質(zhì)構(gòu)造變化情況,分析了該工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)值分布特征,繪制鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和鉆屑量指標(biāo)S的分布曲線,見(jiàn)圖2；同時(shí)繪制鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和鉆孔瓦斯涌出初速度q測(cè)值分布曲線,見(jiàn)圖3。

圖2 Δh2與S隨回采進(jìn)尺變化曲線Fig.2 Variation of Δh2 and S with footage

圖3 K1與q隨回采進(jìn)尺變化曲線Fig.3 Variation of K1 and q with footage

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察的突出預(yù)測(cè)(效檢)數(shù)據(jù)可以看出,所測(cè)K1值比較小,這主要是由于該礦二1煤層煤體破壞嚴(yán)重,煤體卸壓后初期解吸速度很大[18-19],用WTC儀所測(cè)K1值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤體第1 min的實(shí)際解吸量所導(dǎo)致。綜合實(shí)驗(yàn)室煤樣的解吸特性及解吸指標(biāo)實(shí)驗(yàn)得出,該礦井的突出預(yù)測(cè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)選用Δh2較敏感;從圖3中可以看出,鉆孔瓦斯涌出初速度q值相對(duì)較小,并且與其他兩項(xiàng)指標(biāo)(S和h2)的變化規(guī)律也不相符,而鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2兩項(xiàng)指標(biāo)具有較為一致的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2可以通過(guò)測(cè)定儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,用直接法確定的Δh2值是比較容易實(shí)現(xiàn)的;而通過(guò)間接法得到K1值是根據(jù)煤的瓦斯解吸規(guī)律計(jì)算出來(lái)的,相比較而言,Δh2是具有一定優(yōu)勢(shì)的[20]。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性實(shí)驗(yàn)室研究也充分表明,對(duì)于孟津煤礦煤體破壞嚴(yán)重的煤樣其鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2相比K1值有更好的敏感性和適應(yīng)性。通過(guò)跟蹤考察,鉆孔瓦斯涌出初速度q值很小,且與S值和Δh2值的變化規(guī)律不一致。因此,可以將鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2這兩項(xiàng)指標(biāo)確定為孟津煤礦二1煤層采掘工作面的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)。生產(chǎn)實(shí)踐證明,該兩項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足安全需要,避免敏感指標(biāo)相互交叉,有效減少防突工程量。