蔣承林，俞啟香，張超杰

（中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221008）

煤巷突出預測經(jīng)常遇到的問題是突出預測指標的敏感性和臨界值隨著煤層及其條件的改變而改變。因此，在生產(chǎn)中，直接選用《防突細則》規(guī)定的指標很有可能碰上選用的指標不敏感，導致預測結果不準確的情況發(fā)生。目前確定預測敏感指標和臨界值的方法為“三率法”，即在煤巷掘進期間預測50～100 次，每次同時測定多項預測指標，從測定結果中選出那些能夠同時滿足預測突出率低于30%、預測突出準確率超過60%、預測不突出的準確率為100%這3 個條件的指標作為該煤層的敏感指標[1-3]。此方法不足之處在于：一方面，突出率的大小與實際預測區(qū)域的突出危險程度有關，這已經(jīng)被一些礦井的實際情況證實[4]，對此作出一個低于30%的限制依據(jù)不足；另一方面，在敏感指標的測定和比較期間，掘進工作面處于不設防狀態(tài)，現(xiàn)場的工人容易遭受突出的威脅。盡管也有一些專家提出通過試驗給出鉆屑解吸指標K1值的參考臨界值[5]，但判別突出的指標未經(jīng)過科學檢驗，也未與其他指標進行敏感度對比。還有一些將工作面打鉆噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象定義為突出[6-7]，這與實際的突出是有差異的，容易將打鉆本身造成的現(xiàn)象歸類于突出。因此，研究實驗室測定突出預測敏感指標新方法，不但能避開突出的威脅，還可以給出更為客觀的敏感指標及臨界值。

1 煤層突出預測敏感指標實驗室測定的原理

敏感指標是指對礦井特定煤層進行預測時，能明顯區(qū)分出突出危險的預測指標[1]，這是定性的描述。預測敏感指標也可以用敏感度來定量描述，如在同一煤體內(nèi)充入高壓瓦斯和低壓瓦斯，2 種條件下分別測定各個預測指標，將高壓和低壓瓦斯條件下在煤體內(nèi)測定的預測指標值相比，得到各自的敏感度，這個數(shù)值越高則表明該預測指標越敏感。

實驗室測定煤層突出敏感指標的關鍵是在實驗室模擬復制出原煤層的軟分層，決定原煤層是否突出的主要因素是工作面前方集中應力帶或原始應力帶中的軟分層，這里地應力和瓦斯壓力變化不大。這些軟分層實際上是經(jīng)過地質(zhì)構造搓揉后重新壓制成型的煤體。如果采集原煤樣，按照一定的要求壓制成型，并保證每次壓制的方法與步驟一致，再分別充入不同壓力的甲烷，即可構成性質(zhì)與原煤層相同但突出危險性不同的軟煤層，由此獲得的敏感指標及臨界值就可以用于原煤層。

2 突出預測敏感指標及臨界值的實驗室測定

2.1 煤樣的采集

新景煤礦位于陽泉市西部，3#煤層位于山西組中部，煤層厚度平均2.26 m。根據(jù)重慶煤科院2016年9 月提交的《陽泉礦區(qū)瓦斯賦存規(guī)律研究階段驗收報告》，新景煤礦3#煤層最大的瓦斯壓力為2.1 MPa，礦井巷道施工進入煤層以來，3#煤層先后發(fā)生了3 次煤與瓦斯突出。

在3#煤層北九巷道新暴露的煤層中，剝?nèi)ケ砻婷后w，采集軟分層原煤樣200～300 g，密封處理后帶回實驗室。然后又在軟分層中采集煤樣400～600 kg，用普通的煤樣袋裝運回實驗室。

2.2 原煤樣的水分測定及視密度測定

煤的水分會對軟分層的吸附性能有一定的影響，軟煤層復制前必須對原煤樣的水分進行測定。新景煤礦3#煤層原煤樣的水分測定結果見表1。

表1 新景煤礦3#煤層原始煤樣的水分測定結果Table 1 Moisture determination results of Xinjing No.3 original coal samples

原始煤樣的視密度采用MDMDY-300 型全自動密度儀進行測試。在原煤樣中選取1 塊直徑大于10 mm 的軟煤，利用電子天平稱其質(zhì)量（精度0.001 g），采用液體石蠟密封煤樣的孔隙后引入氦氣測定煤樣體積，用煤樣質(zhì)量除以煤樣的體積，即得煤樣的視密度。3 次實驗結果分別為1.363、1.359、1.357 t/m3，平均值為1.360 t/m3。

2.3 軟分層的成型壓力的確定

將原煤樣破碎成6 mm 以下，放入直徑42 mm煤樣罐中，利用液壓千斤頂對煤樣壓制，成型壓力分別設置為10、15、20、25、30、35、40、45、50 MPa。每次壓制穩(wěn)定30 min 后，從煤樣罐側面打開堵頭，用橡膠開孔器采集煤樣，放入全自動密度儀測定型煤的視密度。成型壓力下煤樣視密度的測定裝置如圖1。松弛后煤樣視密度與成型壓力的關系如圖2。 當成型壓力小于20 MPa 時，型煤視密度隨著壓力的增加快速增長；當成型壓力大于25 MPa后，型煤視密度幾乎不再增加。在成型壓力為32 MPa 時，成型煤視密度為1.36 t/m3，與新景煤礦的原煤樣的視密度相近，因此將新景煤礦3#煤層軟分層模擬復制的成型壓力確定為32 MPa[8]。

圖1 成型壓力下煤樣視密度的測定裝置Fig.1 The device for measuring the apparent density of a coal sample under the forming pressure

圖2 松弛后煤樣視密度與成型壓力的關系Fig.2 Relationship between apparent density of coal sample

2.4 軟分層的壓制

將400～600 kg 煤樣篩分到6 mm 以下，以保留煤的原微結構。加入適量水將煤樣的水分補充至與原煤樣一致，在攪拌機中攪拌均勻后裝桶密封。預測敏感指標測試平臺示意圖如圖3，軟分層在平臺左邊的長圓形缸體中進行壓制。缸體內(nèi)腔長1 120 mm，高330 mm，寬為220 mm，當采用直徑42 mm的鉆桿打鉆后，在不發(fā)生噴孔的情況下，兩邊的煤體厚度約89 mm，大于破裂帶的半徑，打鉆后短時間內(nèi)瓦斯卸壓圈不至于擴散到缸體邊緣[9]。

圖3 預測敏感指標測試平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of test platform for predictive sensitive indicators

為保證每次壓制的煤樣均勻一致，將試驗煤樣分5 次加入長圓形缸體，再推到壓力機下壓制，成型壓力為32 MPa，穩(wěn)定時長為30 min。長圓形缸體的端頭用預制的水泥堵頭進行密封。在第5 次壓制時，壓柱的下端加上密封圈，以保證測定過程不漏氣。壓制結束后用真空泵對軟分層抽真空12 h，然后用壓力機在煤體上施加圍壓（新景礦采樣點埋深為470 m，對應的圍壓為11.75 MPa），向煤體內(nèi)充入低壓甲烷，吸附甲烷平衡時間為48 h，得到1 個突出危險性較小的軟分層。重復壓制步驟，充入高壓瓦斯，則得到突出危險性較大的軟分層。

2.5 煤層突出預測敏感指標的測定

在缸體的堵頭處連接上預測煤巷突出的“線預測”裝置（圖3 右側），在打鉆過程中1 次可測定4 項預測指標。打鉆開始后，漏斗中的煤屑向下流出與鉆孔中出來的煤屑混合，充滿整個煤屑排出管，迫使瓦斯氣流沿著裝有流量傳感器的流量管排出，通過流量傳感器與數(shù)據(jù)采集器記錄鉆孔中涌出的瓦斯流量，從而計算出單位長度鉆孔瓦斯涌出量Q；在流量管下方的取樣口定點采集煤樣，用于測定鉆屑解吸指標K1值和△h2；打鉆過程中鉆桿進入軟煤的深度為1 m，收集打鉆前后漏斗中和煤屑出口管處落下的煤屑，稱重后得到鉆屑量S。

鉆孔打完后，清除缸體內(nèi)的殘余煤樣，再重新壓制一次煤樣，按同樣的要求抽真空12 h 并施加上與待測煤層同樣的圍壓，但第2 次充入瓦斯的瓦斯壓力較高，吸附平衡48 h 后按同樣的方法和順序測定這4 項預測指標。新景煤礦3#煤層突出預測指標敏感度測定結果見表2。

表2 新景煤礦3#煤層突出預測指標敏感度測定結果Table 2 Measurement results of relative sensitivity of outburst prediction index of No.3 coal seam in Xinjing Coal Mine

2 次測定的同一指標的比值即為該指標的敏感度。從表2 可以看出，2 次模擬軟分層充入的瓦斯壓力分別為0.263、0.811 MPa，突出危險性相差較大。但測定的煤屑解吸指標△h2分別為162.56 Pa 和259.45 Pa，△h2指標的敏感度為1.60；K1值的敏感度為1.72；最差的是鉆屑量S，敏感度僅為1.20，屬于非常不敏感的指標。單位長度鉆孔瓦斯涌出量Q的敏感度達到3.26，說明單位長度鉆孔瓦斯涌出量是最敏感的預測指標。

2.6 煤層突出預測敏感指標臨界值的測定

最敏感的預測指標確定后，有2 種獲得敏感指標臨界值的方法：

1）通過突出模擬試驗。專用的突出模擬裝置缸體內(nèi)徑528 mm，內(nèi)高390 mm，突出口直徑達200 mm，突出模擬裝置如圖4。按同樣的方法壓制1 個厚度大于200 mm 的軟分層，抽真空并充入瓦斯，然后突然打開橫梁，造成突然暴露的條件。判斷煤體發(fā)生突出的標準是橫梁打開后，堵頭自行推出，垮落的煤量占總煤量的5%以上[10]。通過調(diào)整充入瓦斯的壓力，找到1 個最逼近突出的臨界瓦斯壓力值，再通過測試平臺向模擬煤體充入同樣高壓力的瓦斯，即可測出該敏感指標的臨界值。

圖4 突出模擬裝置Fig.4 The device of simulating outburst

2）測定反映煤層突出危險性的指標。在預測敏感指標測試平臺中測定各個突出預測指標后，采集煤樣后在同樣的瓦斯壓力和溫度下測定其初始釋放瓦斯膨脹能指標。初始釋放瓦斯膨脹能是一項準確反映煤層突出危險性的指標，試驗證明，當初始釋放瓦斯膨脹能大于等于42.98 mJ/g 時，煤層可能發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象[11]。確定新景煤礦3#煤層突出臨界值時，發(fā)現(xiàn)鉆進速度會影響單位長度鉆孔瓦斯涌出量的測定值，因此先按快速鉆進的方式打鉆測了8次，測點圖標為正方形，后面又按慢速鉆進的方式測定了4 次，單位長度鉆孔瓦斯涌出量與膨脹能之間的關系如圖5。

依據(jù)2 種鉆速測定的結果，推導出把任一鉆速時測得的單位長度鉆孔瓦斯涌出量換算成快速鉆進時對應數(shù)據(jù)的計算公式：

式中：Lz為快速鉆進時對應的單位長度鉆孔瓦斯涌出量，L/m；L 為任一鉆速時測定的單位長度鉆孔瓦斯涌出量，L/m；t 為任一鉆速鉆進1 m 鉆孔用的時長，min。

快速鉆進時測定的曲線與膨脹能42.98 mJ/g 的交點是47.60 L/m，表明在快速打鉆時單位長度鉆孔瓦斯涌出量的突出臨界值就是47.60 L/m。將式（1）及快速鉆進時的突出臨界值輸入到預測煤巷突出的“線預測”裝置的數(shù)據(jù)采集器，由采集器內(nèi)置的計算程序進行換算和判斷后，即可以在新景煤礦的3#煤層進行突出預測。

3 突出預測敏感指標及臨界值的現(xiàn)場驗證與應用

現(xiàn)場測試工作在新景煤礦3#煤層北九煤層巷道進行，每個循環(huán)測定3 個鉆孔的瓦斯涌出量，每個鉆孔鉆進深度10～12 m，可以獲得9～11 個單位長度鉆孔瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，分別與47.60 L/m 對比。同時，每個循環(huán)還測定了3 個鉆屑解吸指標值K1值和1 個鉆屑量指標S，分別與規(guī)定的突出臨界值（0.5 mL/（g·min0.5）和6 kg）進行比較。總共測定了50 個掘進循環(huán)，每次預測結果中只要有1 個位置的指標超標，就預測為有突出危險。但50 個預測結果中所有數(shù)據(jù)都低于臨界值，預報無突出危險50 次，事后的掘進中均未見到任何瓦斯動力現(xiàn)象，共安全推進巷道約500 m，實際無突出危險50 次，預測無突出危險的準確率100%，這一結果說明預測的結果符合該煤層的實際情況。新景煤礦北九巷道煤層突出預測指標數(shù)據(jù)分布圖如圖6。

圖6 新景煤礦北九巷道煤層突出預測指標數(shù)據(jù)分布圖Fig.6 Distribution diagram of coal seam outburst prediction index in north ninth roadway of Xinjing Coal Mine

將這段預測巷道中各項預測指標的最大測定值與最小值比較，可以看出，K1值的敏感度為1.63，鉆屑量為1.96。而單位長度鉆孔瓦斯涌出量敏感度最大，達到5.81?，F(xiàn)場測定的情況說明，單位長度鉆孔瓦斯涌出量指標在新景煤礦3#煤層是最敏感的，其測定的臨界值也是合適的。即經(jīng)實驗室模擬試驗得到的最敏感指標及臨界值在現(xiàn)場得到了驗證，證明這種方法是有效的。

單位長度鉆孔瓦斯涌出量預測指標可以區(qū)分有突出危險煤與無突出危險煤的關鍵在于其反映了地應力、瓦斯和煤體結構3 大突出的主要因素，即在鉆孔過程中煤體暴露初期的涌出瓦斯量。鉆屑指標法測量的瓦斯脫離了地應力作用，測量時已暴露幾分鐘，鉆孔瓦斯涌出初速度測定的是停鉆后在地應力作用下的瓦斯涌出，測定開始前煤層已暴露一段時間。無論鉆屑還是鉆孔瓦斯涌出初速度，瓦斯涌出的特征是煤暴露初期最大，以后急劇減小。鉆屑解吸指標和鉆孔瓦斯涌出初速度測定的瓦斯信息均是在煤體暴露幾分鐘以后的靜態(tài)數(shù)據(jù)，故其敏感度鈍化、測值降低。而單位長度鉆孔的瓦斯涌出量是測定鉆孔過程中地應力作用下暴露初期的鉆屑和鉆孔釋放的瓦斯量之和，故其敏感度要比其它預測指標高得多。至于鉆屑量指標，反映的主要是地應力和煤體強度，反映瓦斯壓力的影響較少，故敏感度較差。

4 結 語

1）通過壓制原煤層的軟分層煤樣，可以形成視密度和水分與原煤層軟分層一致的模擬軟分層，為突出預測敏感指標的實驗室測定打下了基礎。

2）在充入低壓瓦斯和高壓瓦斯的模擬軟分層中打鉆測定各項突出預測指標，得到各項預測指標的敏感度，通過比較可以優(yōu)選出原煤層的最敏感指標。

3）在實驗室通過突出模擬或測定煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能，可以確定最敏感指標的突出臨界值。

4）實驗室測定的模擬軟分層的敏感指標及臨界值的方法，經(jīng)現(xiàn)場驗證證明是可行的，可以直接用于煤巷突出預測，避開了現(xiàn)場探測敏感指標過程中突出的威脅。