郭鑫

（晉能控股裝備制造集團有限公司 寺河煤礦，山西 晉城 048200）

0 引 言

目前，礦井深部開采已成趨勢，高地應(yīng)力、高瓦斯壓力造成的煤與瓦斯突出危險對工作面安全開采造成巨大的隱患。如何去進行煤與瓦斯突出危險的預(yù)測顯得尤為重要，確定煤與瓦斯突出預(yù)測指標臨界值是預(yù)測的核心和定量指標[1-3]。礦井依托現(xiàn)場的實際情形初步確定煤與瓦斯突出危險的臨界值，但在安全、經(jīng)濟的原則下，需要進一步實驗和研究，得到能準確指導(dǎo)現(xiàn)場工作的結(jié)果。因此，本文開展煤層突出預(yù)測敏感性指標的研究，以期為煤與瓦斯突出礦井提供理論支持，從而保證礦井的安全開采。

1 瓦斯賦存規(guī)律

1.1 礦井基本概況

晉城礦區(qū)現(xiàn)主采3 號煤層，煤層平均厚度為6.6 m，傾角為6°，屬于近水平煤層。主要采用綜采開采，直接頂板為泥砂互層，隨采隨冒，基本頂為細砂巖，煤層底板為砂質(zhì)泥巖與炭質(zhì)泥巖互層。目前，寺河?xùn)|井區(qū)南部區(qū)塊3 號煤層已大面積開采，采空范圍較大，現(xiàn)主采北部區(qū)塊東五盤區(qū)煤層。以井底標高+350 m 作為水平標高，2022 年現(xiàn)場實施煤層取樣進行瓦斯參數(shù)基本測定，測定結(jié)果為東井區(qū)礦井絕對瓦斯涌出量為1 117.06 m3/min，相對瓦斯涌出量為95.82 m3/t，回采工作面最大瓦斯涌出量為58.29 m3/min，掘進面最大瓦斯涌出量為9.43 m3/min，屬于突出礦井。

1.2 3 號煤層瓦斯基本參數(shù)測定

選取了東五中部瓦斯抽采措施二巷、東五東翼回風三巷、東六瓦斯抽采模塊一巷共3 個測試點開展軟硬煤工業(yè)分析、密度大小和孔隙率測試，以下簡稱東五二巷、東五一巷及東六一巷，見表1，煤樣吸附常數(shù)及突出指標測定見表2。

表1 3 號煤層煤工業(yè)分析、真假密度和孔隙率Table 1 Coal industrial analysis,true and false density and porosity of No.3 coal seam

表2 3 號吸附常數(shù)及突出指標測定結(jié)果Table 2 No.3 adsorption constant and prominent index determination results

寺河煤礦東井3 號煤層原生硬煤所測煤樣水分為2.48% ～3.06%，灰分為5.36% ～15.36%，揮發(fā)分為9.73% ～13.14%，孔隙率為5.59% ～5.92%；軟分層煤所測煤樣水分為2.04%～2.59%，灰分為12.26% ～16.56%，揮發(fā)分為11.39% ～17.25%，孔隙率為5.43%～5.72%。

寺河煤礦東井區(qū)3 號煤層原生硬煤所測煤樣瓦斯放散初速度ΔP 為36 ～50 mmHg，構(gòu)造軟煤瓦斯放散初速度P 為47 ～50mmHg，兩者均超過臨界值10 mmHg，屬于易發(fā)生煤與瓦斯突出煤層。

寺河煤礦東井區(qū)3 號煤層原生硬煤所測煤樣堅固性系數(shù)f 為1.15 ～1.99，堅固性指標超過0.5；而軟分層煤的硬度低堅固性系數(shù)f 為0.21 ～0.42，堅固性系數(shù)小于臨界值0.5，說明瓦斯突出更容易發(fā)生在軟分層。

2 煤巖解吸實驗

為了獲取3 號煤層的解吸規(guī)律，實驗室開展了鉆屑解吸指標測定實驗，分別在0.74、1、2、3、4 MPa 吸附平衡壓力下開展實驗。同時，為了保證測試結(jié)果的無關(guān)聯(lián)，當K1值和Δh2值測試時采取兩套儀器進行平行實驗，取最大值作為最終的實驗結(jié)果。

在相同的吸附平衡壓力下開展煤樣解吸實驗，考察煤樣在120 min 內(nèi)的瓦斯解吸規(guī)律，結(jié)合K1值和Δh2值的意義，考察在第1 min 和第4 ～5 min的瓦斯解吸量，從而與K1值和Δh2值相互驗證。

根據(jù)圖1、圖2 所示，無論硬煤與軟煤瓦斯解吸量都隨著時間推進而遞增，但是斜率變化即為瓦斯解吸速率在0 ～10 min 最大，隨后降低直至不變；同時，同一時刻，隨著吸附平衡壓力的增大，煤樣的解吸量增大，說明了此時解吸速率也更大。在相同時間、地點的條件下，軟煤的解吸量大于硬煤，說明了軟煤的解吸速率高于硬煤；一段時間后，軟分層煤的解吸曲線趨更加趨于平緩，軟分層煤的解吸速度會比原生煤變慢。

圖1 硬煤解吸實驗結(jié)果Fig.1 Desorption experimental results of hard coal

圖2 軟煤解吸實驗結(jié)果Fig.2 Soft coal desorption experimental results

為了進一步研究3 號煤層初始解吸量與累積量的關(guān)系，在吸附平衡壓力為0.74、1、2、3 及4 MPa 作用下，開展第1、4 及5 min 的解吸量及120 min 內(nèi)累積量統(tǒng)計，并計算出對應(yīng)的占比（表3）。

表3 3 號煤初始解吸量與累計量的關(guān)系Table 3 Relationship between initial desorption amount and cumulative amount of No.3 coal

東五二巷硬煤第1 min 初始瓦斯解吸量為第4～5 min 的2.42 ～7.35 倍，東五二巷軟煤第1 min初始瓦斯解吸量為第4 ～5 min 的12.25 ～24.50倍，東六一巷硬煤第1 min 初始瓦斯解吸量為第4～5 min 的0.55 ～3.43 倍，東六一巷軟煤第1 min的瓦斯解吸量為第4 ～5 min 的13.37 ～25.65 倍。

綜合可知，原生硬煤和軟分層煤第1 min 解吸量占120 min 累計量的平均比例分為16.06%和37.22%，相差很大；原生硬煤和軟分層煤第4 ～5 min 解吸量占120 min 累計量的平均比例分為5.13%和2.21%，相差并不大。

國內(nèi)外很多學者研究已經(jīng)證明煤樣第1 min 和第4 ～5 min 的瓦斯解吸量與平衡壓力之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，將各煤樣擬合關(guān)系作于圖3 中，并將擬合函數(shù)列于表4。

圖3 煤樣不同時間瓦斯解吸量與壓力曲線Fig.3 Gas desorption and pressure curves of coal samples at different time

表4 不同時間解吸量與壓力的擬合關(guān)系Table 4 Fitting relationship between desorption amount and pressure at different time

本文取粒徑在1 ～3 mm 的原生煤和構(gòu)造煤的鉆屑在實驗室進行了不同壓力下的實驗，最終得到了鉆屑解吸K1指、Δh2標與壓力的擬合關(guān)系見表5。

表5 鉆屑解吸K1 指、Δh2 標與壓力的擬合關(guān)系Table 5 Fitting relationship between desorption K1,Δh2 and pressure

4 東井區(qū)3 號煤層瓦斯突出預(yù)測指標敏感性與臨界值

4.1 3 號煤層瓦斯突出區(qū)域預(yù)測指標敏感性分析

根據(jù)軟分層煤樣的工業(yè)分析和吸附常數(shù)的測定結(jié)果，取其平均值后帶入式（1） 中做出絕對瓦斯壓力與瓦斯含量關(guān)系如圖4 所示。

圖4 軟煤絕對瓦斯壓力與瓦斯含量曲線Fig.4 Curve of absolute gas pressure and gas content of soft coal

式中：V 為單位質(zhì)量煤的孔隙容積，m3/t；p 為煤層瓦斯壓力，MPa；T0, p0為標準狀態(tài)下的絕對溫度，℃和壓力，MPa；ζ 為瓦斯壓縮系數(shù)；a 為煤的極限瓦斯吸附量，m3/t；b 為吸附常數(shù)，MPa-1；t0為實驗室測定煤吸附常數(shù)時的實驗溫度，℃；t 為煤層溫度，℃；A、W 分別為煤的灰分和水分，%。

由此可知，3 號煤層瓦斯含量、絕對瓦斯壓力及相對瓦斯壓力分別為8.00、0.43 及0.33 MPa，考慮3 號煤層為高變質(zhì)程度的無煙煤，最終確定寺河煤礦東井區(qū)3 號煤層的瓦斯含量指標對突出敏感性大于瓦斯壓力。

4.2 3 號煤層瓦斯突出區(qū)域預(yù)測指標臨界值確定

目前，針對于瓦斯突出區(qū)域預(yù)測指標臨界值的確定，主要有采用經(jīng)驗公式確定最小的瓦斯壓力臨界值[6-7]，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》中瓦斯壓力和瓦斯含量突出臨界值確定及依據(jù)礦井區(qū)域突出預(yù)測指標臨界值確定。

綜合確定東井區(qū)3 號煤層區(qū)域突出預(yù)測和效果檢驗指標值為8 m3/t，包括構(gòu)造帶內(nèi)瓦斯含量臨界值為6 m3/t。

4.3 3 號煤層局部預(yù)測指標敏感性分析

在前節(jié)中發(fā)現(xiàn)實驗室測定得到的原生硬煤和軟分層煤相同壓力下K1值差距很大，而兩者相同壓力下的Δh2值則差距不明顯。為了能更好的對比軟分層煤與原生硬煤突出預(yù)測指標的敏感性，特將實驗室實測構(gòu)造煤K1、Δh2與根據(jù)敏感指標與壓力的函數(shù)關(guān)系推算得到相同壓力下原生煤K1[8-9]、Δh2進行對比[10-11]，具體情況見表6、表7。

表6 軟分層煤和原生硬煤K1 值指標差值Table 6 K1 value index difference between soft layered coal and primary hard coal

表7 軟分層煤和原生硬煤Δh2 值指標差值Table 7 Difference of Δh2 value index between soft stratified coal and primary hard coal

綜上所述，認為東井區(qū)3 號煤層的局部鉆屑解吸指標K1值更加敏感，Δh2值指標次之。

4.4 3 號煤層局部預(yù)測敏感指標臨界值確定

將煤層發(fā)生瓦斯突出的臨界瓦斯壓力代入構(gòu)造煤鉆屑解吸指標與壓力的關(guān)系式中即可得出鉆屑瓦斯解吸指標的臨界值，具體情況見表8。

表8 鉆屑解吸指標臨界值確定Table 8 Determination of critical value of drilling cuttings desorption index

因此最終得到東井區(qū)3 號煤層局部突出危險性預(yù)測敏感指標為鉆屑解吸指標K1值，臨界值為0.50 mL/(g·min0.5)；指標Δh2值作為輔助指標，臨界值為200 Pa。

5 東井區(qū)3 號煤層預(yù)測指標的現(xiàn)場驗證

根據(jù)礦井現(xiàn)在瓦斯抽采和巷道掘進現(xiàn)狀，礦井現(xiàn)在可供考察的區(qū)域已經(jīng)均是經(jīng)過瓦斯抽采的區(qū)域，主要的現(xiàn)場考察6 個地點，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場考察地點Fig.5 Site investigation site

東五區(qū)中部瓦斯抽放措施二巷主要是在1 號橫川以里0 前方351 m 范圍，東五區(qū)東翼瓦斯抽放二巷8 號橫川以里5 m 前方310 m 范圍，東六區(qū)瓦斯抽放模塊一/ 二巷主要在瓦斯抽放模塊一巷7 號橫川以里56 m 處前方120 m 范圍、瓦斯抽放模塊一巷7 號橫川以里0 前方120 m 范圍、瓦斯抽放模塊二巷7 號橫川以里0 前方120 m 范圍。瓦斯含量現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)如圖6 ～圖8 所示。

圖6 東五二巷瓦斯含量現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)Fig.6 Field investigation data of gas content in East 52 roadway

圖7 東五一巷瓦斯含量現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)Fig.7 Field investigation data of gas content in East Wuyi Lane

圖8 東六一/二巷瓦斯含量現(xiàn)場考察數(shù)據(jù)Fig.8 Field investigation data of gas content in East 61/2 roadway

3 個考察地點的瓦斯含量主要在6.54 ～7.85 m3/t 波動，因此瓦斯含量作為區(qū)域指標具有敏感性；在考察過程中測得瓦斯含量值均低于此次確定的臨界值8 m3/t，在此過程中也未出現(xiàn)瓦斯動力現(xiàn)象，說明將瓦斯含量8 m3/t 作為臨界值是合理的。

6 結(jié) 論

（1） 通過理論分析、實驗測試和現(xiàn)場考察等確定了寺河煤礦東井3 號煤層區(qū)域敏感指標為煤層瓦斯含量，局部敏感指標為鉆屑指標K1值。

（2） 寺河煤礦東井區(qū)域預(yù)測指標3 號煤層的瓦斯含量指標對突出更加敏感，瓦斯壓力指標次之；綜合確定東井區(qū)3 號煤層區(qū)域突出預(yù)測和效果檢驗指標值為8 m3/t，涵蓋構(gòu)造帶煤層瓦斯含量臨界值為6 m3/t。