祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析＊

翟清偉 程遠平 王 亮 周紅星 舒龍勇

（中國礦業大學煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇省徐州市，221008）

祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析＊

翟清偉 程遠平 王 亮 周紅星 舒龍勇

（中國礦業大學煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇省徐州市，221008）

為了確定祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標的敏感性，采用實驗室實驗和現場統計分析相結合的方法進行研究。通過實驗室模擬現場測定指標，掌握鉆屑瓦斯解吸指標與吸附平衡壓力之間的關系，結合煤層區域預測指標（瓦斯壓力）得到指標的參考臨界值。以714運輸巷為考察對象，采用現場實測方法研究指標的分布規律和相關性，并利用臨界值迫近度法對敏感性進行定量分析，結果表明：在突出危險性預測和效果檢驗工作中，祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標Δh2相對K1敏感性更高，可作為主要預測指標。

鉆屑瓦斯 解吸指標 敏感性 迫近度

鉆屑瓦斯解吸指標反映了煤的吸附解吸特性，主要應用于工作面突出危險性預測和區域效果驗證，確定其敏感性是瓦斯防治工作的基礎。不同礦區指標的敏感程度是不一樣的，主要受到地質、開采條件、操作誤差等多方面因素的影響。指標敏感性分析必須兼顧安全、經濟原則。許多礦井運用指標進行預測和效果檢驗時常會出現誤報，甚至出現效果檢驗測值超過防突措施施工前的預測值的情況，給預測和效果檢驗工作帶來了很大的不便。本文以祁南煤礦72＃煤層為研究對象，采用實驗室模擬實驗和現場統計分析相結合的方法研究鉆屑瓦斯解吸指標敏感性，確定主要預測指標，為突出煤層的突出危險性預測和效果檢驗提供了保障，具有重大的理論參考價值和現實意義。

1 礦井及試驗煤層概況

祁南煤礦是煤與瓦斯突出礦井，核定生產能力300萬t／a，礦井采用立井分水平階段石門開拓方式，全井田劃分為兩個水平（一水平為－550m，二水平為－750m）。礦井主采煤層為中32＃、72＃和10＃煤層。

72＃煤層厚度0～7.36m，平均2.64m，以中厚煤層為主，結構較復雜，屬較穩定煤層。煤層具有突出危險性，曾多次發生煤與瓦斯突出事故，最大突出煤量96t，最大突出瓦斯量11500m3。現場實測煤層最大瓦斯壓力為3.5MPa，壓力梯度為1.94MPa／hm，2009年中國礦業大學對72＃煤層區域預測認為標高－435m以深為突出危險區。

2 指標敏感性確定方法

2.1 測定原理及物理意義

將含瓦斯煤樣瞬間暴露于大氣中或類似于大氣環境條件的儀器中，根據等容或變容變壓解吸原理測定煤樣在不同時間段的瓦斯解吸量或不同時刻的瓦斯解吸速度，然后根據測定數據與煤樣暴露時間的關系進行相應的數學處理，得到鉆屑瓦斯解吸指標值。

鉆屑瓦斯解吸指標是煤在瞬間暴露后不同時段解吸瓦斯量的數學體現。K1是基于巴雷爾公式推算出來的初始瓦斯解吸速度，反映的是煤樣第1min的瓦斯解吸量；Δh2是特定儀器下的解吸引起的壓力差，反映的是煤樣第4min和第5min的瓦斯解吸量。

圖1 鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析技術路線圖

2.2 確定方法

圖1為鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析路線。首先采集典型煤樣送至實驗室進行制備，然后通過實驗室模擬測定鉆屑瓦斯解吸指標，回歸擬合得到吸附平衡壓力與指標之間的關系，結合區域預測指標（瓦斯壓力），初步得到指標參考臨界值。然后選擇跟蹤考察對象，采用現場實測方法對鉆屑瓦斯解吸指標的分布規律和相關性進行研究，利用臨界值迫近度法對鉆屑瓦斯解吸指標的敏感性進行定量分析。

3 實驗室模擬實驗

從714運輸巷采集原始煤樣，通過篩分得到粒徑1～3mm的煤樣，裝入煤樣罐。將煤樣罐置于60℃恒溫水浴中，用真空泵抽真空8h以上，去除煤樣吸附氣體使煤樣罐內處于真空狀態。向煤樣罐中充入不同壓力的甲烷氣體（濃度99.9%），將煤樣罐置于在30℃恒溫水浴中48h，待煤樣達到吸附平衡后進行指標測定。鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2分別通過WTC瓦斯突出參數測定儀和MD－2瓦斯解吸儀測定。實驗室模擬指標測定結果見圖2。

測定步驟：打開煤樣罐，將暴露煤樣盡快裝入WTC瓦斯突出參數測定儀的煤樣杯內，將煤樣自然裝滿。暴露時間為1min左右時，按下測試鍵，測試結束后，輸入從煤樣暴露到測定開始的時間，儀器將根據測定的數據自動計算出K1；同時，將暴露煤樣迅速裝入MD－2瓦斯解吸儀的煤樣瓶至刻度線位置，暴露時間3min時開始測定，2min后讀出水柱壓差，并根據煤樣標準重量（10g）進行重量校正，即為Δh2。

圖2 鉆屑瓦斯解吸指標隨瓦斯壓力變化規律

對測定結果進行擬合，得出指標與瓦斯壓力呈冪函數關系，見式（1）、式（2），相關指數均在0.99以上。

72＃煤層區域預測的主要指標瓦斯壓力的臨界值為0.74MPa，計算可得出Δh2和K1參考臨界值分別為170Pa和0.22ml／（g·min0.5）。

4 鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析

4.1 現場跟蹤考察對象

714運輸巷標高－480～－500m，埋深較深，處于突出危險區。714運輸巷于2005年1月開始施工，采用邊掘邊抽結合掘進工作面淺孔排放等“四位一體”綜合防突措施。掘進過程中主要采用鉆屑瓦斯解吸指標法進行突出危險性預測和效果檢驗，一般向工作面前方煤體施工3個鉆孔，孔深10m，鉆孔直徑取42mm。在打鉆過程中，每隔2 m利用儀器對Δh2和K1指標進行測定。圖3為714運輸巷掘進工作面鉆屑瓦斯解吸指標法預測鉆孔布置示意圖。

圖3 714運輸巷掘進工作面鉆屑指標法預測鉆孔布置示意圖

4.2 指標敏感性分析

4.2.1 分布規律

在714運輸巷掘進期間，為了預測工作面前方煤體突出危險性，測定了大量Δh2和K1數據，指標分布情況見圖4。

參照《防治煤與瓦斯突出規定》所規定的干煤樣鉆屑瓦斯解吸指標臨界值（K1為0.5ml／（g·min0.5），Δh2為200Pa）和實驗室模擬得出的參考臨界值，對714運輸巷掘進工作面預測指標的超標情況進行統計分析，如表1所示。

圖4 714運輸巷鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2分布圖

參照規定臨界值，K1指標沒有超標現象，而Δh2指標的超標率達到35.44%，且當Δh2指標超標時往往會出現頂鉆、卡鉆等動力現象；參照參考臨界值，K1指標超標率為12.66%，而Δh2指標的超標率達到39.24%，且當Δh2指標超標而K1未超標時曾出現頂鉆、卡鉆等動力現象。兩個指標超標情況的差異可能是由于K1指標敏感性較低等因素造成的。從安全和經濟角度考慮，礦井現行參照《防治煤與瓦斯突出規定》的鉆屑瓦斯解吸指標體系是不合理的。若K1臨界值降至0.16ml／（g·min0.5），兩者超標率較為接近，但根據K1和瓦斯壓力之間的關系，對應的瓦斯壓力為0.40MPa，遠小于0.74MPa。

表1 714運輸巷鉆屑瓦斯解吸指標超標情況統計表

4.2.2 相關性分析

表2、圖5體現的是K1和Δh2指標的相關性，通過計算可以得到兩個指標的相關系數及決定系數。

由表2可以看出，兩個樣本數據都在0.01水平上顯著相關，樣本可以代表指標的相關性。兩者的相關系數為0.623，處于0～0.8之間，表明兩個指標之間具有正相關性，但線性相關程度不強。決定系數是相關系數的平方，表示一個變量波動可由另一個變量解釋的百分比。決定系數小于0.4，說明指標間共享的特征較少。

對數據進行統計可知，Δh2＞170Pa且K1＞0.22ml／（g·min0.5）的預測次數為7次，占預測總次數的8.8%；當K1＞0.22ml／（g·min0.5）時，Δh2的平均值為212Pa，遠大于總體平均值151Pa；當Δh2＞170Pa時，K1的平均值為0.17 ml／（g·min0.5），略大于總體平均值0.15mL／（g·min0.5）。這說明當預測區域變化時，鉆屑瓦斯解吸指標表現的同向等量變化性質較弱，可以認為兩個鉆屑瓦斯解吸指標敏感性不同。

表2 鉆屑瓦斯解吸指標相關性分析表

圖5 鉆屑瓦斯解吸指標間相關性分析圖

4.2.3 敏感性定量分析

為了直觀地比較指標的敏感性，可以分析數據的離散程度，離散程度越高，敏感性越強。定義預測指標與其對應的突出臨界值的比值為該指標相對臨界值迫近度。迫近度是一個無量綱的量，可以屏蔽兩個指標單位上的差異，體現的是測值與突出危險狀態的相對迫近程度。714運輸巷預測指標迫近度分布如圖6所示，由圖可以直觀地看出指標Δh2比K1圍繞臨界值的波動性更強。

圖6 714運輸巷鉆屑瓦斯解吸指標迫近度分布圖

極差和標準差是反映一組數據離散程度最常用的兩個參數，極差和標準差越大則離散程度越大。由表3可以看出Δh2迫近度的極差和標準差都大于K1迫近度，Δh2指標的現場預測數據離散程度更高，波動性更強。表明祁南煤礦72＃煤層突出危險性預測工作中Δh2指標比K1指標更加敏感，可作為主要預測指標。

表3 714運輸巷鉆屑瓦斯解吸指標迫近度計算表

5 結論

（1）確定了祁南煤礦72＃煤層鉆屑瓦斯解吸指標敏感性研究的技術路線，即采用實驗室模擬測定和現場試驗的方法進行敏感性分析。

（2）對實驗室模擬實驗進行分析，得出鉆屑瓦斯解吸指標與瓦斯壓力呈冪函數關系；對現場預測數據統計并用迫近度法進行定量分析，表明Δh2指標相對K1指標在突出危險性預測中敏感性更強，可作為主要預測指標。

［1］ 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，2005

［2］ 俞啟香，程遠平.礦井瓦斯防治［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2011

［3］ 程遠平.煤礦瓦斯防治理論與工程應用［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2010

［4］ 張向陽，魏風清，史廣山等.孟津礦鉆屑瓦斯解吸指標臨界值研究［J］.中國煤炭，2010（12）

［5］ 楊國梁，吳世躍，郭勇義等.寺河煤礦鉆屑解吸指標區域臨界值的確定［J］.中國煤炭，2010（2）

［6］ 孫東玲.突出敏感指標及臨界值確定方法的探討與嘗試［J］.煤炭工程師，1996（4）

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［8］ 周概容.統計學原理［M］.天津：南開大學出版社，2004

Analysis of sensitivity of gas desorption index of drill cuttings in No.72coal seam in Qinan Coal Mine

Zhai Qingwei，Cheng Yuanping，Wang Liang，Zhou Hongxing，Shu Longyong
（National Engineering Research Center for Coal Gas Control，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

In order to determine the sensitivity of gas desorption index of drill cuttings in No.72coal seam in Qinan coal mine，the paper adopts the laboratory experiment combining with field statistical analysis method.Through the index obtained from laboratory simulation，the relation between gas desorption index of drill cuttings and adsorption equilibrium pressure is grasped，and combining which with the predicted index（gas pressure）in coal seam area，the critical value of the gas desorption index of drill cuttings is also worked out.Taking the 714main roadway as the investigating object，the paper adopts the field tests to analyze the distribution law and relevance of the indices，and uses the closeness degree to critical value method to make quantitative analysis.The result indicates that in the work of predicting the danger of gas outburst and testing its effect in No.72coal seam in Qinan coal mine，the gas desorption index of drill cuttings has higher sensitivity than and it can be used as the main predicting index.

gas desorption index of drill cuttings，sensitivity，closeness degree

TD712.3

A

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2011CB201204）；國家自然科學基金面上項目（51074160）；國家自然科學基金項目（50904068）；國家自然科學基金項目（51004106）

翟清偉（1986－），男，漢，山東滕州人，在讀碩士研究生，主要研究方向為煤礦瓦斯防治。

（責任編輯 梁子榮）