中嶺煤礦煤與瓦斯突出局部預測指標敏感性確定方法研究

章 飛

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

隨著礦井開采向深部延伸，煤與瓦斯突出動力災害成為礦井開采的主要災害之一，嚴重威脅著礦井的安全生產。針對煤與瓦斯突出災害的防治，學者開展了大量的研究工作，歸納起來主要有以下幾個方面：一是煤與瓦斯突出機制研究[1-2]；二是煤與瓦斯突出危險性預測方面的研究工作[3-4]；三是煤與瓦斯突出防治措施[5-6]；四是安全防護措施[7]。其中，煤與瓦斯突出危險性預測是防治煤與瓦斯突出災害的關鍵環節，突出危險性預測的準確性直接決定了煤與瓦斯突出災害發生的概率。對于煤層突出危險性預測存在大量指標，官方規定的指標就有多種，如煤與瓦斯突出危險性鑒定的4個單項指標：瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、堅固性系數、煤層破壞類型；區域預測指標包括瓦斯壓力、瓦斯含量；局部預測指標包括鉆屑解吸指標、鉆屑量指標、鉆孔瓦斯涌出初速度指標[8]；除此之外還有大量學者提出的其他指標，如聲發射指標[9-10]、電磁輻射預測指標[11-12]等。生產實踐表明，同一預測指標對于不同地質條件、不同瓦斯條件下的煤層其突出危險性預測的敏感性可能不同，甚至對于同一工作面在不同的采掘工藝條件下其突出危險性預測的敏感性也可能會不同；反之，不同的預測指標對地質、瓦斯和開采工藝相同條件的工作面也會存在不同的突出危險性預測敏感程度。因此，根據礦井的實際情況確定出適合于礦井的突出危險性預測指標，對煤與瓦斯突出災害的防治至關重要。

目前針對預測指標敏感性的分析，學者開展了大量的研究。張銳等[13]僅開展了鉆屑指標K1值和Δh2的敏感性對比分析，對于其他局部預測指標的敏感性未進行研究；李躍華等[14]采用干濕煤樣，以實驗的方法研究了局部預測指標K1值和Δh2的敏感性；解鵬雁[15]基于現場實測預測指標數據，采用三率法確定了煤層突出預測敏感指標；王云剛等[16]采用模糊類聚和灰色關聯的理論分析的方法研究了突出預測指標的敏感性；魏遠等[17]采用理論分析與實驗室研究相結合的方式開展平溝煤礦預測指標敏感性的研究。上述研究取得了豐富的成果，但也存在兩方面問題：一是對預測指標敏感性的研究方法以實驗室和理論分析為主，與現場實際的情況結合較少，更沒有建立系統、全面的指標敏感性分析方法；二是所選擇的預測指標不夠全面、系統。本文以中國嚴重突出區域織納煤田中嶺煤礦3#煤層為研究對象，對防治煤與瓦斯突出細則中所規定的局部預測指標的敏感性進行了研究，基于3#煤層現場的實際情況，以實際突出規律和特征為基礎，建立了系統、全面的突出危險性局部預測指標敏感性分析方法，并通過現場實際考察確定出了局部預測指標的敏感性程度，以讓讀者了解突出危險性局部預測指標敏感性現場研究方法。

1 敏感指標考察標準建立

1.1 中嶺煤礦煤與瓦斯突出特征

中嶺煤礦一井從建礦至今共發生了9次煤與瓦斯突出事故，基于對其突出資料的統計和分析，中嶺煤礦的突出具有如下特征：①所有突出均是發生在斷層附近，通過在現場對斷層附近煤層的觀察，煤層層理紊亂，呈鱗片狀，其煤體受搓揉之后重新被壓實，煤體較軟，同時經過對斷層帶附近3#煤層瓦斯基本參數的測定，其瓦斯含量較大，達到了14 m3/t，煤體放散初速度較大，堅固性系數較小；②突出過程中瓦斯涌出量較大，所以3#煤層的突出是以瓦斯為主導作用的突出；③發生突出區域，有一定的應力集中現象。

基于上述中嶺煤礦煤與瓦斯突出的特征可得出中嶺煤礦煤與瓦斯突出具有如下規律：①存在有構造的地方(斷層、煤層厚度變化較大處)其突出危險性較非構造帶要大；②3#煤層的突出危險性會隨煤層內瓦斯含量的增加而增加；③3#煤層應力集中帶內，所發生突出的危險性較原始應力帶及卸壓帶內要大。

1.2 預測指標敏感性分析標準

預測指標所反映出煤層的真實煤與瓦斯突出危險性程度，直接決定了煤與瓦斯突出危險性預測的敏感程度，因此，根據嶺煤礦煤層煤與瓦斯突出規律，可建立如下中嶺煤礦煤層煤與瓦斯突出危險性局部預測指標敏感性分析標準：①考察各預測指標隨煤層瓦斯賦存變化而變化的情況，如果指標測定值隨瓦斯的增大而增大，證明該指標是敏感的，否則不敏感；②考察各指標隨煤層賦存變化而變化的情況，如果指標測定值在煤層賦存異常區域較正常區域明顯增大，證明該指標是敏感的，否則不敏感；③考察各指標隨地應力的變化情況，如果指標測定值在應力集中區域內較正常區域或卸壓區域內明顯增大，證明該指標是敏感的，否則不敏感。

2 預測指標敏感性現場考察研究

根據防治煤與瓦斯突出細則[6]規定其工作面預測的方法主要有鉆屑指標法、復合指標法、R值指標法，其所涉及的預測指標主要有K1(鉆屑解吸指標)或Δh2、q(鉆孔瓦斯涌出初速度)、S(鉆屑量)，因此本次在對局部預測指標敏感性考察時，所考察的指標為K1、q、S。同時，根據建立的局部預測指標敏感性分析標準，在現場開展預測指標敏感性實驗時，選擇了三處實驗地點：一是構造區域，在該區域內考察各指標在煤層構造區域與正常區域測定值的變化情況；二是指標隨瓦斯賦存變化考察區域，在該區域內考察各指標隨瓦斯變化而變化的情況；三是應力集中區域，在該區域內考察各指標隨地應力變化而變化的情況。通過現場的實際考察，以確定出各指標對煤層突出危險性預測的敏感性。

2.1 局部預測指標隨地質構造變化情況考察

根據所施工的前探鉆孔，在12033運輸巷發現有一斷層，通過對施鉆返回的鉆屑情況分析，靠近斷層處鉆屑顆粒明顯變小，并伴有大量粉末狀煤體，并且其鉆屑顆粒強度明顯較低，可斷定斷層對其附近的煤層有明顯的破壞作用，因此各指標隨地質構造的變化情況的考察選擇在該區域進行，其考察結果如圖1～圖3所示。

圖1 q在構造區域與正常區域測定值變化曲線Fig.1 Change curve of measured value of qin structural area and normal area

圖2 K1構造區域與正常區域測定值變化曲線Fig.2 Change curve of measured value of K1in structural area and normal area

圖3 S構造區域與正常區域測定值變化曲線Fig.3 Change curve of measured value of Sin structural area and normal area

本文從兩個方面對現場測試數據曲線進行分析，一方面是從測試數據變化趨勢來看，鉆孔瓦斯涌出初速度指標q在構造區域與正常區域的測定值沒有明顯的變化，鉆屑量指標S在構造區域的值大于正常區域，而鉆屑解吸指標K1在構造區域與正常區域的測定值變化明顯；另一方面是從預測結果來看，鉆屑解吸指標K1在構造區域的預測結果為具有突出危險性，這與在施工預測鉆孔期間，第9循環(構造區域)出現了輕微的頂鉆動力現象相一致，在正常區域預測為無突出危險性，這也與施工鉆孔期間在正常區域無明顯異常現象相一致，預測的結果代表了煤層的真實突出危險性。 而鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q的測定值均未超過其臨界值6 kg/m、6 L/(m·min)，在構造區域、正常區域的預測結果均為無突出危險性，顯然這與實際情況是不相符合的，這兩項指標的預測結果未能代表煤層的真實突出危險性；但鉆屑量S可反映出構造破壞區域與正常區域的區別，通過對鉆屑量S的分析可提前預知煤層受構造破壞區域，并且受構造破壞區域為煤層煤與瓦斯突出高發區域。

2.2 局部預測指標隨瓦斯賦存變化情況考察

瓦斯含量是反映煤層瓦斯賦存情況的重要指標，因此在考察各預測指標測定值隨煤層瓦斯賦存情況變化時，以瓦斯含量作為基礎對比分析指標。在12033運輸巷選擇了一段200 m長度的區域，開展了局部預測指標測定值隨瓦斯含量的變化情況的考察工作，在每預測循環取3組煤樣測試瓦斯含量數據，并選擇最大值作為本循環的代表性的數據。在該實驗區域內開展了各指標現場實驗數據的測試，選取每一循環的各個指標的所測得的最大值作為本循環該指標的代表值，并將各指標的實驗數據與瓦斯含量實驗數據進行了作圖對比，其結果如圖4～圖6所示。

圖4 q測定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.4 Change curve of q with gas content

圖5 K1測定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.5 Change curve of K1 with gas content

圖6 S測定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.6 Change curve of S with gas content

在本節采用了相同的方法對指標的敏感性進行了分析。從測試數據變化趨勢來看，鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q測定值隨瓦斯含量W變化沒有明顯的變化，而鉆屑解吸指標K1測定值與瓦斯含量W存在著較為一致的變化趨勢。從預測結果來看，根據瓦斯含量W的預測結果(其臨界值為8 m3/t)，前4循環均預測為存在有突出危險性，其他循環均為無突出危險性，這與鉆屑解吸指標K1預測結果相一致，而與鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q所有循環預測結果均為無突出危險性不相符合。這也說明了鉆屑解吸指標K1較好地反映了煤層的真實突出危險性，而鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q未能代表了煤層的真實突出危險性。

2.3 局部預測指標隨地應力變化情況考察

在12033運輸巷的部分區域，由于受到上部12013采空區的影響，在采空區邊緣處以外會形成一個應力集中區域，在該區域內地應力會明顯增大，各預測指標隨地應力的變化情況，選擇在了該區域進行考察，考察巷道長度100 m，根據以往生產經驗，應力集中區域的長度大約為30 m。其測試結果如圖7～圖9所示。

圖7 q測定值隨地應力變化曲線Fig.7 Change curve of q with ground stress

圖8 K1測定值隨地應力變化曲線Fig.8 Change curve of K1 with ground stress

圖9 S測定值隨地應力變化曲線Fig.9 Change curve of S with ground stress

從測試數據變化趨勢來看，鉆孔瓦斯涌出初速度指標q在應力集中區域與正常應力區域的測定值沒有明顯的變化；鉆屑量指標S在應力集中區域的測定值略大于正常區域；而鉆屑解吸指標K1在應力集中區域與正常應力區域的測定值變化明顯。從預測結果來看，鉆屑解吸指標K1在應力集中區域的預測結果為具有突出危險性，這與在施工預測鉆孔期間，第3循環(應力集中區域)出現了卡鉆動力現象相一致，在正常區域預測為無突出危險性，這也與施工預測鉆孔期間在正常區域無明顯異常現象相一致，預測的結果代表了煤層的真實突出危險性。而鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q對應力集中區域、正常應力區域的預測結果均為無突出危險性，顯然這與實際情況是不相符合的，這兩項指標的預測結果未能代表煤層的真實突出危險性；但鉆屑量S可反映應力集中區域與應力正常區域的區別，通過對鉆屑量S的分析可提前預知煤層地應力異常區域，并且應力異常區域也是煤與瓦斯突出高發區域。

2.4 預測指標敏感性分析

通過上述對預測指標敏感性的現場實驗、分析，發現q測定值隨地質構造、瓦斯含量、地應力均未出現明顯的變化，這也就意味著該指標隨煤層的突出危險性未出現明顯的變化，同時其預測的結果與煤層實際突出危險性不相符，其對煤層的突出危險性預測敏感性最差；鉆屑量指標S在構造破壞區域、應力集中區域測定值均會增加，雖然其測定值未超過臨界值，但通過鉆屑量S測定值仍可提前預知煤層內受構造破壞區域，以及地應力異常區域，而這些區域均是煤與瓦斯突出高發區域，所以鉆屑量S對煤層的突出危險性預測具有一定的敏感性；K1測定值與煤層的突出危險性趨勢保持一致，同時其預測結果與煤層實際的煤與瓦斯突出危險性相符合，反映了煤層的真實突出危險性，對于煤層進行煤與瓦斯突出危險性預測時是敏感的，可作為日常預測指標使用。 因此，綜合上述分析，選擇K1作為中嶺煤礦3#煤層的主要預測指標，S值作為輔助預測指標。

3 結 論

1) 基于現場煤與瓦斯突出的客觀規律，提出了一套局部預測指標敏感性現場實際考察的方法，以礦井所發生的實際煤與瓦斯突出特征為基礎，分析得出煤層實際發生煤與瓦斯突出的規律，揭示控制煤層煤與瓦斯突出的關鍵因素，以此為基礎建立煤與瓦斯突出的局部預測指標敏感性分析標準。

2) 以中國嚴重突出區域織納煤田中嶺煤礦為例，現場實際考察了鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q、鉆屑解吸指標K1與煤層地質構造、地應力、瓦斯賦存情況的相關關系。從各指標測定值隨煤層實際突出危險性的變化趨勢，以及各指標預測的煤與瓦斯突出危險性結果兩個方面進行了分析，結果表明，q對煤層突出危險性預測敏感性最差，S可反映出潛在的突出危險區域，對煤層突出危險性預測具有一定敏感性。K1對煤層的突出危險性預測最為敏感；選擇K1作為中嶺煤礦3#煤層的主要預測指標，S作為輔助預測指標。