大寧煤礦3號煤層局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性研究

王向軍

(山西華潤大寧能源有限公司大寧煤礦，山西晉城048114)

大寧煤礦3號煤層局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性研究

王向軍

(山西華潤大寧能源有限公司大寧煤礦，山西晉城048114)

煤與瓦斯突出局部預(yù)測對礦井的防突工作十分重要，本文根據(jù)大寧煤礦3號煤層的實(shí)際情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場考察相結(jié)合的研究，分析認(rèn)為:相同壓力下構(gòu)造煤的實(shí)測K1值與原生煤之間的差距更顯著，而兩者實(shí)測Δh2值的差距并不是很明顯;鉆屑解吸指標(biāo)K1值在地質(zhì)異常區(qū)波動浮動很大，并且隨構(gòu)造煤厚度的變化K1值也會相應(yīng)波動，而鉆屑量S值則變化均不明顯;因此，最終認(rèn)為大寧煤礦3號煤層的突出預(yù)測指標(biāo)K1值更敏感，確定在進(jìn)行礦井突出局部預(yù)測時應(yīng)首選K1值。本文所提出的局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性分析的方法，可為類似礦井瓦斯突出預(yù)測和防治工作提供一定借鑒。

煤與瓦斯突出;原生煤;構(gòu)造煤;鉆屑瓦斯解吸指標(biāo);鉆屑量

目前煤炭資源是我國最主要的能源儲備，能源資源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，使煤炭資源在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍將作為最重要的主體能源，在經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中起到其他資源無法替代的作用。我國煤礦的開采深度正在以每年10～20 m的速度向深部延深，開采煤層的地應(yīng)力增大、瓦斯壓力和瓦斯含量增加，再加上我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害特別是煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重［1］．煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體物理力學(xué)性質(zhì)等多因素綜合作用的結(jié)果［2－3］．要準(zhǔn)確地判斷煤與瓦斯突出，就需要尋找合適的突出預(yù)測指標(biāo)用于指導(dǎo)現(xiàn)場突出預(yù)測及防治工作。

突出預(yù)測指標(biāo)就是指在礦井做突出危險性預(yù)測時，能夠用來客觀反映煤層突出危險性程度，并準(zhǔn)確地預(yù)測指定范圍內(nèi)突出危險性的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。國內(nèi)目前局部突出危險性預(yù)測指標(biāo)主要有綜合指標(biāo)K和D、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2值、鉆屑量指標(biāo)S值以及鉆孔瓦斯涌出初速度q值等。很多學(xué)者對于局部敏感指標(biāo)的敏感性分析多采用聚模糊法、灰色關(guān)聯(lián)法、隸屬函數(shù)、迫近度等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法［4－5］，通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合現(xiàn)場瓦斯動力現(xiàn)象等，最終得出不同敏感指標(biāo)對瓦斯突出的敏感程度。然而由于國家新規(guī)定的出臺和實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場考察等條件的限制，原有的局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性分析方法有些已經(jīng)不再適用。因此，本文結(jié)合大寧煤礦3號煤層的實(shí)際情況，提出了局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性分析的新方法，為類似礦井瓦斯突出預(yù)測和防治工作提供了一定借鑒。

1 煤樣與實(shí)驗(yàn)方法

大寧煤礦主采煤層山西組3號煤層，為煤與瓦斯突出煤層;煤層軟硬分層現(xiàn)象明顯，煤層厚度為4.5 m，在中下部分布著0.2～0.5的軟分層，局部地點(diǎn)更厚;原生煤的堅(jiān)固性系數(shù)1～2，構(gòu)造煤僅為0.2～0.5．具體見圖1．

由圖1可以看出，原生煤光澤明亮，層理清晰，而構(gòu)造軟分層光澤暗淡，節(jié)理紊亂。為了能更好地獲得鉆屑解吸指標(biāo)的規(guī)律，從現(xiàn)場2個地點(diǎn)分別獲得了原生煤和構(gòu)造煤煤樣，并將煤樣制成1～3 mm的顆粒。首先將制好的1～3 mm各煤樣的顆粒分別裝入煤樣罐中，在恒溫60℃的條件下真空抽氣24 h;然后向煤樣罐中充入99.9%CH4氣體，并將煤樣罐置于30℃恒溫水浴中，吸附平衡2～3天，待壓力表讀數(shù)不再變化后記錄瓦斯壓力;取出煤樣罐迅速打開，并記錄時間，利用WTC鉆屑瓦斯參數(shù)測定儀和MD－2型鉆

屑瓦斯解吸儀分別測定K1值和Δh2值。

圖1 現(xiàn)場原生煤與構(gòu)造煤分層現(xiàn)象圖

相同煤樣均測定5個不同壓力下的吸附平衡的鉆屑解吸指標(biāo)值，吸附平衡壓力分別位于0～1 MPa、1～ 2MPa、2～3MPa、3～4 MPa、4～5 MPa區(qū)間內(nèi);同時為了保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行指標(biāo)測定時，對于K1值和Δh2值分別采取兩套儀器進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，取2套儀器中測定結(jié)果的較大值為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 突出預(yù)測指標(biāo)敏感性實(shí)驗(yàn)室分析

實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，對于同一組煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、Δh2均是隨著平衡壓力的提高而增大。為了更好地分析鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、Δh2的敏感性，將同一組煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、Δh2與壓力的關(guān)系作圖并擬合關(guān)系，見圖2．

圖2 煤樣實(shí)驗(yàn)室鉆屑解吸指標(biāo)值與壓力的關(guān)系曲線圖

通過擬合得出，各煤樣實(shí)測K1值、Δh2值分別與壓力具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)指數(shù)也比較高。由圖2可知，相同壓力下構(gòu)造煤的實(shí)測K1值與原生煤之間的差距更顯著;而相同壓力下構(gòu)造煤實(shí)測Δh2值與原生煤之間的差距并不是很明顯。

針對大寧煤礦原生煤與構(gòu)造煤共生的地質(zhì)條件采取了新的方法，綜上可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室測定得到的原生煤和構(gòu)造煤相同壓力下K1值差距很大，而兩者相同壓力下的Δh2值則差距不明顯。

為了能更好地對比相同地點(diǎn)構(gòu)造煤與原生煤突出預(yù)測指標(biāo)的敏感性，將實(shí)驗(yàn)室實(shí)測構(gòu)造煤K1、Δh2值與根據(jù)敏感指標(biāo)與壓力的函數(shù)關(guān)系推算得到相同壓力下原生煤K1、Δh2值進(jìn)行對比，具體情況見表1，2．

表1 相同地點(diǎn)原生煤與構(gòu)造煤K1值指標(biāo)差值表

表2 相同地點(diǎn)原生煤與構(gòu)造煤Δh2值指標(biāo)差值表

根據(jù)表1可知，對比實(shí)驗(yàn)室K1值構(gòu)造煤與原生煤之間的差距很大，絕對差平均值兩者差距達(dá)52.85%和51.22%;根據(jù)表2可知，對比實(shí)驗(yàn)室Δh2值構(gòu)造煤與原生煤之間的差距不大，絕對差平均值兩者差距達(dá)13.80%和8.38%．而與原生煤相比構(gòu)造煤更容易發(fā)生突出，這說明K1值指標(biāo)對突出具有很高的敏感性;而兩者之間Δh2值的差距卻不是很敏感。

3 突出預(yù)測指標(biāo)敏感性現(xiàn)場考察

由于大寧煤礦在巷道掘進(jìn)前，已經(jīng)布置了大量的水平定向長鉆孔對計(jì)劃進(jìn)行掘進(jìn)的煤層進(jìn)行1～1.5年的瓦斯預(yù)抽。因此，在對瓦斯突出危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)測驗(yàn)證時，無法對原始煤體的瓦斯突出危險性進(jìn)行驗(yàn)證，僅能對經(jīng)過預(yù)抽后的煤體進(jìn)行突出危險性的驗(yàn)證。對于現(xiàn)場鉆屑解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值的敏感性，原計(jì)劃通過結(jié)合現(xiàn)場瓦斯動力現(xiàn)象和參數(shù)測定結(jié)果，利用“三率法”進(jìn)行指標(biāo)敏感性的考察，但是在指標(biāo)考察的過程中，僅在個別地點(diǎn)有動力現(xiàn)象，因此，并不能利用“三率法”進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析。

通過對比所有考察地點(diǎn)的情況，認(rèn)為在以下兩種情況下經(jīng)過預(yù)抽后的煤層的突出危險性會更大一些: a)地質(zhì)構(gòu)造存在的地方。這些地方由于地質(zhì)構(gòu)造對鉆孔的阻礙作用，會使鉆孔對該區(qū)域瓦斯的預(yù)抽不夠充分。b)構(gòu)造軟分層存在的地方。礦井主要施工的順層長鉆孔，由于軟分層的透氣性較差，軟分層的存在會使瓦斯的預(yù)抽相對較弱。

1)2采區(qū)(22－31區(qū)段)的4號橫貫、5號橫貫、6號橫貫。該區(qū)域構(gòu)造煤最少，僅在地質(zhì)構(gòu)造附近存在少量構(gòu)造煤;在巷道的一段距離內(nèi)存在著2條平行的斷層(F9和F9－1斷層)，并與3條橫貫相互垂直。本次統(tǒng)計(jì)了6號橫貫的首次區(qū)域驗(yàn)證時測定的鉆屑解吸指標(biāo)K1值、實(shí)施局部措施后的最終測定的K1值、鉆屑量S值巷道與空間位置的關(guān)系，具體關(guān)系見圖3．

圖3 6號橫貫K1值、S值與巷道空間位置的關(guān)系圖

由圖3可知，鉆屑解吸指標(biāo)K1值在地質(zhì)異常區(qū)波動浮動很大，范圍在0.3～1.6 mL/(g·min0.5);而在地質(zhì)正常帶內(nèi)K1值相對較平穩(wěn)，范圍在0.2～ 0.4 mL/(g·min0.5)，僅在個別地點(diǎn)存在較大值為0.72 mL/(g·min0.5)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來說這也是沒問題的。而鉆屑量S值在地質(zhì)異常區(qū)和正常區(qū)變化均不大，而且分布穩(wěn)定在2～3 kg/m．在地質(zhì)異常帶煤層局部具有突出危險性更大，可以得出K1值能夠更好地反應(yīng)煤與瓦斯突出的危險性。因此，對比鉆屑解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值，K1值對突出危險的敏感性更高，S值次之。

2)220區(qū)(01－07橫貫)的2201巷、2202巷和2203巷。該區(qū)域內(nèi)2201巷、2202巷和2203巷3條巷道均在局部地點(diǎn)存在構(gòu)造軟分層，2201巷的構(gòu)造煤分布較多，厚度為0.1～0.5 m．本次統(tǒng)計(jì)2201巷道從01橫貫4.7 m至06橫貫41 m所有巷道掘進(jìn)首次測定(即不包括施工局部措施后再次校檢的結(jié)果)的鉆屑解吸指標(biāo)K1值、鉆屑量S值和構(gòu)造煤厚度分布的情況，共計(jì)82組數(shù)據(jù)，具體關(guān)系見圖4．

圖4 2201巷K1值、S值和構(gòu)造煤厚度的關(guān)系圖

由圖4可知，隨構(gòu)造煤厚度的變化，鉆屑解吸指標(biāo)K1值也會相應(yīng)波動，而鉆屑量S值卻保持穩(wěn)定。當(dāng)構(gòu)造煤厚度＜0.3 m，鉆屑解吸指標(biāo)K1值主要分布在＜0.4 m L/(g·min0.5)的范圍內(nèi);在30～40號測定范圍內(nèi)，當(dāng)構(gòu)造煤厚度在0.3～0.5 m變化時，K1主要變化范圍在0.6～1.0 mL/(g·min0.5)．而在整個考察范圍內(nèi)，不論構(gòu)造煤厚度是否變化，鉆屑量S值均在2～3 kg/m范圍內(nèi)波動。構(gòu)造軟分層增厚的地方是煤與瓦斯突出的高發(fā)地點(diǎn)，可以得出K1值能夠更好地反應(yīng)煤與瓦斯突出的危險性。因此，對比鉆屑解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值，K1值對突出危險的敏感性更高，S值次之。

因此，綜合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的結(jié)果認(rèn)為，大寧煤礦3號煤層的突出預(yù)測指標(biāo)K1值更敏感，而Δh2和S值次之，在進(jìn)行礦井突出局部預(yù)測時應(yīng)首選K1值。

4 結(jié)論

本文結(jié)合大寧煤礦3號煤層的實(shí)際情況，提出局部突出預(yù)測指標(biāo)敏感性分析的新方法，并得到如下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，相同壓力下構(gòu)造煤的實(shí)測K1值與原生煤之間的差距更顯著，而兩者實(shí)測Δh2值的差距并不是很明顯;K1值構(gòu)造煤與原生煤之間的絕對差平均值兩者差距達(dá)52.85%和51.22%，而兩者的Δh2值的絕對差平均值兩者差距為13.80%和8.38%;因此，K1值指標(biāo)對煤與瓦斯突出具有很高的敏感性，Δh2值指標(biāo)次之。

2)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鉆屑解吸指標(biāo)K1值在地質(zhì)異常區(qū)波動浮動很大，而在地質(zhì)正常帶內(nèi)K1值相對較平穩(wěn)，鉆屑量S值在地質(zhì)異常區(qū)和正常區(qū)變化均不大;隨構(gòu)造煤厚度的變化，鉆屑解吸指標(biāo)K1值也會相應(yīng)波動，而鉆屑量S值卻保持穩(wěn)定。

3)綜合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的結(jié)果認(rèn)為，大寧煤礦3號煤層的突出預(yù)測指標(biāo)K1值更敏感，而Δh2和S值次之，在進(jìn)行礦井突出局部預(yù)測時應(yīng)首選K1值。

［1］程遠(yuǎn)平．煤礦瓦斯防治理論與工程應(yīng)用［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:6－20.

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［3］俞啟香，程遠(yuǎn)平．礦井瓦斯防治［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2012:16－18.

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Research on Partial Outburst Prediction Index Sensibility of No．3 Coal Seam in Da＇ning Coal Mine

W ANG Xiangjun

It is very important of partial prediction of coal and gas outburst for outburst control．Bases on the actual situation of No．3 coal seam，conducts integrated research on laboratory experiments and field investigation．The analysis points out that the measured values of K1between deformed coal and raw coal are more different under the same pressure，and the difference of themeasured values ofΔh2is notobvious．The values of K1obviously changes in geologic anomaly zone，and also changing with the change of deformed coal thickness．However the change of drilling cuttings weight values S is not obviously．Therefore the index K1ismore sensitive for coal and gas outburst，and it is ensured to the first chioce on coalmine outburst partial risk prediction．Themethod of partial outburstprediction index sensibility provides a reference for similar coalmine on gas outburst prediction and prevention andtreatment．

Coal and gas outburst;Raw coal;Tectonic coal;Drilling cuttings gas desorption index;Drilling cuttingsweight

TD713

A

1672－0652(2015)09－0034－04

2015－07－06

王向軍(1973—)，男，山西陽城人，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦瓦斯突出防治工作(E－mail)wangxiangjun2016@163．com