工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)確定

張玉柱

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

精準(zhǔn)的工作面突出預(yù)測(cè)是突出煤層工作面安全高效采掘的重要保障，是防治煤與瓦斯突出的最后一道防線。工作面精準(zhǔn)預(yù)測(cè)需要合適的預(yù)測(cè)方法，合適的預(yù)測(cè)方法需要敏感的預(yù)測(cè)指標(biāo)做支撐，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定突出礦井應(yīng)當(dāng)針對(duì)各煤層的特點(diǎn)和條件試驗(yàn)確定工作面突出預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)[1]。針對(duì)不同礦井，其生產(chǎn)工藝和工作面預(yù)測(cè)條件不同，再者對(duì)于不同煤層，其煤與瓦斯突出特征及其解吸規(guī)律不同，造成不同礦井不同煤層其工作面預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)不同[2-3]。因此，研究確定不同礦井不同突出煤層工作面突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)對(duì)于礦井瓦斯防治意義重大。

1 資料分析研究

1.1 礦井煤層概況

四季春煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為45萬(wàn)t/a，主采6號(hào)煤層、7號(hào)煤層、8號(hào)煤層、16號(hào)煤層、35號(hào)煤層。礦井采用單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板；掘進(jìn)工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，錨噴支護(hù)方式。礦井6號(hào)煤層全區(qū)可采，總體賦存穩(wěn)定，煤層平均厚度為2.5 m，無(wú)夾矸，無(wú)明顯軟分層，煤層硬度較軟。6號(hào)煤層經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤層，區(qū)域措施為開(kāi)采保護(hù)層，7號(hào)煤層作為首采保護(hù)層先行開(kāi)采。

1.2 煤層煤與瓦斯突出特征

四季春井田總體為單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造中等，局部地段構(gòu)造較復(fù)雜，斷層和次一級(jí)褶皺較發(fā)育。受區(qū)域構(gòu)造和煤層賦存影響，四季春煤礦及鄰近礦井6號(hào)煤層煤與瓦斯突出嚴(yán)重，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析礦井及鄰近區(qū)域6號(hào)煤層煤與瓦斯突出歷史資料，總結(jié)得出其煤與瓦斯突出具有以下特征：①煤層煤與瓦斯突出以瓦斯作用為主導(dǎo)，突出危險(xiǎn)性隨煤層瓦斯含量的增加而增加；②大部分煤與瓦斯突出發(fā)生在煤層賦存異常區(qū)域(構(gòu)造帶、煤厚異常區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)等)附近，煤層賦存異常區(qū)域突出危險(xiǎn)性較賦存正常區(qū)域大；③多數(shù)煤與瓦斯突出的直接原因是瓦斯參數(shù)測(cè)試不準(zhǔn)確、措施控制不到位等外部人為因素造成。

2 工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)

理論研究認(rèn)為，煤與瓦斯突出主要受煤層瓦斯、地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)等因素的共同影響[4-5]，但對(duì)于不同煤層其主導(dǎo)因素不同，造成不同工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感程度不同。工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感程度主要取決于其對(duì)煤與瓦斯突出顯現(xiàn)特征的響應(yīng)程度，工作面突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)能夠同步明顯響應(yīng)煤層大部分煤與瓦斯突出特征。因此，基于6號(hào)煤層煤與瓦斯突出特征，構(gòu)建了6號(hào)煤層工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)如下所述。

1) 考察工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)隨瓦斯含量的變化情況，若預(yù)測(cè)指標(biāo)同步隨瓦斯含量的增加而明顯增減，且指標(biāo)測(cè)值代表的突出危險(xiǎn)性增加，則該指標(biāo)敏感，否則不敏感。

2) 考察工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)在煤層賦存異常區(qū)域(構(gòu)造帶、應(yīng)力集中區(qū)、煤厚異常區(qū)等)測(cè)值變化情況，若指標(biāo)測(cè)值相對(duì)煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，且指標(biāo)測(cè)值代表的突出危險(xiǎn)性增加，則該指標(biāo)敏感，否則不敏感。

3) 考察工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定受外部因素(人為操作因素、儀器因素等)的影響情況，若預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定誤差受外部因素影響較大，造成預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性被測(cè)定誤差掩蓋，則預(yù)測(cè)指標(biāo)不敏感，否則敏感。

3 工作面預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)考察確定

目前四季春煤礦工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)，由于鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)和(△h2)均為綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的指標(biāo)[6]，考慮到工作面預(yù)測(cè)裝備條件，選取鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)進(jìn)行敏感性考察。再根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的各類工作面預(yù)測(cè)方法涉及的預(yù)測(cè)指標(biāo)，結(jié)合礦井目前未開(kāi)展其他新工作面突出預(yù)測(cè)方法的試驗(yàn)應(yīng)用。因此，四季春煤礦選取鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)、鉆屑量(S)指標(biāo)進(jìn)行工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性考察分析。

結(jié)合礦井采掘情況，依據(jù)構(gòu)建的6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)，選取具有代表性的1063中間巷掘進(jìn)工作面和1061回采工作面對(duì)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察。1063中間巷掘進(jìn)工作面預(yù)考察區(qū)域存在一個(gè)煤柱應(yīng)力集中影響區(qū)域，1061回采工作面預(yù)考察區(qū)域經(jīng)勘探存在一個(gè)斷距2.0 m左右的工作面傾向斷層影響區(qū)域。1063中間巷掘進(jìn)工作面條帶區(qū)域和1061工作面回采區(qū)域均位于首采7號(hào)煤層保護(hù)范圍內(nèi)，但1061工作面回采區(qū)域又輔助在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷施工了順層抽采鉆孔，導(dǎo)致煤層賦存正常區(qū)域1063中間巷掘進(jìn)工作面條帶區(qū)域瓦斯含量較1061工作面回采區(qū)域高，1063中間巷掘進(jìn)工作面和1061回采工作面預(yù)考察區(qū)域煤層賦存情況如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)考察采用風(fēng)煤鉆施工Ф42 mm的工作面突出預(yù)測(cè)鉆孔，孔深均為10.0 m，每個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔同時(shí)測(cè)定鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)、鉆屑量(S)和瓦斯含量(W)。其中，預(yù)測(cè)鉆孔從第2.0 m開(kāi)始，每鉆進(jìn)1.0 m測(cè)定一次鉆屑量(S)，每鉆進(jìn)2.0 m測(cè)定1次鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)，最后1.0 m測(cè)定瓦斯含量(W)，鉆進(jìn)完畢后測(cè)定鉆孔瓦斯涌出初速度(q)(測(cè)量室長(zhǎng)度為1.0 m)。現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察了1063中間巷掘進(jìn)工作面煤柱應(yīng)力集中影響區(qū)域、1061工作面斷層影響區(qū)域和采掘工作面煤層賦存正常區(qū)域，測(cè)試了30個(gè)采掘工作面突出預(yù)測(cè)循環(huán)參數(shù)，選取每循環(huán)測(cè)試的鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)、鉆屑量(S)最大值作為該循環(huán)各指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

圖1 1063中間巷和1061回采工作面預(yù)考察區(qū)域煤層賦存示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal seam occurrence in the pre-investigation area of 1063 middle roadway and 1061 stoping face

3.1 鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性考察

鉆孔瓦斯涌出初速度(q)是綜合反映煤層瓦斯壓力、煤層的應(yīng)力狀態(tài)、煤層透氣性和煤體的瓦斯放散能力的預(yù)測(cè)指標(biāo)，鉆孔瓦斯涌出初速度越大，工作面突出危險(xiǎn)性越大[7-9]。統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的30個(gè)采掘工作面預(yù)測(cè)循環(huán)各循環(huán)最大鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)和最大瓦斯含量(Wmax)數(shù)據(jù)，其鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)變化曲線如圖2所示。由圖2可知，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)總體隨瓦斯含量的增加而增加，但變化不明顯，局部區(qū)域甚至無(wú)變化，對(duì)于瓦斯含量敏感程度較低；斷層影響區(qū)域和應(yīng)力集中影響區(qū)域較煤層賦存正常區(qū)域有增加趨勢(shì)，但增加幅度不大，表征的突出危險(xiǎn)性增加不明顯，對(duì)于煤層賦存變化敏感程度不高。

圖2 鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)變化曲線圖Fig.2 Curve of initial velocity of borehole gas gushing(qmax)

依據(jù)鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測(cè)定原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作遇到的問(wèn)題，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測(cè)定過(guò)程復(fù)雜，多人配合也很難實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成封孔，導(dǎo)致前期瓦斯大量逸散；且對(duì)鉆孔成孔要求較高，鉆孔孔壁不光滑或成孔不規(guī)范易導(dǎo)致測(cè)定失??；再者鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測(cè)定全過(guò)程均需人工完成讀數(shù)，人為因素影響較大[10-12]。因此，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測(cè)定受外部因素影響較大，測(cè)定誤差不易避免。

依據(jù)6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析表明鉆孔瓦斯涌出初速度(q)對(duì)于6號(hào)煤層工作面突出預(yù)測(cè)敏感性較差。

3.2 鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)敏感性考察

鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)是綜合反映煤層瓦斯含量和卸壓初期瓦斯解吸速度大小的指標(biāo)，鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)越大，工作面突出危險(xiǎn)性越大。針對(duì)30個(gè)采掘工作面突出預(yù)測(cè)循環(huán)每循環(huán)測(cè)試的最大鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1max)和最大瓦斯含量(Wmax)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1max)變化曲線如圖3所示。由圖3可知，煤層賦存正常區(qū)域和異常區(qū)域內(nèi)鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)均能夠同步響應(yīng)瓦斯含量的變化，隨煤層瓦斯含量的增加而增加，且變化較明顯，表明鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)對(duì)于瓦斯含量敏感性較好；斷層影響區(qū)域和應(yīng)力集中影響區(qū)域鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)較煤層賦存正常區(qū)域明顯增大，表明鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)對(duì)于煤層賦存變化敏感性也較好。

圖3 鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1max)變化曲線圖Fig.3 Curve of analytical index of cuttings gas(K1max)

依據(jù)鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)測(cè)定方法，其外部影響因素主要為人為操作和測(cè)試裝備。目前，鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)測(cè)試裝備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化，可以消除由于測(cè)試裝備造成的誤差[13-14]。人為操作影響主要是由于取樣時(shí)間和制樣造成的誤差，按照測(cè)定原理從開(kāi)始取樣到開(kāi)始測(cè)定必須在2 min內(nèi)完成，且期間需采用Ф1～3 mm的篩子充分把煤樣篩分成1～3 mm的粒徑。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，2 min內(nèi)可以充分完成取樣、煤樣篩分和裝罐測(cè)試。因此，鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)測(cè)定外部影響因素造成的誤差可以通過(guò)規(guī)范操作避免。

依據(jù)6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析表明鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)對(duì)于6號(hào)煤層工作面突出預(yù)測(cè)敏感性較好。

3.3 鉆屑量(S)敏感性考察

鉆屑量(S)為工作面預(yù)測(cè)Ф42 mm鉆孔自第2.0 m 深度開(kāi)始每米所排煤粉重量或體積，其主要受地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響。鉆屑量(S)越大，工作面突出危險(xiǎn)性越大。通過(guò)對(duì)采掘掘進(jìn)工作面30個(gè)工作面預(yù)測(cè)循環(huán)每循環(huán)測(cè)試的最大鉆屑量(Smax)和最大瓦斯含量(Wmax)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其鉆屑量(Smax)的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，煤層賦存正常區(qū)域19～25循環(huán)區(qū)域較1～12循環(huán)區(qū)域瓦斯含量增加了1 m3/t左右，但對(duì)應(yīng)區(qū)域鉆屑量(S)測(cè)值幾乎無(wú)變化，表明煤層賦存正常區(qū)域內(nèi)鉆屑量(S)不隨瓦斯含量的增減而變化，其與瓦斯含量變化無(wú)相關(guān)性，鉆屑量(S)針對(duì)瓦斯含量變化不敏感；鉆屑量(S)在斷層影響區(qū)域和應(yīng)力集中影響區(qū)域較煤層賦存正常區(qū)域增加明顯，表明鉆屑量(S)對(duì)于煤層賦存變化敏感性較好。

圖4 鉆屑量(Smax)變化曲線圖Fig.4 Curve of sensitivity of cuttings(Smax)

根據(jù)鉆屑量(S)測(cè)定原理和方法，影響鉆屑量(S)準(zhǔn)確測(cè)定的外部影響因素主要為人為因素，測(cè)試鉆孔施工和鉆屑收集測(cè)試是造成誤差的主要環(huán)節(jié)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)踐考察表明，測(cè)試鉆孔施工和鉆屑收集測(cè)試造成的誤差均可以通過(guò)規(guī)范操作消除，鉆屑量受外部因素影響較小。

依據(jù)6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析表明鉆屑量(S)對(duì)于6號(hào)煤層工作面突出預(yù)測(cè)敏感性一般。

3.4 工作面預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)確定

上述6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)、鉆屑量(S)敏感性分析結(jié)果表明：鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)敏感性較好，能夠響應(yīng)6號(hào)煤層煤與瓦斯突出全部特征；鉆屑量(S)敏感性一般，針對(duì)6號(hào)煤層煤與瓦斯突出部分特征響應(yīng)；鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性較差，整體對(duì)6號(hào)煤層煤與瓦斯突出特征不響應(yīng)。因此，確定6號(hào)煤層工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)為鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)。

4 結(jié) 論

1) 四季春煤礦6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)：同步隨瓦斯含量的增加而明顯增減，且指標(biāo)測(cè)值代表的突出危險(xiǎn)性增加；在煤層賦存異常區(qū)域指標(biāo)測(cè)值相對(duì)煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，且指標(biāo)測(cè)值代表的突出危險(xiǎn)性增加；再者指標(biāo)測(cè)定誤差受外部因素影響小。

2) 現(xiàn)場(chǎng)考察表明6號(hào)煤層工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)敏感性較好，能夠響應(yīng)煤層全部煤與瓦斯突出特征；鉆屑量(S)敏感性一般，響應(yīng)煤層部分煤與瓦斯突出特征；鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性較差，不響應(yīng)煤層煤與瓦斯突出特征。

3) 確定鉆屑瓦斯解析指標(biāo)(K1)為四季春煤礦6號(hào)煤層工作面突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，為突出煤層工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)確定提供了參考。