寺河煤矿钻屑解吸指标区域临界值的确定

杨国梁,吴世跃,郭勇义,陈全秋

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.太原科技大学,山西省太原市,030024)

★煤矿安全 ★

寺河煤矿钻屑解吸指标区域临界值的确定

杨国梁1,吴世跃1,郭勇义2,陈全秋1

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.太原科技大学,山西省太原市,030024)

根据矿区的瓦斯含量、软煤层带和煤的坚固性系数对寺河煤矿进行区域划分,然后通过实验室方法,确定出适合该区域的钻屑解吸指标的实验临界值,即提高了临界值的针对性,同时又缩短了确定现场突出预测临界值的周期。

钻屑解吸指标 临界值 区域预测 寺河矿

AbstractIn this paper,Sihe Coal Mine is divided into different regions on the basis of local gas contents,the rigidity coefficients of soft coal seams and coals.Then,by way of laboratory methods,appropriate test critical values of drill cutting desorption indices that best suit various local places are determined.This practice not only improves the critical values’relevance to the local places,but also shortens the time needed to determine on site the critical values for outburst prediction.

Key wordsdrill cutting desorption index,critical value,regional forecast,Sihe Coal Mine

寺河煤矿是一座设计总规模1100万t/a的大型矿井,煤层由东向西方向埋藏深度逐渐增大,瓦斯含量7.67～16.6 m3/t,煤层瓦斯压力0.29～2.12 MPa。矿井西翼煤层打钻测定煤屑的解吸指标值最高达2.2 ml/(min0.5·g)。现在全矿井采用钻屑量S,钻屑瓦斯解吸指标 K1作为突出预测指标,其中取0.5 ml/(min0.5·g)作为钻屑瓦斯解吸指标临界值。但是由于井田范围内地质条件复杂,并且存在软煤带,因此统一采用 0.5 ml/ (min0.5·g)作为临界值是不科学的。鉴于对于一些实际临界值高的区域,会人为的加大防突任务,影响工程效率。相反对于一些实际临界值低的区域,又会使现场突出预测失去意义,不能保证施工安全。因此应对矿井区域进行划分,再分区域确定相应的钻屑瓦斯解吸指标临界值。

1 区域划分

在针对钻屑解吸指标进行矿井区域划分的时候,应首先依据钻屑解吸指标的物理意义,确定出几个划分区域的相关指标。理论和实验测试表明,钻屑瓦斯累计扩散量与时间的关系有如下表达式:

式中:Vt——在任意时刻t时钻屑累计扩散的瓦斯量,ml;

K1——反映煤屑扩散能力的实验系数,即钻屑瓦斯解吸指标,0.5 ml/(min0.5·g)。

根据公式可以看出K1的物理意义是钻屑暴露10 min内以t0.5为变量的回归分析得到的直线方程(1)的斜率,或者说是初始1 min内累积的瓦斯扩散量。钻屑解吸指标反映了煤层中的瓦斯含量与破坏程度。它的大小与煤层瓦斯含量、煤的孔隙率、煤的破坏类型有直接的关系。同一矿井煤的孔隙率变化不大,因此孔隙率不能作为矿井区域划分的标准之一。

寺河煤矿矿区范围内地质条件复杂,瓦斯含量东西两区变化大,且有软煤带存在。因此本文建议寺河煤矿以矿区的瓦斯含量、煤的坚固性系数突变为指标进行区域划分。

根据现有资料,以断层带为界,断层带东部平均瓦斯含量 7.67 m3/t,坚固性系数 1.54～2.3 mm;西区平均瓦斯含量16.6 m3/t,坚固性系数2.17～2.73 mm。变化较为明显。因此初步可将寺河煤矿划分为东西两大区,下文将分别对寺河东西两区进行初步确定针对寺河西区的钻屑瓦斯解吸指标临界值。

2 钻屑解吸指标临界值确定

2.1 临界值确定方法筛选

指标临界值现场考察方法主要有以下3种: (1)不首先设定实验临界值,在不采取任何防突措施的情况下,直接根据现场实际突出与不突出时测定值相比较直接确定。(2)选择一个较低的临界值,现场实验摸索,实验临界值由低向高逐步调整,直到确定发生瓦斯动力现象的实际临界值。(3)通过各种方法先确定一个比较接近真实临界值的试验临界值,再通过现场试验进行修正和适当调整。第一种方法虽然简单直观,但是无法保证确定过程的安全。第二种方法可以保障施工安全,但是确定周期过长。第三种方法比较科学,既保证了安全生产,又有效的缩短了确定周期,可作为条件满足的煤矿的首选方法。在第三种方法中,如何确定合适的试验临界值是最重要的一个环节。本文选择通过实验室方法,根据钻屑解吸指标与其它指标的内在联系,从而确定实验临界值的方法。

2.2 实验原理

国内北票、焦作、湖南、重庆等26个矿井始突深度的统计资料表明,发生突出的最小瓦斯压力值与坚固性系数、挥发分存在如下关系:

式中:V——煤的挥发分,%;

fmin——最小坚固性系数,mm;

Pmin——发生突出的最小瓦斯压力,MPa。

通过实验室方法可以确定突出煤层中的软分层的挥发份和坚固性系数,进而可估算出发生突出的最小瓦斯压力。

另因为钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯压力之间存在如下关系:

式中:K1——钻屑瓦斯解吸指标,ml/(min0.5· g);

P——瓦斯压力,MPa;

A,B——待定系数,其中A>0,0

在实验中,通过测量不同平衡压力下对应的K1值,然后对多组数据进行拟合可以得出待定系数A、B,再根据2式得出的引发突出的最小瓦斯压力值,可以得出与其对应的K1,即实验临界值。2.3 煤样地点选取

由实验原理可以看出,确定实验临界值的关键步骤在确定平衡瓦斯压力与钻屑解吸指标的对应关系的拟合曲线,该曲线与煤的坚固性系数,实际煤层瓦斯压力无关,因此本文采用具有代表性的两处突出点煤样来进行实验,进而得出平衡瓦斯压力与钻屑解吸指标的对应关系的拟合曲线。

2.4 实验方法

(1)根据标准MT/T 49-1987(2005)和工业分析测得寺河东、西区煤样的坚固性系数及挥发份。

(2)采用钻孔或煤壁采样等方式对寺河煤矿两处突出点分别采集一组新暴露煤样,采样方法按MT 38的有关规定进行。将两组煤样编号为A、B。筛分出符合钻屑瓦斯解吸指标仪粒径要求的实验煤样进行真空干燥。将每组干燥煤样按5 g/份,分成5份,用于进行不同平衡压力下的钻屑解吸指标测量。

(3)将A,B组煤样按照MT/T 641-1996规定,分别测量对应0.5～2 MPa之间的5个不等压力下的钻屑瓦斯解吸指标值。

2.5 实验结果及分析

根据标准MT/T 49-1987(2005)测得西区煤样的坚固性系数及挥发分分别为2.17～2.73 mm,5.51%～9.5%。东区煤样的坚固性系数及挥发分分别为1.54～2.3 mm,5.28%～7.77%。根据实验测得平衡压力与对应钻屑瓦斯解吸指标值如表1所示。

表1 平衡压力与钻屑瓦斯解吸指标k1值测量值

将平衡压力与钻屑瓦斯解吸指标数据拟合得到如图2所示曲线。

图1 瓦斯压力与解吸指标值拟合曲线

图1中A、B组煤样 K1与P关系拟合曲线的公式分别为:

两条曲线的拟合公式均符合经验公式的常量要求,但在相同的压力下B组曲线对应的 K1值更小,而且B组拟合曲线决定系数高于A组。从临界值的安全性与可靠性角度分析,B组更加适合用于判定 K1的临界值。

根据试验结果,寺河西区取 fmin=2.17 mm; V=5.51%,寺河东区取 fmin=1.54 mm;V= 5.28%.则由式1可得出引起寺河西区突出的最小瓦斯压力 Pmin=1.51 MPa,而寺河东区为 Pmin= 1.19MPa;再由 K1与压力的关系 (式5)可得西区突出预测的 K1临界值可取为0.83 ml/(min0.5·g),东区为0.75 ml/(min0.5·g)。

3 实验结果检验

3.1 临界值可靠性优化

在煤矿现场实际测试过程中,通常有预测突出率η1、预测突出准确率η2和预测不突出准确率η3三个指标,作为评价煤与瓦斯突出临界值是否合适的重要依据。3个评价指标的意义分别为:

(1)预测突出率为预测有突出危险次数与预测总次数的比值。

(2)预测突出准确率为预测有突出危险的情况中真正有突出危险的次数 (其中包括实际发生了突出以及预测中有喷孔、煤炮频繁及大面积片帮等严重突出征兆,采取措施后未发生突出的事件次数)与预测中有突出危险的次数的比值。

(3)预测不突出准确率为预测不突出次数中真正无突出危险的次数与预测不突出次数的比值。

利用这个方法确定临界值的原则为在确保预测不突出准确率达到100%的情况下,选择突出预测准确率最高时的突出参数临界值作为煤与瓦斯突出预测指标的临界值。但是在实际生产中发现,由于煤与瓦斯突出的复杂性,确保预测不突出准确率达到100%是不实际的。而且单项指标的预测不突出准确率达到95%以上时,继续降低临界值,预测不突出准确率变化不大。因此建议寺河煤矿在下一步现场调整突出预测临界值的时候,应该依实验室确定的实验临界值作为指导,根据现场实际测量,参照预测突出准确率η2和预测不突出准确率η3两个指标,综合考虑各方面因素,进行不断的实验优化,调整临界值的大小,最终找到适合该区域的临界值。

3.2 效果对比

通过对寺河煤矿西区266次现场测量结果进行统计,结果为0.5≤K1≤0.83有23次;K1≥0.83有54次;K1≥0.5有77次。

统计结果显示,对寺河西区,通过实验室方法先确定0.83作为试验临界值比直接采用0.5作为试验临界值减少了大约1/3的防突工作,占预测总数的9%,有效缩短了临界值现场确定的周期,科学地减少了防突工作,提高了工程施工效率。

4 结论

根据寺河煤矿的煤的坚固性系数变化/软煤层带,瓦斯含量变化等因素将煤矿划分出寺河东、西两大区,通过实验室方法测量钻屑瓦斯解吸指标 K1值与平衡压力与钻屑瓦斯解吸指标拟合关系,参照寺河煤矿东西区的煤炭最小坚固性系数和挥发分分别得出适合寺河煤矿西区的钻屑瓦斯解吸指标 K1试验临界值为0.83 ml/(min0.5·g),东区为0.75 ml/ (min0.5·g)。然后进行现场测量,以预测突出准确率和预测不突出准确率为可靠性判定指标进行临界值优化。通过这样的步骤进行临界值确定,能够使寺河煤矿的钻屑瓦斯解吸指标临界值的确定周期大大缩短,提高了临界值优化阶段的工程效率,同时使钻屑解吸指标的临界值有更强的针对性。

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(责任编辑 梁子荣)

Sihe Coal Mine drill cutting desorption indices:determination of the regional critical value

Yang Guoliang1,Wu Shiyue1,Guo Yongyi2,Chen Quanqiu1
(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China; 2.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

TD713

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杨国梁(1986-),男,太原理工大学矿业工程学院安全工程系硕士研究生,研究方向为矿井瓦斯防治。