祁南煤矿72＃煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析＊

翟清伟 程远平 王 亮 周红星 舒龙勇

（中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏省徐州市，221008）

祁南煤矿72＃煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析＊

翟清伟 程远平 王 亮 周红星 舒龙勇

（中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏省徐州市，221008）

为了确定祁南煤矿72＃煤层钻屑瓦斯解吸指标的敏感性，采用实验室实验和现场统计分析相结合的方法进行研究。通过实验室模拟现场测定指标，掌握钻屑瓦斯解吸指标与吸附平衡压力之间的关系，结合煤层区域预测指标（瓦斯压力）得到指标的参考临界值。以714运输巷为考察对象，采用现场实测方法研究指标的分布规律和相关性，并利用临界值迫近度法对敏感性进行定量分析，结果表明：在突出危险性预测和效果检验工作中，祁南煤矿72＃煤层钻屑瓦斯解吸指标Δh2相对K1敏感性更高，可作为主要预测指标。

钻屑瓦斯 解吸指标 敏感性 迫近度

钻屑瓦斯解吸指标反映了煤的吸附解吸特性，主要应用于工作面突出危险性预测和区域效果验证，确定其敏感性是瓦斯防治工作的基础。不同矿区指标的敏感程度是不一样的，主要受到地质、开采条件、操作误差等多方面因素的影响。指标敏感性分析必须兼顾安全、经济原则。许多矿井运用指标进行预测和效果检验时常会出现误报，甚至出现效果检验测值超过防突措施施工前的预测值的情况，给预测和效果检验工作带来了很大的不便。本文以祁南煤矿72＃煤层为研究对象，采用实验室模拟实验和现场统计分析相结合的方法研究钻屑瓦斯解吸指标敏感性，确定主要预测指标，为突出煤层的突出危险性预测和效果检验提供了保障，具有重大的理论参考价值和现实意义。

1 矿井及试验煤层概况

祁南煤矿是煤与瓦斯突出矿井，核定生产能力300万t／a，矿井采用立井分水平阶段石门开拓方式，全井田划分为两个水平（一水平为－550m，二水平为－750m）。矿井主采煤层为中32＃、72＃和10＃煤层。

72＃煤层厚度0～7.36m，平均2.64m，以中厚煤层为主，结构较复杂，属较稳定煤层。煤层具有突出危险性，曾多次发生煤与瓦斯突出事故，最大突出煤量96t，最大突出瓦斯量11500m3。现场实测煤层最大瓦斯压力为3.5MPa，压力梯度为1.94MPa／hm，2009年中国矿业大学对72＃煤层区域预测认为标高－435m以深为突出危险区。

2 指标敏感性确定方法

2.1 测定原理及物理意义

将含瓦斯煤样瞬间暴露于大气中或类似于大气环境条件的仪器中，根据等容或变容变压解吸原理测定煤样在不同时间段的瓦斯解吸量或不同时刻的瓦斯解吸速度，然后根据测定数据与煤样暴露时间的关系进行相应的数学处理，得到钻屑瓦斯解吸指标值。

钻屑瓦斯解吸指标是煤在瞬间暴露后不同时段解吸瓦斯量的数学体现。K1是基于巴雷尔公式推算出来的初始瓦斯解吸速度，反映的是煤样第1min的瓦斯解吸量；Δh2是特定仪器下的解吸引起的压力差，反映的是煤样第4min和第5min的瓦斯解吸量。

图1 钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析技术路线图

2.2 确定方法

图1为钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析路线。首先采集典型煤样送至实验室进行制备，然后通过实验室模拟测定钻屑瓦斯解吸指标，回归拟合得到吸附平衡压力与指标之间的关系，结合区域预测指标（瓦斯压力），初步得到指标参考临界值。然后选择跟踪考察对象，采用现场实测方法对钻屑瓦斯解吸指标的分布规律和相关性进行研究，利用临界值迫近度法对钻屑瓦斯解吸指标的敏感性进行定量分析。

3 实验室模拟实验

从714运输巷采集原始煤样，通过筛分得到粒径1～3mm的煤样，装入煤样罐。将煤样罐置于60℃恒温水浴中，用真空泵抽真空8h以上，去除煤样吸附气体使煤样罐内处于真空状态。向煤样罐中充入不同压力的甲烷气体（浓度99.9%），将煤样罐置于在30℃恒温水浴中48h，待煤样达到吸附平衡后进行指标测定。钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2分别通过WTC瓦斯突出参数测定仪和MD－2瓦斯解吸仪测定。实验室模拟指标测定结果见图2。

测定步骤：打开煤样罐，将暴露煤样尽快装入WTC瓦斯突出参数测定仪的煤样杯内，将煤样自然装满。暴露时间为1min左右时，按下测试键，测试结束后，输入从煤样暴露到测定开始的时间，仪器将根据测定的数据自动计算出K1；同时，将暴露煤样迅速装入MD－2瓦斯解吸仪的煤样瓶至刻度线位置，暴露时间3min时开始测定，2min后读出水柱压差，并根据煤样标准重量（10g）进行重量校正，即为Δh2。

图2 钻屑瓦斯解吸指标随瓦斯压力变化规律

对测定结果进行拟合，得出指标与瓦斯压力呈幂函数关系，见式（1）、式（2），相关指数均在0.99以上。

72＃煤层区域预测的主要指标瓦斯压力的临界值为0.74MPa，计算可得出Δh2和K1参考临界值分别为170Pa和0.22ml／（g·min0.5）。

4 钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析

4.1 现场跟踪考察对象

714运输巷标高－480～－500m，埋深较深，处于突出危险区。714运输巷于2005年1月开始施工，采用边掘边抽结合掘进工作面浅孔排放等“四位一体”综合防突措施。掘进过程中主要采用钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性预测和效果检验，一般向工作面前方煤体施工3个钻孔，孔深10m，钻孔直径取42mm。在打钻过程中，每隔2 m利用仪器对Δh2和K1指标进行测定。图3为714运输巷掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标法预测钻孔布置示意图。

图3 714运输巷掘进工作面钻屑指标法预测钻孔布置示意图

4.2 指标敏感性分析

4.2.1 分布规律

在714运输巷掘进期间，为了预测工作面前方煤体突出危险性，测定了大量Δh2和K1数据，指标分布情况见图4。

参照《防治煤与瓦斯突出规定》所规定的干煤样钻屑瓦斯解吸指标临界值（K1为0.5ml／（g·min0.5），Δh2为200Pa）和实验室模拟得出的参考临界值，对714运输巷掘进工作面预测指标的超标情况进行统计分析，如表1所示。

图4 714运输巷钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2分布图

参照规定临界值，K1指标没有超标现象，而Δh2指标的超标率达到35.44%，且当Δh2指标超标时往往会出现顶钻、卡钻等动力现象；参照参考临界值，K1指标超标率为12.66%，而Δh2指标的超标率达到39.24%，且当Δh2指标超标而K1未超标时曾出现顶钻、卡钻等动力现象。两个指标超标情况的差异可能是由于K1指标敏感性较低等因素造成的。从安全和经济角度考虑，矿井现行参照《防治煤与瓦斯突出规定》的钻屑瓦斯解吸指标体系是不合理的。若K1临界值降至0.16ml／（g·min0.5），两者超标率较为接近，但根据K1和瓦斯压力之间的关系，对应的瓦斯压力为0.40MPa，远小于0.74MPa。

表1 714运输巷钻屑瓦斯解吸指标超标情况统计表

4.2.2 相关性分析

表2、图5体现的是K1和Δh2指标的相关性，通过计算可以得到两个指标的相关系数及决定系数。

由表2可以看出，两个样本数据都在0.01水平上显著相关，样本可以代表指标的相关性。两者的相关系数为0.623，处于0～0.8之间，表明两个指标之间具有正相关性，但线性相关程度不强。决定系数是相关系数的平方，表示一个变量波动可由另一个变量解释的百分比。决定系数小于0.4，说明指标间共享的特征较少。

对数据进行统计可知，Δh2＞170Pa且K1＞0.22ml／（g·min0.5）的预测次数为7次，占预测总次数的8.8%；当K1＞0.22ml／（g·min0.5）时，Δh2的平均值为212Pa，远大于总体平均值151Pa；当Δh2＞170Pa时，K1的平均值为0.17 ml／（g·min0.5），略大于总体平均值0.15mL／（g·min0.5）。这说明当预测区域变化时，钻屑瓦斯解吸指标表现的同向等量变化性质较弱，可以认为两个钻屑瓦斯解吸指标敏感性不同。

表2 钻屑瓦斯解吸指标相关性分析表

图5 钻屑瓦斯解吸指标间相关性分析图

4.2.3 敏感性定量分析

为了直观地比较指标的敏感性，可以分析数据的离散程度，离散程度越高，敏感性越强。定义预测指标与其对应的突出临界值的比值为该指标相对临界值迫近度。迫近度是一个无量纲的量，可以屏蔽两个指标单位上的差异，体现的是测值与突出危险状态的相对迫近程度。714运输巷预测指标迫近度分布如图6所示，由图可以直观地看出指标Δh2比K1围绕临界值的波动性更强。

图6 714运输巷钻屑瓦斯解吸指标迫近度分布图

极差和标准差是反映一组数据离散程度最常用的两个参数，极差和标准差越大则离散程度越大。由表3可以看出Δh2迫近度的极差和标准差都大于K1迫近度，Δh2指标的现场预测数据离散程度更高，波动性更强。表明祁南煤矿72＃煤层突出危险性预测工作中Δh2指标比K1指标更加敏感，可作为主要预测指标。

表3 714运输巷钻屑瓦斯解吸指标迫近度计算表

5 结论

（1）确定了祁南煤矿72＃煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感性研究的技术路线，即采用实验室模拟测定和现场试验的方法进行敏感性分析。

（2）对实验室模拟实验进行分析，得出钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯压力呈幂函数关系；对现场预测数据统计并用迫近度法进行定量分析，表明Δh2指标相对K1指标在突出危险性预测中敏感性更强，可作为主要预测指标。

［1］ 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2005

［2］ 俞启香，程远平.矿井瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2011

［3］ 程远平.煤矿瓦斯防治理论与工程应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010

［4］ 张向阳，魏风清，史广山等.孟津矿钻屑瓦斯解吸指标临界值研究［J］.中国煤炭，2010（12）

［5］ 杨国梁，吴世跃，郭勇义等.寺河煤矿钻屑解吸指标区域临界值的确定［J］.中国煤炭，2010（2）

［6］ 孙东玲.突出敏感指标及临界值确定方法的探讨与尝试［J］.煤炭工程师，1996（4）

［7］ 孙东玲.确定瓦斯突出敏感指标及合理临界值［J］.煤，1996（6）

［8］ 周概容.统计学原理［M］.天津：南开大学出版社，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

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2011CB201204）；国家自然科学基金面上项目（51074160）；国家自然科学基金项目（50904068）；国家自然科学基金项目（51004106）

翟清伟（1986－），男，汉，山东滕州人，在读硕士研究生，主要研究方向为煤矿瓦斯防治。

（责任编辑 梁子荣）