煤与瓦斯突出预测敏感指标临界值的确定

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(中煤科工集团 重庆研究院有限公司 瓦斯研究分院，重庆 400037)

煤与瓦斯突出预测敏感指标临界值的确定

章飞，徐文平，程广，覃俊

(中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院，重庆400037)

某矿C19煤层自建井以来共发生6次煤与瓦斯突出事故，在煤巷掘进过程中有明显的突出预兆发生，造成防突工程量大，掘进速度缓慢，采掘接替失衡。为有效预测C19煤层煤巷掘进过程中的煤与瓦斯突出事故，采用历史预测资料统计与分析、实验室研究及现场考察分析相结合的方法，研究得出了适合C19煤层的敏感指标(K1、S)临界值，有效地减少了防突工程量，提高了掘进速度。

煤与瓦斯突出；敏感指标；临界值

某矿首采煤层C19煤层为突出煤层。自建井以来，C19煤层共发生煤与瓦斯突出6次，突出强度最大的一次突出原煤126t。该煤层在掘进过程中采用的突出预测指标临界值为：K1=0.35mL/(g·min0.5)，S=6.0kg/m。执行该指标及临界值以来，虽在减少煤与瓦斯突出次数及预防事故发生等方面取得了一定的效果，但由于缺少适合C19煤层自身的突出危险性预测敏感指标临界值，导致防突工程量增加，掘进速度缓慢，采掘接替失衡。因此，对C19煤层突出预测敏感指标临界值的研究就显得尤为重要。

1 试验掘进工作面概况

试验掘进工作面选在2192运输巷及2192回风巷。2192运输巷位于二采区北翼+470m标高；2192回风巷位于二采区北翼+530m标高。2192运输巷及2192回风巷均为半煤岩掘进，走向长度约为500m。C19煤层平均煤厚为1.32m，倾角约为22°，煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类，顶底板均为砂质泥岩。

2 敏感指标临界初值的确定

2.1 历史预测资料统计与分析

经对C19煤层历史预测资料的收集与初步统计分析，钻屑瓦斯解析指标K1在C19煤层突出预测中较为敏感。对2192运输巷及2192回风巷掘进工作面的历史预测资料进行统计(共248次)，统计结果见表1。从表1可以看出，K1≥0.35mL/(g·min0.5)的次数累计80次，占总预测次数的32.3%，而K1≥0.45mL/(g·min0.5)的次数累计12次，仅占总预测次数的4.8%。

表1 K1值历史预测数据统计

为保证工作面安全生产，预测突出危险带准确率应达到100%。但受矿井生产技术条件及工作面部署的影响，难以给出具体指标。但国内外统计结果表明：突出煤层中，真正有突出危险的区域仅占预测区域的10%～30%。根据这一规律，应选取预测突出危险带准确率大于30%的K1值作为临界初值。因此，根据预测突出危险带准确率及表1的统计结果分析，选取0.35mL/(g·min0.5)作为K1的敏感指标临界初值，能在一定程度上反映C19煤层突出危险性的存在。

2.2 实验室研究

根据国家“八五”科技攻关课题的研究成果，煤层瓦斯压力P与K1存在一定的相关关系。大量的破碎试验及测试结果也表明，煤层最小突出瓦斯压力与煤的坚固性系数f存在一定的函数关系。因此，可通过煤质指标确定煤层的突出瓦斯压力临界值，继而依据实验室测定的K1-P关系模型初步确定煤层的敏感指标K1的临界初值[1-2]。

实验室对所取C19煤层煤样的坚固性系数f、瓦斯放散初速度ΔP等指标进行了测试，并给出了K1-P关系模型，测试结果及K1指标实验室临界值如表2所示。

表2 C19煤层突出参数实验室测试结果及K1指标临界值

注：A、B均为K1-P关系模型相关系数，P为瓦斯压力，取最小突出瓦斯压力0.74MPa。

通过对不同地点C19煤层煤样的实验室测定分析：试验工作面C19煤层煤的坚固性系数f=0.22～0.71，煤质较硬；瓦斯放散初速度ΔP=27～41，瓦斯放散能力较强[3-5]。

实验室测定分析结果表明：实验室K1指标临界值为K1=0.45～0.84mL/(g·min0.5)。试验初期，从安全角度考虑，取实验室最小临界值0.45mL/(g·min0.5)作为敏感指标K1的临界初值。

2.3 突出点附近K1分析

C19煤层自建井以来共发生6次煤与瓦斯突出。其中，离发生在“370二石门”掘进过程中的突出点最近的瓦斯压力测定地点位于“370三石门”，实测该测点C19煤层瓦斯压力为0.5MPa。根据实验室测定的2192回风巷231m迎头处及2192运输巷307m迎头处的K1-P关系模型，计算得出K1值为0.42mL/(g·min0.5)、0.36mL/(g·min0.5)。

2.4 敏感指标临界初值初步确定

综上分析：考虑到因地质构造而引起的煤体变软的因素，从安全角度出发，试验初期敏感指标K1的临界初值确定为0.35mL/(g·min0.5)。结合《防治煤与瓦斯突出规定》提供的参考临界值(K1=0.5mL/(g·min0.5)，S=6.0kg/m)，确定试验初期敏感指标临界初值，即：K1max≥0.35mL/(g·min0.5)且S≥6.0kg/m，无突出危险性。

2.5 敏感指标临界初值的现场考察与分析

敏感指标临界初值初步确定后，在2192运输巷及2192回风巷进行现场试验。在制定严密安全防护措施后，共进行63个循环预测，63次测定(其中2192运输巷31个循环，2192回风巷32个循环)中，61次超标，预测突出率97%。63个循环预测指标最大值分布情况如图1，图2所示。

图1 2192运输巷循环预测指标最大值分布示意

图2 2192回风巷循环预测指标最大值分布示意

由图1，图2可知：预测指标K1值随掘进变化较大，尤其当遭遇地质构造带时，K1值由1.04mL/(g·min0.5)减小到0.21mL/(g·min0.5)，常发生顶钻、卡钻、喷孔等现象。当K1>0.4mL/(g·min0.5)时，施工钻孔时开始出现顶钻、卡钻、喷孔等突出预兆；当K1>0.6mL/(g·min0.5)时，突出预兆现象愈加明显；而当K1<0.4mL/(g·min0.5)时未发生任何顶钻等突出预兆。钻屑量预测指标S则较为稳定，Smax=2.7kg/m，平均2.2kg/m。地质构造带S与正常情况差异不大，可作为辅助预测指标。

2.6 敏感指标临界初值的确定

通过对以上历史预测资料进行统计与分析，并采用实验室研究及现场考察分析等不同方法，对敏感指标临界初值进行分析，可得：

(1)根据历史预测资料，可以看出：C19煤层历史预测指标值中K1≥0.4mL/(g·min0.5)的次数占总预测次数的16.1%。

(2)通过实验室测定的C19煤层的K1-P关系模型，采用《防治煤与瓦斯突出规定》中突出煤层区域预测的瓦斯压力P临界值(0.74MPa)计算得出K1值在0.45～0.84mL/(g·min0.5)之间；利用突出点附近实测的瓦斯压力，代入K1-P关系模型，得出突出点附近K1值为0.42mL/(g·min0.5)、0.36mL/(g·min0.5)。

(3)现场试验考察过程中，K1≤0.4mL/(g·min0.5)时未发生任何卡钻、顶钻等突出征兆。K1>0.4mL/(g·min0.5)时开始出现突出征兆，且征兆愈来愈明显。

(4)钻屑量S作为辅助预测指标，在现场试验中预测值较为稳定，敏感程度不高。

综上分析：C19煤层突出预测指标K1临界初值为0.4mL/(g·min0.5)时，钻屑量S取《防治煤与瓦斯突出规定》中的6kg/m作为临界初值。

3 敏感指标临界值的确定

3.1 敏感指标临界初值扩大试验

敏感指标扩大试验在2192运输巷及2192回风巷进行。扩大试验阶段，两条巷道共进行了34个预测循环，预测指标K1值超标15次，S未超标。当K1值超过临界初值时，采取防突措施后，K1值降到临界值以下，2192运输巷预测指标K1最大值由防突措施前的0.73mL/(g·min0.5)减小到0.32mL/(g·min0.5)，低于临界值。执行该敏感指标临界值后，安全进尺198m，补充防突措施次数由原先的29次减少到15次，减少防突工程量48%，有效地保证了C19煤层巷道的安全快速掘进。防突措施实施前后K1最大值对比情况如图3，图4所示。

图3 2192运输巷防突措施前后K1最大值对比情况

图4 2192回风巷防突措施前后K1最大值对比情况

3.2 敏感指标临界值的确定

扩大试验表明，研究确定的敏感指标临界初值合理有效，预测不突出危险率达到100%。在防突措施做足、保证安全的前提下，有效地解放了生产力，提高了掘进速度，采掘接替紧张状况得到了一定的缓解。综上分析，C19煤层的敏感指标临界值确定为K1=0.4mL/(g·min0.5)，S=6kg/m。

4 结论

(1)突出预测敏感指标临界值的确定是一项极其复杂而又富有意义的工作。矿井应根据煤层自身赋存规律及突出危险性程度的大小对敏感指标及其临界值进行摸索考察。

(2)采用历史预测资料统计与分析、实验室研究及现场考察分析等相结合的方法研究确定了C19煤层敏感指标临界值为K1=0.4mL/(g·min0.5)，S=6kg/m，有效保障了矿井安全生产。

[1]赵旭生，董银生，岳超平.煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法[J].矿业安全与环保，2007，34(3).

[2]胡千庭，邵 军.工作面预测敏感指标值确定方法的研究[R].重庆：煤炭科学研究总院重庆分院，1995.

[3]张永将，孟贤正，童 碧，等.深部矿井煤与瓦斯突出预测敏感指标临界值研究[J].煤炭科学技术，2009，37(3).

[4]马雷舍夫，艾鲁尼，胡 金，等.煤与瓦斯突出预测方法和防治措施[M].魏风清，张建国译.北京：煤炭工业出版社，2003.

[5]国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[6]司春风，王 伟，刘亚庆，等.卧龙湖煤矿10煤层瓦斯解吸特性及突出敏感性指标研究[J].煤矿开采，2013，18(3)：117-119，74.

[7]唐 征，田坤云.中马村矿煤与瓦斯突出预测指标影响因素分析[J].煤矿开采，2007，12(5)：77-79.

[责任编辑：李青]

Critical Value of Sensitivity Index for Forecasting Coal and Methane Outburst

ZHANG Fei, XU Wen-ping, CHENG Guang, QIN Jun

(Methane Research Branch, Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Chongqing 400037, China)

6 times coal and methane outburst occurred in C19 coal-seam of a mine since the shaft building.There were obvious outburst omens in driving coal roadway, which resulted into large prevention engineering amount, slow driving speed and unbalanced mining and driving.In order to effectively forecast coal and methane outburst disaster in driving coal roadway, applying historical forecast data, laboratory test and on-the-spot investigation, critical value of sensitivity index (K1,S)suitable for C19 coal-seam was obtained.Practice showed that outburst prevention engineering amount reduced largely and driving speed increased.

coal and methane outburst；sensitivity index；critical value

2014-05-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.028

国家青年自然科学基金(51104087)

章 飞(1989-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，从事煤矿瓦斯动力灾害预测及防治技术方面工作。

章 飞，徐文平，程 广，等.煤与瓦斯突出预测敏感指标临界值的确定[J].煤矿开采，2014，19(6)：107-109.

TD713

A

1006-6225(2014)06-0107-03