掘进工作面敏感指标及临界值确定

王晋生 张玉明 樊会明

(1.阳煤集团五矿，山西省阳泉市，045000;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037;3.中煤科工集团重庆研究院，重庆市沙坪坝区，400037; 4.阳煤集团通风部，山西省阳泉市，045209)



掘进工作面敏感指标及临界值确定

王晋生1张玉明2，3樊会明4

(1.阳煤集团五矿，山西省阳泉市，045000;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037;3.中煤科工集团重庆研究院，重庆市沙坪坝区，400037; 4.阳煤集团通风部，山西省阳泉市，045209)

根据逢春煤矿6#煤层的特点，分析了钻屑瓦斯解吸指标K1值预测存在的问题，引进温差指标进行突出危险性预测。通过现场考察，根据预测指标值的大小随着突出危险性的大小明显变化的原则和三率法确定逢春煤矿掘进工作面敏感指标及其临界值。现场结果表明，利用温差指标预测突出和非突准确率均达 100%。

掘进工作面 敏感指标 临界值 温差指标 三率法

逢春煤矿位于松藻矿区东南部，主要开采6#、7#、8#煤层，各煤层均属于突出煤层，且突出强度依次增大。根据统计数据，逢春煤矿发生过9次突出事故，其中6#煤层发生过2次突出事故。

逢春煤矿将突出强度较弱的6#煤层作为保护层先行开采，在6#煤层的煤巷掘进工作面主要采取穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯为主的区域综合防突措施，但在以往的预抽钻孔施工过程中，顶钻、喷孔等瓦斯动力现象时有发生，由此6#煤层掘进期间必须要做好防突工作。而工作面突出危险性预测是做好防突工作的前提，因此开展煤巷掘进工作面突出危险性预测敏感指标及其临界值确定试验十分必要。

1 试验地点概况及敏感指标确定

突出危险性预测敏感指标及其临界值确定的现场试验一般分为3个阶段，首先根据现场实际情况确定出敏感指标；然后对选定的敏感指标进行现场试验，并初步确定其临界值；最后通过继续试验，验证已经得到的敏感指标及其临界值，从而最终确定临界值。

本次试验地点选择在N2621煤巷掘进工作面，该工作面位于+460 m水平N1石门和N2石门之间，其上方为+460 m～+523 m隔水煤柱，开采6#煤层，其下部7#煤层和8#煤层未开采。该工作面煤质坚硬，一般情况下坚固性系数值为0.67，煤层赋存稳定，煤层平均厚度为0.9 m，倾角48°，该区域无大的构造影响，瓦斯含量为18.82 m3/t，为半煤岩巷掘进。

《防治煤与瓦斯突出规定》中明确提出，煤矿煤巷掘进工作可采用钻屑指标法、复合指标法、R值指标法及其他经试验证实有效的方法作为突出危险性预测，并要求应针对各煤层发生煤与瓦斯突出的特点和条件试验确定工作面预测的敏感指标和临界值，作为判定工作面突出危险性的主要依据。

1.1 钻屑解吸指标K1值

钻屑解吸指标K1值是最常用的工作面预测指标之一，K1值是综合反映煤层瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数及煤的孔隙结构等参数的指标。

表1 N2621工作面瓦斯解吸指标K1值分布范围表

1.2 温差指标

1.2.1 温差预测可行性分析

王宏图等认为，在高地应力和瓦斯压力的共同作用下，受到瓦斯吸附和挤压，煤岩体温度会升高；同时，煤体聚集高应变能导致顶钻、喷孔等现象出现时，钻孔孔底煤壁与钻头摩擦时间增加、钻孔钻进减慢等也会使钻屑温度发生变化，由此提出用煤的钻屑温度和煤体温度进行突出危险性预测是可行的。

另外，瓦斯解吸的过程是吸热的，吸附于煤颗粒表面的瓦斯从周围介质获得能量后被解吸出来，煤中瓦斯大量解吸时，煤体温度会显著降低；煤体在地应力作用下发生变形，煤体温度升高。煤与瓦斯突出和煤的瓦斯解吸过程以及煤层中的应力状态密切相关，即煤体应力增加时温度上升，而在卸压和排放瓦斯时则温度下降。因此，可以利用测定煤体温度变化指标来分析煤与瓦斯突出危险性。

1.2.2 敏感指标确定

本次采用的温差指标为工作面煤壁温度和巷道风流温度之差。在工作面煤壁刚暴露时煤壁温度TB受地温和煤壁瓦斯解吸影响较大。但随着时间的推移，煤壁温度TB主要受风流温度及由煤壁深部经煤壁涌出瓦斯量大小的影响。因此，选择工作面风流温度为基准温度T0，采用ΔT=T0-TB的指标形式。

根据统计，在2007-2011年期间，6#煤层共进行了1154轮预测，发现有一个共同特点：只要钻屑温度、煤体温度发生了明显变化，就一定会发生顶钻或者喷孔等动力现象。因此温差指标可以作为6#煤层的主要预测指标。

2 敏感指标临界值初步确定

2.1 温差指标现场试验

在+460N2621工作面掘进中，总共跟踪考察了66个预测循环，计1737个数据，其分布范围在0～8.5℃之间；在该试验区温差指标(ΔT)超过5℃的次数为88次，占5.1%。考察基本情况见表2。

由表2 可知，温差指标(ΔT)有79.7%集中在0～4℃之间，15.2%的温差指标分布在4～5℃之间，而大于等于5℃的占5.1%。统计表明，温差(ΔT)大于5℃时工作面均发生了喷孔等异常现象。

表2 +460N2621温差指标ΔT值统计表

2.2 应用三率法初步确定温差指标临界值

三率法即是根据预测突出率、预测突出准确率和预测不突出准确率对突出预测数据进行分析，从而确定突出预测敏感指标。

根据所测数据，应用三率法对 6#煤层+460N2621、+380N2621掘进工作面的突出预测及效果检验结果进行分析，总预测1737次，有突出危险次数88次，预测突出率为100%，预测有危险次数中真正有危险次数为88次，预测突出准确率为100%，预测无突出危险次数为1649次，预测无突出危险次数中果真无突出危险次数为1649次，预测不突出准确率为100%。

从预测结果可以看出，采用温差指标在现场实测中，温差指标预测不突出准确率为100%。

根据现场考察可知，当ΔT≥5℃时，打钻时出现顶钻、喷孔等动力现象的情况增多，随着ΔT值增大，类似动力现象就越发明显和严重，而当ΔT<5℃时，掘进期间未有突出动力现象发生。

综上所述，温差ΔT为5℃可作为6#煤层突出危险性预测临界值。

3 敏感指标及临界值验证试验

掘进工作面敏感指标扩大验证在+460N2631掘进工作面进行，该工作面位于+460N2石门和+460N3石门之间，北部与N3石门相连，南部与N2石门贯穿，紧邻N2621工作面南部，验证期间N2631工作面进尺200 m，预测52个循环。

N2631工作面掘进期间仅在工作面开掘位置进行区域防突措施时，预测温差指标达到临界值5℃，同时伴随瓦斯动力现象发生。为了进一步验证温差指标的敏感性，在部分地点对区域防突措施前后温差指标进行了对比，详见表3。

表3 区域防突措施前后掘进工作面突出危险性预测指标测定结果对比

从表3中可以看出，N2631上巷道开口处温差预测超标发生了动力现象，但在实施区域措施后，温差降为3℃，而且动力现象消失。在其他位置的比对中也可以看出，实施区域措施前后，温差指标变化明显。

敏感指标验证试验表明，温差指标ΔT是试验区域敏感指标且指标临界值合理，适用于矿井试验区瓦斯地质及开采技术类似条件工作面的突出危险性预测。

4 结论

逢春煤矿应用温差指标ΔT作为主要敏感指标进行突出危险性预测是可行的，其临界值为5℃，可在类似开采条件下的工作面应用。

但在地质构造带、应力集中区等特殊地点应用温差指标作为主要敏感指标的同时，仍需配合使用钻屑量S值作为预测指标。

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

[2] 王佑安,王魁军.工作面突出危险性预测敏感指标确定方法探讨[J].煤矿安全, 1991(10)

[3] 曹垚林.掘进工作面突出预测敏感指标及临界值确定方法[C].全国煤矿学术年会，2007

[4] 张玉明.乌兰煤矿7#煤层突出危险性敏感指标及临界值的确定[J]. 矿业安全与环保, 2015(3)

[5] 郭民,郁钟铭.煤与瓦斯突出影响因素的安全评价研究[J].中国煤炭, 2010(3)

[6] 周应江,张永将.新集一矿6-1#煤层工作面突出预测敏感指标临界值研究[J].中国煤炭, 2012(6)

(责任编辑 张艳华)

Determination of sensitive index and critical value of driving work face

Wang Jinsheng1, Zhang Yuming2,3, Fan Huiming4

(1. No.5 Coal Mine, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045000, China;2. National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400037, China;3.Chongqing Research Institute, China Coal Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China;4. Ventilation Branch, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045209, China)

According to the characteristics of No. 6 coal seam in Fengchun Mine, the existing problems about prediction of gas desorption indexK1of drill cuttings were analyzed, and temperature difference index was introduced in coal and gas outburst prediction. Through field investigation, combining the rule that prediction index changed obviously along with the coal seam outburst risk and three-rate method, sensitive index and its critical value were determined. The results showed that predictive accuracy rate of the danger of coal and gas outburst and non-outburst reached 100%.

driving work face, sensitive index, critical value, temperature index, three-rate method

王晋生，张玉明等. 掘进工作面敏感指标及临界值确定[J].中国煤炭，2017,43(7)：131-133. Wang Jinsheng，Zhang Yuming，Fan Huiming. Determination of sensitive index and critical value of driving work face [J]. China Coal, 2017，43(7):131-133.

TD712.53

A

王晋生(1976-)，男，山西省阳泉人，工程师，主要从事煤矿“一通三防”工作。