掘进面瓦斯涌出特征预测煤与瓦斯突出

师传壮

(山西汾西矿业集团公司通风处，山西 介休 032000)

引 言

在煤矿发生的突出事故统计中，突出事故发生最多且最严重的是煤巷掘进时工作面的突出，它是突出预测的重点区域。掘进工作面瓦斯涌出与突出的发生密切相关，可以利用工作面瓦斯涌出异常预测突出危险性。

1 掘进工作面瓦斯涌出规律

1.1 巷道煤壁瓦斯涌出规律

煤层瓦斯含量、压力、孔隙-裂隙结构和煤对瓦斯的吸附性等决定着瓦斯涌出强度的大小，瓦斯涌出强度决定着掘进面煤壁瓦斯涌出量的大小，它和煤壁暴露时间是函数关系。为了确定该函数关系，在某矿煤巷掘进工作面每隔相等距离装上瓦斯浓度传感器和风速传感器并计算巷道断面面积，对收集的数据处理后，结果表明瓦斯涌出强度与时间成反比关系，并最终趋于稳定。

根据多个矿井现场统计发现，瓦斯涌出量在煤壁暴露一个月后超过80%。炮掘时，煤壁受爆破震动影响而破坏相对较大，煤体裂隙也增大，瓦斯涌出强度和衰减速度大和快。煤壁瓦斯涌出在煤壁暴露3月～4月时达到最大稳定值。

1.2 落煤瓦斯涌出规律

落煤的瓦斯释放速度主要取决于落煤粒度，粒度越小，瓦斯释放越快，反之越慢。相对于爆破掘进，采用综采机械掘进时落煤的粒度更小并且比较均匀，瓦斯解吸相对更快。落煤瓦斯涌出是时间的函数，为了研究其随时间的变化规律，通过将掘进刚落下的煤粒迅速装入煤样罐内，做好密闭处理后与瓦斯解吸仪进行连接，并进行解吸量的测定与记录，直到它衰减到趋于平稳[1]。

对在实验室测得的瓦斯解吸量做出它与时间的关系曲线图，得到q02(初始瓦斯强度)和β(衰减系数)的值。q02和β对于在不同开采技术和自然因素条件的工作面下得到的具体值是不一样的，瓦斯含量和落煤粒度对其值大小的影响最大。

2 煤与瓦斯突出发生前工作面瓦斯涌出量异常变化特征

2.1 工作面含瓦斯煤体的动态变化

随着掘进的推进，工作面前方煤体由于地应力的变化会出现相形推移、应力停滞等动态变化。

1) 相形推移现象

掘进在无构造破坏的均质煤体中，工作面前方三个带区向前推移的同时顶底板也相应地移近，此时，工作面瓦斯均匀涌出，波动幅度小，无突出危险。

2) 应力停滞现象

掘进在地质构造破坏带煤层中，集中应力增加，顶底板有时会出现不移近或是速度减小，即应力停滞现象。它的前兆信息是：在掘进过程中，前方煤体存在地质破坏带时，顶底板移近速度变慢，泄压带区减小，集中应力带区增大且集中应力也变大。煤体受压，透气性减小，不掘进时瓦斯涌出小，掘进时涌出量大。工作面前方集中应力区力学性能逐渐集聚，当煤体达到极限应力状态，受采掘作业影响很容易诱发煤与瓦斯突出动力现象。

2.2 突出发生前工作面瓦斯涌出量异常变化

统计发现，突出发生前有一定的预兆，这是突出准备阶段的外部表现。突出预兆瓦斯涌出方面的预兆有：喷煤、打钻喷瓦斯和瓦斯涌出量大且会出现瓦斯浓度降低后骤然增大，瓦斯浓度忽大忽小等异常现象。在突出准备阶段，当掘进煤巷向前推进时，由于应力停滞现象，地应力局部增加和瓦斯压力梯度也增加，此时工作面前方处于不稳定动态平衡状态，煤体裂隙时张时闭，煤体内赋存的瓦斯不断地进行吸附、解吸过程，平均瓦斯涌出量增大，并有持续增高的趋势，增高到一定程度又骤然降低的忽大忽小等异常现象，有时也出现打钻喷瓦斯、喷煤等。因此，可以将工作面瓦斯涌出异常作为一项指标预测突出危险性[2]。

2.3 不同工况下瓦斯异常涌出规律

虽然不同事件如放炮、工作面停风、传感器调校等也会引起瓦斯浓度曲线出现较大波动，放炮时瓦斯浓度曲线变化是突然增高后随着通风的进行持续几分钟后降低到正常范围；传感器调校时瓦斯浓度曲线变化表现为突然增高后降低到正常浓度范围；工作面停风时瓦斯浓度曲线变化表现为缓慢、持续累加到较高浓度范围。这与突出时所表现的波动有较大的区别。工作面瓦斯涌出量变化情况与静态钻孔法预测煤与瓦斯突出表现为一致性，因此，可利用工作面瓦斯涌出量异常变化特征作为预测指标预测煤与瓦斯突出危险性。

3 掘进面瓦斯涌出量异常预测煤与瓦斯突出

3.1 无煤与瓦斯突出危险性时瓦斯涌出量变化情况

山西某矿属于煤与瓦斯突出矿井，N2105掘进工作面采用静态钻孔法预测前方煤与瓦斯突出危险性，同时装有瓦斯传感器和风速风向传感器。通过人工钻孔在2012.7.16～2012.8.14测得N2105掘进面胶带顺槽钻孔涌出瓦斯初速度q、最大钻屑量Smax、瓦斯解吸指标K1、Δh2，根据《钻屑瓦斯解吸指标测定方法》(AQ/T 1065-2008)算出瓦斯浓度[3]。

采样期间(2012.7.16～2012.8.1)预测N2105掘进面煤层无突出危险性，采集该时段N2105胶带顺槽回风流每小时风速、瓦斯浓度数据并绘制趋势图，如图1所示。该掘进巷道通风断面积13.3 m2，计算得出工作面瓦斯涌出量曲线图，如图2所示。

图1 N2105胶带顺槽回风流瓦斯浓度趋势图

图2 N2105工作面瓦斯涌出量曲线图

通过利用《防突规定》里的静态钻孔预测法预测N2105工作面在预测期间无煤与瓦斯突出危险性，在风流风速稳定的情况下该工作面瓦斯浓度和瓦斯涌出量较小且曲线变化趋势均匀、变化幅度平缓。

3.2 有煤与瓦斯突出危险性时瓦斯涌出量异常变化情况

根据表1所示，8月13、14日，工人通过钻孔法连续两天预测N2205煤层有突出危险性，该工作面于14日发生了小型煤与瓦斯突出，由于提前预测到突出危险性并做好了相应的应急防护措施，该突出无人员伤亡。由第194页图3所示，分析8月13日20个小时监测到的每分钟瓦斯浓度数据发现，在煤与瓦斯突出发生前1 d或数小时内瓦斯浓度较大且波动幅度较大，出现忽大忽小或是持续较高骤然降低后急剧增加的持续不稳定变化情况[4]。

表1 N2205工作面预测煤层突出危险性综合参数表

图3 N2205工作面瓦斯涌出量曲线图

4 结论

1) 煤壁和落煤瓦斯涌出强度主要随暴露时间的延长而降低，根据该特性，绘制出煤壁和落煤瓦斯涌出强度与时间的变化曲线。

2) 从理论上分析了煤与瓦斯突出发展的四个过程以及掘进过程中含瓦斯煤体动态变化。突出发生包括准备、激发、发展和终止四个阶段，每个阶段煤体所受的地应力和瓦斯有不同的作用特点。煤巷掘进过程中，含瓦斯煤体3个带区(卸压带、集中应力带和原始应力带)出现相形推移、应力停滞和瓦斯包现象，瓦斯涌出量随着煤体透气性的变化也发生相应的动态变化，并表现出涌出量增大，波动较大且有时忽大忽小，这也是煤与瓦斯突出准备阶段所表现出来的瓦斯涌出的异常征兆。

3) 利用《防突规定》静态钻孔法预测工作面煤层在有突出危险性和无突出危险性的情况下与工作面瓦斯浓度、瓦斯涌出量曲线变化特征对比，表现为钻孔法与工作面瓦斯涌出量在预测煤与瓦斯突出危险性上存在较好的一致性，因此，可利用工作面瓦斯涌出量异常变化特征作为预测指标预测煤与瓦斯突出危险性。该指标是一项较好的非接触式突出预警指标，与静态接触式的钻孔法相比，具有实时、动态、连续性预测的优势，是一种很有发展前景的预测方法，值得深入研究。