上社煤矿突出预测敏感指标及其临界值确定

刘 兴

(阳泉市上社煤炭有限责任公司,山西 阳泉 045200)

煤与瓦斯突出因其机理的复杂性,到目前为止关于其机理的研究仍没有取得实质性的进展[1-2],然而科研工作者及煤矿从业人员对如何防治煤与瓦斯突出的研究却没有停止过。通过分析大量的突出事故案例,找到了突出事故发生的一般规律及突出预兆,提出了钻屑指标法、复合指标法、R值指标法、温差指标法等方法[3]进行突出危险预测。

突出危险性预测受矿井煤层赋存条件、地质因素等影响,各个指标都有其各自的适用性,然而,很多矿井一般采用防突规定推荐的临界值,不仅缺乏针对性,且难以保证预测结果的可靠性。因此,为提高不同矿井突出危险预测的准确性,找出适合矿井的突出预测指标及临界值,对矿井实现安全生产具有重要意义[4]。

1 矿井概况

上社煤矿为煤与瓦斯突出矿井,主要开采9#、15#煤层;矿井核定生产能力为 240万吨/年,允许生产能力为150万吨/年,采用斜井+立井开拓方式,走向长壁采煤法,综合机械化采一次采全高,跨落式顶板管理;掘进工作面采用综掘工艺。

本次试验选择在 15105 工作面风巷,煤厚4.35～6.94m,平均5.67m,倾角为3°～5°。最大煤层瓦斯含量为12.91 m3/吨,该区域煤层赋存稳定无大的构造影响。

2 实施方案及现场试验

确定突出预测敏感指标及其临界值工作一般划分为3步骤,首先选取煤样进行瓦斯放散初速度、坚固性系数测定,分析指标敏感性;然后根据K1-P曲线推算出指标临界值的参考值,依据参考值划定的范围,利用“四率”法初步确定预测指标临界值;最后通过现场验证确定临界值。

2.1 敏感指标临界值理论分析

煤的瓦斯放散初速度ΔP是评价煤与瓦斯突出危险性的指标之一,反映煤体瓦斯解吸释放的快慢程度。为掌握上社矿15#解吸释放瓦斯的快慢,在上社煤矿15#煤层回风巷、皮带巷、轨道巷取样进行放散初速度测定,试验确定K1-P曲线。测定结果如表1所示,K1-P曲线见图1、图2所示。

表1 15#放散初速度、坚固性系数、K1-P曲线测定结果表

注:表1中A、B为待定常数,A>0,0

从表1中可以看出,上社矿15#煤层坚固性系数f在0.34～0.39之间,瓦斯放散初速度ΔP在26.2～29.4之间,显然,15#煤层坚固性系数较小,放散初速度大,具备发生瓦斯为主导的突出条件。

图1 15#风巷K1-P曲线图

从图1和图2中的K1-P曲线变化趋势可以看出,随着瓦斯压力的增大,K1值有明显增大的趋势,证明瓦斯解吸指标K1值具有敏感性,可作为突出危险性预测指标。将瓦斯压力0.74MPa代入K1=APB公式,分别得到K1值为0.56和0.55 mL/(g·min1/2),选取0.55 mL/(g·min1/2)作为K1值临界值。

图2 15#皮带巷 K1-P曲线图

由于K1值是瓦斯指标,所以仍将反映地应力情况的钻屑量S作为突出预测指标。

2.2 敏感指标现场考察

在工作面布置4个预测钻孔进行突出危险性预测,钻孔长度8～10m,钻孔直径42mm,原则上每2m测定1次K1值,每1m测定1次S值。

现场试验过程中,跟踪考察15105风巷417m的距离,总计进行54轮考察工作,施工预测钻孔216个。共有18个预测钻孔超标,其中S值超标12次(最大值为8.5 kg),K1值超标9次(最大值为0.98mL/(g·min1/2)),两指标同时超标3次,预测指标分布情况如表2所示。

表2 15105风巷预测指标分布情况统计表

从表2中可以看出,预测的钻屑量S指标过半数集中在3～4kg/m之间,占比58%,5～6kg/m之间的占比5.0%,而大于6kg/m的占比为0.6%;预测的K1值指标0～0.4之间占比84.2%,0.5～0.55 之间占比2.3%,大于0.6占比0.2%。

2.3 应用“四率”法确定预测指标临界值

基于预测突出危险率η1(η1=n1/N,n1为预测中超过临界值的次数,N为预测总次数)、预测突出准确率η2(η2=n2/n1,n2为超过临界值中真正有突出危险的次数)、预测不突出危险率η3(η3=n3/N,n3为预测中未超过临界值的次数)、预测不突出准确率η4(η4=n4/n3,n4为预测不突出危险次数中实际不突出的次数)的“四率”法是确定预测指标的常用方法[5-7]。钻孔施工过程中,出现吸钻、喷孔等异常动力现象时视为真正有突出危险,在15105回风巷预测期间,K1值指标9次超标中有8次出现动力现象,而S值中10次有动力现象。统计出“四率”分析结果见表3。

表3 15105风巷预测指标四率分析结果表

按照防突规定要求,预测结果超过临界值时,必须采取防突措施并经效果检验合格后方可进行掘进作业,所以预测突出率高就会影响矿井的正常生产。在能保证预测准确的前提下,突出危险率η1越小越好,即临界值越大越好。同时,必须考虑预测不突出准确率尽可能高。

从表3中可以看出,K1值的预测突出率为0.9%,预测突出准确率为88.8%,预测不突出准确率为100%;S的预测突出率为0.6%,预测突出准确率为83.3%,预测不突出准确率为100%。K1值和S的预测突出率均较低,而预测突出准确率均较高,因此,现场应用中所取的K1值和钻屑量S临界值是合理的。

3 现场验证-临界值最终确定

《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的瓦斯解吸指标K1值的临界值为0.5mL/(g·min1/2)。上社煤矿现场验证时,选择在15105回风巷进行。共验证20个循环,K1值指标超标4次,均伴随着喷孔的瓦斯动力现象出现。随后施工排放钻孔,排放8h后,进行效果检验,K1均降为0.4 mL/(g·min1/2)以下,钻屑量S降为3kg/m,变化明显。敏感指标验证试验表明,K1值指标临界值为0.55 mL/(g·min1/2)、钻屑量S临界值为6kg/m能满足现场实际需要。

4 结论

通过K1-P曲线和“四率”法对突出预测敏感指标和临界值进行了研究,得出了上社矿瓦斯解吸K1值和钻屑量S指标均具有敏感性,其临界值分别为0.55 mL/(g·min1/2)、6kg/m,可在瓦斯放散初速度大、瓦斯解吸指标随瓦斯压力变化明显的掘进工作面中应用。

《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的瓦斯解吸指标K1值的临界值为0.5mL/(g·min1/2),而试验研究得出瓦斯解吸指标K1值的临界值为0.55 mL/(g·min1/2),可减少预测值在0.5～0.55mL/(g·min1/2)之间评判为突出危险工作面需要的防突工程量,进而解放了生产力,可见进行敏感指标试验研究具有重要的现实意义。