工作面突出危险性预测指标K1临界值研究

张玉柱

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

《防治煤与瓦斯突出细则》规定：突出矿井应当针对各煤层的特点和条件试验确定工作面预测的敏感指标和临界值[1]。按照规定井巷揭煤工作面突出危险性预测采用钻屑瓦斯解吸指标法，煤巷采掘工作面突出预测一般采用钻屑指标法。目前大部分矿井按照上述工作面预测方法进行预测时一般钻屑瓦斯解吸指标选取K1值，其临界值采用规定参考值0.50 mL/(g·min1/2)[2]。工作面预测指标K1值是综合反映煤层瓦斯含量和卸压初期瓦斯解吸速度大小的指标，对于不同变质程度煤层其瓦斯吸附解吸规律不同，导致不同煤层钻屑瓦斯解吸指标K1临界值不同[3-4]。由于不同矿井的预测装备、测试人员等外部条件不同，造成特定煤层不同矿井条件下工作面预测指标K1临界值不同[5-6]。因此，针对不同矿井不同煤层研究确定其合理的工作面预测指标K1临界值意义重大。

1 K1临界值研究方法

由于工作面突出危险性是一个临界区间，为了方便矿井生产安全管理，需在临界区间内确定一个合理的临界值。目前工作面预测指标K1临界值的研究方法主要有：数率统计法、实验室建模试验法、数值仿真模拟法、现场考察分析法等[7-10]。笔者总结得出一种假设—考察—修正—确定递进式工作面突出危险性预测指标K1临界值的确定方法。

1)假设：即试验考察前确定一个合理的K1临界初值，通过现场采取煤层代表性煤样，实验室测定相关参数并建立关系模型，依据《防治煤与瓦斯突出细则》有关规定，从历史资料定性分析和实验室理论公式定量计算两个方面确定一个合理的K1临界初值。

2)考察：即对假设确定的K1临界初值进行现场考察，通过分析研究煤层采掘工作面预测区域瓦斯赋存分布情况，确定采掘工作面考察区域并选取具有代表性的工作面进行现场考察，在测定工作面预测指标K1值的同时，同步记录钻孔施工过程中的突出预兆、瓦斯涌出、煤层赋存和构造分布等情况。

3)修正：即依据考察阶段记录的相关数据和情况，对假设确定的K1临界初值进行分析修正。

4)确定：即对修正后的K1临界初值进行扩大应用试验，采用多采面、长周期验证K1临界初值的准确性和合理性，最终确定研究煤层工作面预测指标K1临界值和应用条件。

2 合理临界初值确定

2.1 根据历史资料统计分析确定

中岭一井3号煤层为煤与瓦斯突出煤层，发生过2次煤与瓦斯突出。3号煤层作为首采保护层先行开采，区域防突措施为预抽煤层瓦斯，区域防突措施效果检验指标采用残存瓦斯含量，其临界值采用经现场试验考察确定的9 m3/t进行评判；工作面预测采用钻屑指标法(K1，S)，其临界值采用《防治煤与瓦斯突出细则》推荐的临界参考值。

3号煤层掘进工作面预测每循环按照规定在端头向前方煤体施工3个钻孔，孔深10 m，钻孔每 2 m 测定一次K1值，选取每循环实测全部K1值中的最大值(K1max)作为该循环K1值。3号煤层回采工作面每循环按照规定沿倾向每隔12 m施工1个预测钻孔，孔深10 m，钻孔每2 m测定一次K1值，选取每循环实测全部K1值中的最大值(K1max)作为该循环K1值。通过查询历史工作面突出预测数据，本次对 3号煤层采掘工作面共计300个循环K1max数据进行了统计，结果见表1。

表1 3号煤层历史工作面突出预测指标K1max值统计

煤与瓦斯突出概率与煤层突出危险程度、工作面预测指标大小有关，即工作面突出概率随着煤层突出危险程度和工作面预测指标的增大而增大[11]。结合目前我国矿井生产条件及煤与瓦斯突出预测技术、预测装备、现场预测人员等因素的现状，一般矿井工作面预测突出危险率可控制在20%～30 %[12]。

中岭一井井田范围内构造类型属中等构造，3号煤层总体赋存稳定，煤层突出危险性中等，综合考虑矿井工作面预测技术、装备及人员水平，3号煤层工作面预测突出危险率选取25%。根据上述历史工作面预测数据的统计分析，工作面预测突出危险率25%对应的K1值为0.54 mL/(g·min1/2)。

2.2 根据实验室理论计算确定

大量煤与瓦斯突出事例表明，煤层瓦斯是煤与瓦斯突出发生的基础，构造煤是煤与瓦斯突出发生的必要条件[13-15]。因此，《防治煤与瓦斯突出细则》把煤层瓦斯压力和煤层坚固性系数作为判断煤层突出危险性的主要指标。

相关研究表明，煤层突出临界瓦斯压力与煤层坚固性系数f相关，煤层瓦斯压力p与K1值之间存在一定的相关关系[16-18]。《防治煤与瓦斯突出细则》第十一条规定：当f≤0.3、p≥0.74 MPa，或者0.3

本次试验在3号煤层11034工作面和12033工作面区域采取了6份煤样进行实验室煤层坚固性系数f及对应K1—p关系测试，由于3号煤层含 1～2层夹矸，6份煤样包括煤层全层、上分层、中分层、下分层、软分层煤样。依据不同煤层坚固性系数f测试结果及对应的煤层瓦斯压力临界值，通过相应的K1—p关系计算得出不同煤样工作面预测指标K1临界初值，结果如表2所示。

表2 3号煤层实验室K1指标临界初值计算结果

通过理论计算得出3号煤层工作面预测指标K1临界初值分别为：0.78、0.70 、0.59、1.40、0.93、0.69 mL/(g·min1/2)，选取最小值0.59 mL/(g·min1/2)作为3号煤层工作面预测指标K1的临界初值。

2.3 临界初值确定

根据历史资料统计分析，以及实验室理论计算得出3号煤层工作面预测指标K1临界初值分别为0.59 mL/(g·min1/2)和0.54 mL/(g·min1/2)，选取较小的0.54 mL/(g·min1/2)作为3号煤层工作面预测指标K1的现场考察的临界初值。

3 临界初值现场考察修正

3.1 现场考察区域选择

选择具有代表性的采掘工作面，由于其预测区域煤层瓦斯分布不均匀，因此现场考察前应掌握采掘工作面预测区域的瓦斯赋存分布情况，尽量选在采掘工作面的高瓦斯区域。

1)掘进工作面预测区域瓦斯赋存分布

煤巷条带采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域措施。受巷道掘进影响，巷道端头前方应力分布依次为应力降低带、应力增高带、原岩应力带[19-20]。应力降低带内煤层透气性增加，瓦斯大量释放，突出危险性减小；应力增高带内，煤层透气性降低，煤体瓦斯吸附能力增强，突出危险性增大；原岩应力带内，煤层瓦斯赋存不受影响，煤层保持原始突出危险性[21]。因此，掘进工作面预测考察时应选取应力增高带内的高瓦斯区域。为掌握3号煤层掘进工作面预测区域瓦斯赋存分布情况，对11034运输巷和12033回风巷掘进工作面的预测历史数据进行统计分析，其工作面预测每循环施工3个钻孔，孔深均为10 m，钻孔每隔2 m测定一次K1值，选取3个钻孔2、4、6、8、10 m各位置处最大值K1max作为该循环该位置处的K1值。通过对11034运输巷和12033回风巷所有历史循环2、4、6、8、10 m位置处K1max值统计求平均值，其平均值分布如图1所示。结果表明，掘进工作面端头前方10 m范围内8～10 m位置为高瓦斯区域。

图1 掘进工作面前方不同位置K1平均值分布

2)回采工作面预测区域瓦斯赋存分布

3号煤层回采工作面区域防突措施为顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯，由于顺层预抽钻孔内抽采负压分布不均，导致工作面倾向煤层瓦斯赋存分布也不均匀。为掌握3号煤层回采工作面区域瓦斯赋存分布情况，对11033回采工作面突出预测历史数据进行了统计分析。11033回采工作面预测钻孔沿工作面倾向间距12 m，孔深均为10 m，钻孔每隔2 m测定一次K1值，取每个钻孔测定最大值K1max作为该钻孔K1值。通过对11033回采工作面所有预测钻孔历史循环K1max值统计求平均值，其K1平均值分布如图2所示。结果表明，回采工作面瓦斯赋存沿工作面倾向对称分布，中间区域为高瓦斯区域。

图2 11033回采工作面倾向不同位置K1平均值分布

综上分析得出：掘进工作面突出预测指标K1临界初值现场考察应选取工作面端头前方8～10 m区域；回采工作面突出预测指标K1临界初值现场考察应选取工作面中间高瓦斯区域。

3.2 临界初值现场考察

根据矿井采掘情况，3号煤层工作面预测指标K1临界初值现场考察选择在12033运输巷和11034回采工作面进行，根据工作面瓦斯地质说明书，工作面待考察区域煤层赋存稳定。依据3号煤层采掘工作面瓦斯赋存分布规律，在掘进工作面每循环选取 3个预测考察钻孔8 m和10 m位置测定的最大值K1max进行统计分析，回采工作面每循环选取工作面倾向中间3个预测考察钻孔测定的最大值K1max进行统计分析，同步记录钻孔施工过程中异常情况和煤层赋存情况。工作面预测指标K1临界初值现场考察共跟踪40个循环，测定了40组K1max值。

统计结果表明：考察区域3号煤层赋存稳定，构造不发育；30组K1max值小于0.54 mL/(g·min1/2)，全部预测钻孔施工期间未出现突出预兆现象，采掘期间瓦斯涌出正常；10组K1max值大于等于0.54 mL/(g·min1/2)，其中出现1次喷孔现象(K1max=0.59 mL/(g·min1/2))，出现2次卡钻现象(K1max=0.56、0.57 mL/(g·min1/2))，出现1次顶钻现象(K1max=0.57 mL/(g·min1/2))。

3.3 临界初值修正

依据现场考察结果，当工作面预测指标K1小于0.56 mL/(g·min1/2)时，钻孔施工期间未出现突出预兆现象，采掘期间瓦斯涌出正常；当工作面预测指标K1大于等于0.56 mL/(g·min1/2)时，钻孔施工期间出现喷孔、卡钻和顶钻突出预兆。依据考察结果和安全管理需要，修正3号煤层工作面预测指标K1临界初值为0.55 mL/(g·min1/2)。

4 扩大应用试验

针对修正确定的工作面预测指标K1临界初值0.55 mL/(g·min1/2)进行了长周期、全矿井扩大应用试验，扩大应用地点涉及3号煤层揭煤工作面和采掘工作面，扩大应用地点均匀分布于一井3号煤层目前已开拓的11采区和12采区。现场开展扩大应用长达6个多月，跟踪应用了125个循环，测定记录了125组工作面预测指标K1值及钻孔施工、瓦斯涌出等情况。扩大应用结果统计表明：3号煤层赋存正常区域，选取0.55 mL/(g·min1/2)作为工作面预测指标K1临界值符合矿井目前工作面预测条件；3号煤层赋存异常区域由于影响因素多且主控因素不确定，工作面突出危险性无法预测，导致工作面预测指标K1临界值0.55 mL/(g·min1/2)不适用。

依据矿井采掘工程平面图、地勘资料和相关瓦斯参数分析表明，3号煤层目前已开拓区域总体属于一个瓦斯地质单元。因此，3号煤层工作面预测指标K1临界值为0.55 mL/(g·min1/2)，该值适用于目前已开拓区域的煤层赋存正常区域。

5 结语

运用总结的假设—考察—修正—确定递进式工作面预测指标K1临界值确定方法，对中岭一井 3号煤层进行了现场试验考察，确定了3号煤层工作面预测指标K1临界值为0.55 mL/(g·min1/2)，以及其应用条件，验证了研究方法的可行性，为工作面预测指标K1临界值确定提供了参考。