基于煤层突出特征的工作面预测指标确定

张玉柱

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

工作面突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的最后一道安全防线，是矿井安全生产的重要保障。精准的工作面突出危险性预测需要合适的工作面突出预测敏感指标和合理的指标临界值做支撑，《防治煤与瓦斯突出细则》要求突出矿井应当针对煤层的特点和条件试验确定工作面突出预测的敏感指标和临界值[1]。针对不同矿井，其生产工艺、工作面预测条件等外在因素不同；再者对于不同煤层，其煤层瓦斯解吸规律、煤层突出特征及其主控因素等内在因素不同，造成不同矿井不同煤层其工作面预测敏感指标及临界值不同[2-4]。因此，研究确定突出煤层工作面突出预测敏感指标及临界值对于矿井瓦斯防治意义重大。

1 矿井概况

四季春煤矿为煤与瓦斯突出矿井，主采6 号、7号、16 号、35 号煤层，6 号、7 号、16 号煤层煤层经鉴定全部为具有煤与瓦斯突出危险性，35 号煤层尚未鉴定。矿井区域防突措施为开采保护层，首采7 号煤层作为保护层先行开采，煤层开采顺序为7 号→6号→16 号→35 号煤层。井田总体为一单斜构造，区内构造发育中等，局部区域内次一级褶皱和断层较发育。

四季春煤矿6 号煤层全区可采，煤质为无烟煤，煤层厚度2.5 m 左右，平均倾角14°，煤层厚度及倾角总体赋存稳定，煤层全层硬度一致，无软分层，无夹矸。6 号煤层区域预测指标临界值已经具有鉴定资质的机构完成试验考察并应用，区域预测指标瓦斯含量临界值确定为8.5 m3/t；6 号煤层工作面突出预测敏感指标及临界值尚未试验考察确定。

2 工作面突出预测敏感指标确定

2.1 工作面突出预测指标敏感性考察标准

目前研究认为，煤与瓦斯突出主要受煤层瓦斯、煤体结构、地应力等因素的共同影响[5-6]，但对于不同矿井不同煤层其主导因素不同，而各工作面突出预测指标对于不同主控因素的敏感程度不同，导致特定矿井煤层其工作面突出预测敏感指标不同。因此，工作面突出预测指标的敏感性主要取决于其对煤层煤与瓦斯突出显现特征的响应程度。

四季春煤矿井田区域6 号煤层煤与瓦斯突出严重，通过统计矿井及邻近矿井6 号煤层发生的煤与瓦斯突出历史资料，总结分析得出其煤与瓦斯突出具有以下特征：历史全部煤与瓦斯突出瓦斯突出量均较大，突出以煤层瓦斯作用为主导因素；大部分煤与瓦斯突出发生在煤层赋存异常区域（构造带、应力集中区域、煤厚异常区域等），煤体结构和应力集中为煤与瓦斯突出发生的主要诱导因素。

煤层瓦斯主要通过煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量指标体现，瓦斯压力测定要求高、周期长，瓦斯含量测定过程简单、准确性高，因此选择瓦斯含量作为表征煤层瓦斯大小的指标，煤层瓦斯含量越大，煤层瓦斯越大，煤层突出危险性越高。基于6 号煤层煤与瓦斯突出特征，构建了煤层工作面突出预测指标敏感性考察标准如下：首先考察工作面突出预测指标随瓦斯含量的变化情况，其次考察工作面突出预测指标在煤层赋存异常区域测值变化情况。若预测指标能够同步随瓦斯含量的变化而明显变化，且煤层赋存异常区域测值相对煤层赋存正常区域变化明显，则该指标敏感性较好；若预测指标仅能够明显响应煤层瓦斯含量或煤层赋存异常1 个因素，则该指标敏感性一般；若预测指标对于煤层瓦斯含量和煤层赋存异常2 个因素均不能明显响应，则该指标敏感性较差。

2.2 工作面突出预测敏感指标考察确定

《防治煤与瓦斯突出细则》推荐的采掘工作面突出预测方法有：钻屑指标法、复合指标法、R 值指标法，主要涉及的工作面突出预测指标有：钻屑瓦斯解吸指标K1、钻屑瓦斯解吸指标△h2、钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S 和R 值。由于钻屑瓦斯解吸指标K1和△h2均为综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的指标[7]，考虑到目前四季春煤矿采用钻屑瓦斯解吸指标K1，其测定装备及工艺条件较完善，再者矿井未开展其它新工作面突出预测方法的试验应用，不存在新的工作面突出预测指标。因此，四季春煤矿选取钻屑瓦斯解吸指标K1、钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S 和R 值指标进行工作面预测指标敏感性考察分析。

为了统一对比分析各工作面突出预测指标随瓦斯含量和煤层赋存变化的变化情况，选取各指标实测值与其《防治煤与瓦斯突出细则》推荐临界值的比值进行对比分析。由于各指标推荐临界值是通过大量统计分析得出的，推荐临界值与矿井实际合理临界值相差不大，因此对于通过各指标比值考察其敏感性影响较小。各指标推荐临界值见表1。

表1 各指标推荐临界值Table 1 Recommended thresholds for each indicator

结合矿井采掘情况，针对6 号煤层所有采掘工作面进行工作面突出预测指标敏感性现场考察，现场采用风煤钻施工φ42 mm 的工作面突出预测钻孔，每个预测钻孔同时测定钻屑瓦斯解吸指标K1、钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S 和瓦斯含量W，并计算R 值。现场跟踪考察了采掘工作面煤层赋存正常区域、巷煤柱应力集中影响区域和断层影响区域，共测试了30 个预测循环各指标参数。由于R 值所有计算数值均为负值，因此采用公式中正值指标钻屑量S 判断工作面突出危险。统计现场测试的30 组各指标最大值比值，各指标比值变化曲线如图1。

图1 各指标比值变化曲线Fig.1 Ratio curves of each index

由图1 可以看出，钻屑瓦斯解吸指标能够同步响应瓦斯含量和煤层赋存的变化，随煤层瓦斯含量的增减而增减，且变化较明显，煤层异常区域测值较煤层赋存正常区域明显增大；钻孔瓦斯涌出初速度总体随瓦斯含量的增加而增加，但变化不明显，局部区域甚至无变化，煤层异常区域测值较煤层赋存正常区域有增加趋势，但增加幅度不大；钻屑量在煤层赋存正常区域内不随瓦斯含量的变化而变化，煤层赋存异常区域测值较煤层赋存正常区域增加明显。

依据6 号煤层工作面预测指标敏感性考察标准，综合分析表明：钻屑瓦斯解吸指标敏感性较好；钻屑量指标敏感性一般；钻孔瓦斯涌出初速度指标敏感性较差。因此，确定6 号煤层工作面突出预测敏感指标为钻屑瓦斯解吸指标，为了工作面预测更准确可靠，选择钻屑量为其辅助预测指标。

3 工作面突出预测敏感指标临界值确定

3.1 工作面敏感指标临界初值确定

工作面突出预测敏感指标临界值是1 个假设、修正、确定的过程，为了保证现场考察的安全性和临界值确定的高效性，考察之前需假设确定1 个合理的敏感指标临界初值。

3.1.1 实验室测试计算确定

理论实验研究表明，钻屑瓦斯解吸指标K1与瓦斯压力p 呈幂函数关系[8-9]，煤层最小始突瓦斯压力与煤层坚固性系数存在一定关系[10]。因此，可以实验室测定煤层坚固性系数和K1-p 关系理论计算得出钻屑瓦斯解吸指标K1临界初值。

现场采集6 号煤层4 个代表性煤样送至实验室测定其煤层坚固性系数f 和K1-p 关系，依据目前我国北票矿务局和重庆煤科院总结的煤层最小始突瓦斯压力pmin与煤层坚固性系数f 关系式（pmin=2.79f+0.39、pmin=2.2f）[11]，计算得出的各煤样钻屑瓦斯解吸指标K1临界值实验室计算结果见表2。为了保证安全生产，选取最小的0.53 mL/（g·min1/2）作为6 号煤层实验室钻屑瓦斯解吸指标K1临界初值计算结果。

表2 钻屑瓦斯解吸指标K1 临界值实验室计算结果Table 2 Experimental results of critical value ofdrilling cuttings gas analysis index K1

3.1.2 历史数据拟合计算确定

理论及实践表明，在瓦斯含量低值区间，钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯含量呈线性关系；在瓦斯含量高值区间，钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯含量呈较好的指数关系[12-13]。统计工作面突出预测敏感指标考察期间测试的30 个循环历史数据，对各钻孔同步测试的钻屑瓦斯解吸指标和瓦斯含量分别进行线性关系拟合和指数关系拟合，钻屑瓦斯解吸指标和瓦斯含量拟合曲线如图2。

图2 钻屑瓦斯解吸指标和瓦斯含量拟合曲线图Fig.2 Cuttings gas analysis index and gas content fitting curves

通过拟合曲线可以看出，当前瓦斯含量区间内钻屑瓦斯解吸指标与瓦斯含量指数关系相关性较好，结合矿井已经试验考察确定的6 号煤层区域预测指标瓦斯含量临界值8.5 m3/t，计算得出对应钻屑瓦斯解吸指标K1临界值为0.52 mL/（g·min1/2）。

通过实验室测试和历史数据拟合分别得出钻屑瓦斯解吸指标K1临界值为0.53 mL/（g·min1/2）和0.52 mL/（g·min1/2），考虑矿井安全重要性，选取较小值0.52 mL/（g·min1/2）作为6 号煤层工作面突出预测钻屑瓦斯解吸指标K1临界初值进行现场考察。

3.2 工作面敏感指标临界初值考察修正

工作面突出预测敏感指标临界初值的现场考察主要通过预测钻孔施工及采掘期间实际发生的动力现象和瓦斯涌出异常现象进行修正[14-15]。若现场考察期间敏感指标测值小于等于临界初值时未出现动力现象和瓦斯涌出异常现象，则表明临界初值偏小，修正增加临界初值直至出现动力现象或瓦斯涌出异常现象并确定其为新的敏感指标临界初值；若现场考察期间敏感指标测值小于等于临界初值时发生了动力现象或瓦斯涌出异常现象，则表明临界初值偏大，修正确定对应发生动力现象或瓦斯涌出异常现象的最小测值为新的敏感指标临界初值。各预测钻孔实测敏感指标最大值作为各预测钻孔敏感指标测值，各采掘循环实测敏感指标最大值作为各采掘循环敏感指标测值。预测钻孔施工期间发生的动力现象或瓦斯涌出异常现象对应预测钻孔敏感指标测值，采掘期间发生的动力现象或瓦斯涌出异常现象对应采掘循环敏感指标测值。

结合矿井采掘情况，选取6 号煤层具有代表性的1063 中间巷和1061 回采工作面开展钻屑瓦斯解吸指标临界初值的考察修正，现场跟踪考察期间钻屑瓦斯解吸指标临界值采用已确定的临界初值0.52 mL/（g·min1/2），记录所有钻孔施工和采掘期间瓦斯动力情况及瓦斯涌出情况。现场跟踪考察了1063 中间巷和1061 回采工作面共计40 个采掘循环，测定了300 组采掘工作面钻屑瓦斯解吸指标数据。其中钻屑瓦斯解吸指标在预测钻孔施工期间共出现6 次卡钻、顶钻、喷孔现象，采掘期间出现2 次瓦斯涌出超限。钻屑瓦斯解吸指标测值分布情况见表3。

表3 钻屑瓦斯解吸指标测值分布情况Table 3 Distribution of measured value of cuttings gas analysis index

通过对现场考察实测的钻屑瓦斯解吸指标K1测值和发生的动力现象及瓦斯涌出异常现象的统计得出：钻屑瓦斯解吸指标K1测值小于等于临界初值0.52 mL（/g·min1/2）时发生了5 次动力现象和瓦斯涌出异常现象，表明临界初值偏大，因此修正确定对应发生动力现象或瓦斯涌出异常现象的最小测值0.51 mL（/g·min1/2）作为新的钻屑瓦斯解吸指标K1临界初值。

3.3 工作面敏感指标临界值确定

在同一瓦斯地质单元内，对考察修正的敏感指标临界初值进行全矿井、长周期扩大应用考察，若所有小于敏感指标临界初值的测值均不出现动力现象和瓦斯涌出异常现象，则验证敏感指标临界初值合理，确定其为敏感指标临界值。

由于四季春井田属于一单斜构造，井田范围内总体属于同一瓦斯地质单元。因此，对6 号煤层工作面突出预测钻屑瓦斯解吸指标K1临界初值进行煤层所有采掘工作面扩大应用。为了保证工作面突出预测更加安全可靠，同步测定辅助预测指标钻屑量，钻屑量临界值采用《防治煤与瓦斯突出细则》推荐临界值。现场开展了6 个月的扩大应用，测定了1 200多组钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量数据，对所有数据进行统计分析表明：钻屑瓦斯解吸指标K1所有小于临界初值0.51 mL/（g·min1/2）的测值均未发生动力现象和瓦斯涌出异常现象；钻屑量在构造区域对钻屑瓦斯解吸指标具有较好的辅助作用，能同步响应动力现象和瓦斯涌出异常现象。

因此，确定四季春煤矿6 号煤层工作面突出预测敏感指标钻屑瓦斯解吸指标K1临界值为0.51 mL/（g·min1/2），辅助预测指标钻屑量采用《防治煤与瓦斯突出细则》推荐临界值6 kg/m。

4 结 论

1）工作面突出预测敏感指标确定可以依托煤层煤与瓦斯突出特征及主控因素，构建工作面突出预测指标敏感性考察标准，通过统一对比工作面突出预测指标比值敏感程度确定敏感指标。

2）工作面突出预测敏感指标临界值是1 个假设、修正、确定的过程，根据煤层实验室测试和历史数据拟合可以得出假设阶段初值，修正和确定阶段主要依据工作面预测钻孔施工及采掘期间发生的动力现象和瓦斯涌出异常现象作为修正和确定标准。

3）工作面突出预测辅助预测指标临界值可采用工作面突出预测敏感指标临界值确定方法同步确定。