工作面突出危险性预测敏感指标确定

2021-05-20张玉柱

中国矿业 2021年5期

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)

精准的工作面突出预测是突出煤层工作面安全高效采掘的重要保障，是防治煤与瓦斯突出的最后一道防线。工作面精准预测需要合适的预测方法，合适的预测方法需要敏感的预测指标做支撑，《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突出预测的敏感指标[1]。针对不同矿井，其生产工艺和工作面预测条件不同，再者对于不同煤层，其煤与瓦斯突出特征及其解吸规律不同，造成不同矿井不同煤层其工作面预测敏感指标不同[2-3]。因此，研究确定不同矿井不同突出煤层工作面突出预测敏感指标对于矿井瓦斯防治意义重大。

1 资料分析研究

1.1 矿井煤层概况

四季春煤矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井设计生产能力为45万t/a，主采6号煤层、7号煤层、8号煤层、16号煤层、35号煤层。矿井采用单一走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板；掘进工作面采用综合机械化掘进工艺，锚喷支护方式。矿井6号煤层全区可采，总体赋存稳定，煤层平均厚度为2.5 m，无夹矸，无明显软分层，煤层硬度较软。6号煤层经鉴定为煤与瓦斯突出煤层，区域措施为开采保护层，7号煤层作为首采保护层先行开采。

1.2 煤层煤与瓦斯突出特征

四季春井田总体为单斜构造，区内构造中等，局部地段构造较复杂，断层和次一级褶皱较发育。受区域构造和煤层赋存影响，四季春煤矿及邻近矿井6号煤层煤与瓦斯突出严重，通过统计分析矿井及邻近区域6号煤层煤与瓦斯突出历史资料，总结得出其煤与瓦斯突出具有以下特征：①煤层煤与瓦斯突出以瓦斯作用为主导，突出危险性随煤层瓦斯含量的增加而增加；②大部分煤与瓦斯突出发生在煤层赋存异常区域(构造带、煤厚异常区、应力集中区等)附近，煤层赋存异常区域突出危险性较赋存正常区域大；③多数煤与瓦斯突出的直接原因是瓦斯参数测试不准确、措施控制不到位等外部人为因素造成。

2 工作面预测指标敏感性分析标准

理论研究认为，煤与瓦斯突出主要受煤层瓦斯、地应力、煤体结构等因素的共同影响[4-5]，但对于不同煤层其主导因素不同，造成不同工作面突出预测指标敏感程度不同。工作面突出预测指标的敏感程度主要取决于其对煤与瓦斯突出显现特征的响应程度，工作面突出预测敏感指标能够同步明显响应煤层大部分煤与瓦斯突出特征。因此，基于6号煤层煤与瓦斯突出特征，构建了6号煤层工作面突出预测指标敏感性分析标准如下所述。

1) 考察工作面突出预测指标随瓦斯含量的变化情况，若预测指标同步随瓦斯含量的增加而明显增减，且指标测值代表的突出危险性增加，则该指标敏感，否则不敏感。

2) 考察工作面突出预测指标在煤层赋存异常区域(构造带、应力集中区、煤厚异常区等)测值变化情况，若指标测值相对煤层赋存正常区域变化明显，且指标测值代表的突出危险性增加，则该指标敏感，否则不敏感。

3) 考察工作面预测指标测定受外部因素(人为操作因素、仪器因素等)的影响情况，若预测指标测定误差受外部因素影响较大，造成预测指标敏感性被测定误差掩盖，则预测指标不敏感，否则敏感。

3 工作面预测敏感指标考察确定

目前四季春煤矿工作面突出预测指标采用钻屑瓦斯解吸指标(K1)，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[6]，考虑到工作面预测装备条件，选取钻屑瓦斯解吸指标(K1)进行敏感性考察。再根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定的各类工作面预测方法涉及的预测指标，结合矿井目前未开展其他新工作面突出预测方法的试验应用。因此，四季春煤矿选取钻孔瓦斯涌出初速度(q)、钻屑瓦斯解析指标(K1)、钻屑量(S)指标进行工作面突出预测指标敏感性考察分析。

结合矿井采掘情况，依据构建的6号煤层工作面预测指标敏感性分析标准，选取具有代表性的1063中间巷掘进工作面和1061回采工作面对工作面预测指标敏感性进行现场考察。1063中间巷掘进工作面预考察区域存在一个煤柱应力集中影响区域，1061回采工作面预考察区域经勘探存在一个断距2.0 m左右的工作面倾向断层影响区域。1063中间巷掘进工作面条带区域和1061工作面回采区域均位于首采7号煤层保护范围内，但1061工作面回采区域又辅助在运输巷和回风巷施工了顺层抽采钻孔，导致煤层赋存正常区域1063中间巷掘进工作面条带区域瓦斯含量较1061工作面回采区域高，1063中间巷掘进工作面和1061回采工作面预考察区域煤层赋存情况如图1所示。现场考察采用风煤钻施工Ф42 mm的工作面突出预测钻孔，孔深均为10.0 m，每个预测钻孔同时测定钻孔瓦斯涌出初速度(q)、钻屑瓦斯解析指标(K1)、钻屑量(S)和瓦斯含量(W)。其中，预测钻孔从第2.0 m开始，每钻进1.0 m测定一次钻屑量(S)，每钻进2.0 m测定1次钻屑瓦斯解析指标(K1)，最后1.0 m测定瓦斯含量(W)，钻进完毕后测定钻孔瓦斯涌出初速度(q)(测量室长度为1.0 m)。现场跟踪考察了1063中间巷掘进工作面煤柱应力集中影响区域、1061工作面断层影响区域和采掘工作面煤层赋存正常区域，测试了30个采掘工作面突出预测循环参数，选取每循环测试的钻孔瓦斯涌出初速度(q)、钻屑瓦斯解析指标(K1)、钻屑量(S)最大值作为该循环各指标的数据。

图1 1063中间巷和1061回采工作面预考察区域煤层赋存示意图Fig.1 Schematic diagram of coal seam occurrence in the pre-investigation area of 1063 middle roadway and 1061 stoping face

3.1 钻孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性考察

钻孔瓦斯涌出初速度(q)是综合反映煤层瓦斯压力、煤层的应力状态、煤层透气性和煤体的瓦斯放散能力的预测指标，钻孔瓦斯涌出初速度越大，工作面突出危险性越大[7-9]。统计分析现场测试的30个采掘工作面预测循环各循环最大钻孔瓦斯涌出初速度(qmax)和最大瓦斯含量(Wmax)数据，其钻孔瓦斯涌出初速度(qmax)变化曲线如图2所示。由图2可知，钻孔瓦斯涌出初速度(q)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，对于瓦斯含量敏感程度较低；断层影响区域和应力集中影响区域较煤层赋存正常区域有增加趋势，但增加幅度不大，表征的突出危险性增加不明显，对于煤层赋存变化敏感程度不高。

图2 钻孔瓦斯涌出初速度(qmax)变化曲线图Fig.2 Curve of initial velocity of borehole gas gushing(qmax)

依据钻孔瓦斯涌出初速度(q)测定原理，结合现场操作遇到的问题，钻孔瓦斯涌出初速度(q)测定过程复杂，多人配合也很难实现在规定时间内完成封孔，导致前期瓦斯大量逸散；且对钻孔成孔要求较高，钻孔孔壁不光滑或成孔不规范易导致测定失败；再者钻孔瓦斯涌出初速度(q)测定全过程均需人工完成读数，人为因素影响较大[10-12]。因此，钻孔瓦斯涌出初速度(q)测定受外部因素影响较大，测定误差不易避免。

依据6号煤层工作面预测指标敏感性分析标准，综合分析表明钻孔瓦斯涌出初速度(q)对于6号煤层工作面突出预测敏感性较差。

3.2 钻屑瓦斯解析指标(K1)敏感性考察

钻屑瓦斯解析指标(K1)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，钻屑瓦斯解析指标(K1)越大，工作面突出危险性越大。针对30个采掘工作面突出预测循环每循环测试的最大钻屑瓦斯解析指标(K1max)和最大瓦斯含量(Wmax)进行统计分析，其钻屑瓦斯解析指标(K1max)变化曲线如图3所示。由图3可知，煤层赋存正常区域和异常区域内钻屑瓦斯解析指标(K1)均能够同步响应瓦斯含量的变化，随煤层瓦斯含量的增加而增加，且变化较明显，表明钻屑瓦斯解析指标(K1)对于瓦斯含量敏感性较好；断层影响区域和应力集中影响区域钻屑瓦斯解析指标(K1)较煤层赋存正常区域明显增大，表明钻屑瓦斯解析指标(K1)对于煤层赋存变化敏感性也较好。

图3 钻屑瓦斯解析指标(K1max)变化曲线图Fig.3 Curve of analytical index of cuttings gas(K1max)

依据钻屑瓦斯解析指标(K1)测定方法，其外部影响因素主要为人为操作和测试装备。目前，钻屑瓦斯解析指标(K1)测试装备已经实现自动化和数字化，可以消除由于测试装备造成的误差[13-14]。人为操作影响主要是由于取样时间和制样造成的误差，按照测定原理从开始取样到开始测定必须在2 min内完成，且期间需采用Ф1～3 mm的筛子充分把煤样筛分成1～3 mm的粒径。通过现场实践验证，2 min内可以充分完成取样、煤样筛分和装罐测试。因此，钻屑瓦斯解析指标(K1)测定外部影响因素造成的误差可以通过规范操作避免。

依据6号煤层工作面预测指标敏感性分析标准，综合分析表明钻屑瓦斯解析指标(K1)对于6号煤层工作面突出预测敏感性较好。

3.3 钻屑量(S)敏感性考察

钻屑量(S)为工作面预测Ф42 mm钻孔自第2.0 m 深度开始每米所排煤粉重量或体积，其主要受地应力、煤体结构、地质构造等因素的影响。钻屑量(S)越大，工作面突出危险性越大。通过对采掘掘进工作面30个工作面预测循环每循环测试的最大钻屑量(Smax)和最大瓦斯含量(Wmax)进行统计分析，其钻屑量(Smax)的变化曲线如图4所示。由图4可知，煤层赋存正常区域19～25循环区域较1～12循环区域瓦斯含量增加了1 m3/t左右，但对应区域钻屑量(S)测值几乎无变化，表明煤层赋存正常区域内钻屑量(S)不随瓦斯含量的增减而变化，其与瓦斯含量变化无相关性，钻屑量(S)针对瓦斯含量变化不敏感；钻屑量(S)在断层影响区域和应力集中影响区域较煤层赋存正常区域增加明显，表明钻屑量(S)对于煤层赋存变化敏感性较好。

图4 钻屑量(Smax)变化曲线图Fig.4 Curve of sensitivity of cuttings(Smax)

根据钻屑量(S)测定原理和方法，影响钻屑量(S)准确测定的外部影响因素主要为人为因素，测试钻孔施工和钻屑收集测试是造成误差的主要环节。通过现场大量实践考察表明，测试钻孔施工和钻屑收集测试造成的误差均可以通过规范操作消除，钻屑量受外部因素影响较小。

依据6号煤层工作面预测指标敏感性分析标准，综合分析表明钻屑量(S)对于6号煤层工作面突出预测敏感性一般。

3.4 工作面预测敏感指标确定

上述6号煤层工作面预测指标钻孔瓦斯涌出初速度(q)、钻屑瓦斯解析指标(K1)、钻屑量(S)敏感性分析结果表明：钻屑瓦斯解析指标(K1)敏感性较好，能够响应6号煤层煤与瓦斯突出全部特征；钻屑量(S)敏感性一般，针对6号煤层煤与瓦斯突出部分特征响应；钻孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性较差，整体对6号煤层煤与瓦斯突出特征不响应。因此，确定6号煤层工作面突出危险性预测敏感指标为钻屑瓦斯解析指标(K1)。