滴道盛和煤矿钻屑瓦斯解吸指标临界值确定及指标优选

和树栋

(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)

0 引言

《防治煤与瓦斯突出细则》明确指出突出矿井落实并严格执行区域与局部相结合的两个“四位一体”的防突措施是保障矿井安全生产的基础。区域突出危险性预测通常是在区域瓦斯地质条件分析的基础上，结合现场瓦斯参数测定的方式保障矿井新水平、新采区的部署。局部突出危险性预测是在工作面推进过程中开展实施的安全保障措施，是作为瓦斯治理效果的验证与补充手段[1-3]。钻屑瓦斯解吸指标测定对矿井生产影响较小，加之其测定时间短、测定工作量小、预测准确度较高而被推广应用。由于我国矿区分布广、煤体差异大等造成了此类指标临界值的不同。在进行钻屑瓦斯解析指标选取与临界值确定时，样本数据容量及真实性决定了指标的可靠性，一定程度上也导致了钻屑瓦斯解吸指标普适性、准确性降低[4-6]。为此，本文以鸡西滴道盛和煤矿东采28#煤为例，通过首先对煤层瓦斯参数进行实验室测定分析，然后通过经验公式计算结果、实验数据分析结果相结合的方式得到了钻屑瓦斯解吸指标临界值；最后通过在井下对指标的实地跟踪考察，对比了不同指标应用的敏感程度，分析了指标之间的优缺点，实现了指标优选。

1 煤样解析特征实验研究

1.1 钻屑瓦斯解析指标

滴道盛和煤矿所采用的钻屑瓦斯解析指标K1值是由突出参数测定仪在煤矿井下实际测定而来，该仪器原理是通过单位重量煤样在固定容积煤样桶里进行解吸，解吸气体产生压力进而反算瓦斯解吸量Q，其物理意义指的是单位质量煤样在暴露1min内的瓦斯解吸量与损失量之和[7]，由公式1定义：

(1)

K1值是反映煤体瓦斯初期解吸程度的指标，主要由煤体内瓦斯的自身特性决定，与煤体所处的应力环境无关。

现场所测定的钻屑瓦斯解吸指标Δh2是由钻屑瓦斯解析仪测定而来，使用该仪器自煤样暴露之初，选取一定粒径尺度的钻屑煤样10g放入仪器内，记录第4～5min时间段内解析仪U型管的水柱压差[8-9]。结合U型管尺寸系数，得到解吸量Q4-5与Δh2的换算关系为

Q4-5=0.008 3Δh2/m

(2)

1.2 煤样解析特征实验研究

通过现场采取滴道盛和煤矿东采28#煤层煤样开展煤样的解析特征实验研究，得到煤样初期解吸量Q1、Q4-5与平衡瓦斯压力的关系，从而为后续解析指标临界值的确定奠定基础。

1)煤样制备及测定。选取滴道盛和煤矿28#煤层东采左15路块状煤样，井下密封包装，实验室经破碎、筛分选取1～3mm的煤为试验煤样。首先称取一定重量的煤样装入实验仪器内进行脱气处理，然后充入纯度为99.9%的甲烷至压力表数值稳定，即煤样的吸附平衡状态，最后煤样进行自由脱附，连续观测记录120min内煤样的瓦斯解吸量[7-8]。

2)瓦斯解吸特征分析。以记录得到的实验数据为基础，拟合累计解吸量与时间的变化关系如图1所示，实验不同时段对应的瓦斯解吸量数据如表1所示。

表1 不同时段下解吸量数据

图1 不同吸附平衡压力条件下累计解吸量与时间关系曲线

通过对现场采取的煤样进行室内实验，分析数据可得出如下规律：①在吸附平衡压力固定不变时，煤样的累计解吸量随着时间的增长而增加，到达实验过程的末端时解析总量则基本保持不变，整个过程中解吸曲线的斜率逐渐减小，进而表明解吸速率在逐渐衰减；②煤样的解吸总量由吸附平衡压力决定的，压力越大则煤样吸附贮存的瓦斯量越大，解吸释放的瓦斯量也就越大，这与煤矿现场的表征是一致的；③初期阶段煤样解吸量Q1占解吸总量的比重均大于15%，解吸量Q3则占到了解吸总量的30%左右，为此用其作为描述煤样暴露初期的解吸特征在突出预测过程中具有一定的代表性。

通过对滴道盛和煤矿东采28#煤层煤样实验数据拟合得到不同吸附平衡压力下的Q1和Q4-5如图2所示，两者与吸附平衡压力符合正相关的乘幂函数关系，即Q=aPb。

图2 解吸量Q1、Q4-5与吸附平衡压力关系曲线

2 指标临界值的确定

指标在实际防突应用过程中，煤层原始瓦斯压力与实验室条件下的吸附平衡压力是相通的。煤层的最小突出压力可以通过瓦斯地质分析的方法，或者现场统计、经验公式等其他验证有效的方法来确定，再结合前述实验分析得到的吸附平衡压力与解吸量的关系，进而反算得到解吸指标临界值。

参照《防治煤与瓦斯突出细则》给出的瓦斯压力、瓦斯含量指导临界值[9-10]，结合28#煤层实验室测定的瓦斯基本参数，利用间接法计算出东采28#煤层的临界条件下的瓦斯压力、瓦斯含量(表2)。

表2 东采28#煤层瓦斯参数

数据统计表明，煤层突出压力最小值pmin与煤的坚固性系数f存在关系[11]：pmin=2.79×f+0.39。俞启香也通过对数十个突出矿井煤层统计资料分析[12-13]，得出了挥发分V和f的关系pmin=0.5+0.085Vf。将滴道盛和煤矿东采28#煤层坚固性系数f(0.46)、挥发分V(22.64%)代入突出压力最小值经验公式，计算得到东采28#煤层始突最小瓦斯压力分别为1.67 MPa和1.39 MPa，对应的瓦斯含量为8.65 m3/t和7.80 m3/t。此外，通过收集滴道盛和煤矿28#煤层井下动力现象位置及瓦斯压力数据，井下动力现象及对应坐标下的瓦斯压力分布在1.45～2.12 MPa之间。

分析上述结果，发现东采28#煤层突出瓦斯压力理论计算最小值和井下动力现象位置点的压力值均大于0.74 MPa，瓦斯含量则与8 m3/t相近。从现场施工安全层面考虑，将经验公式计算、数据统计对比得到的瓦斯压力1.39 MPa作为临界突出压力，将其代入图2中公式反算求得东采28#煤层解吸指标K1临界值为0.21 mL/(g·min0.5)，Δh2临界值为128Pa。

3 指标优选及效果考察分析

现场跟踪考察地点选取为滴道盛和煤矿东采28#煤层左15路工作面，该工作面在2019年6月14日至8月23日期间掘进过程中揭露断层一处。左15路工作面在此期间实测的解吸指标K1、Δh2结果如图3所示。

图3 左15路掘进过程K1、Δh2实测值

滴道盛和煤矿东采28#煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，同时伴有相对复杂的地质构造环境。从东采28#煤层左15路工作面现场实测统计的钻屑解析指标数据来看，K1值在0.14 mL/(g·min0.5)上下波动，Δh2处在76～146 Pa，钻屑量处在3.7～6.3 kg。在7月22日东采左15路掘进至距巷口710m时，受一断层影响，Δh2、S出现了最大值，而此时K1波动并不明显，Δh2则出现了146 Pa的最大值；现场在采取施工排放孔等局部措施后，实测指标均出现显著降低，巷道顺利掘进通过该地质构造段。

基于现场实测数据分析认为：由于K1值考察临界值只有0.21 mL/(g·min0.5)，临界值相对较小，且测定数据容易受到仪器自身误差的影响，导致在实际预测突出过程中波动不明显，敏感性也不如Δh2、S。在后续的日常预测过程中，使用Δh2、S的组合对突出预测的准确性较高，能够较好的保障生产安全，避免潜在的突出隐患。

4 结论

通过现场采取煤样进行实验室解吸特征研究，定性与定量分析得到了吸附平衡压力与瓦斯解吸量、解吸速率的关系，煤样初期解吸量作为描述解析特征甚至是用于突出预测具有代表性；综合理论计算和现场统计对比，将滴道盛和煤矿东采28#煤层瓦斯压力1.39MPa作为临界突出压力，进而得到钻屑解析指标K1临界值为0.21 mL/(g·min0.5)，Δh2临界值为128 Pa；现场掘进过程中对指标的敏感性进行了跟踪考察，使用Δh2、S的组合对突出预测的准确性较高，能够较好的保障生产安全。