孟津煤矿二1煤层突出预测敏感指标确定

向 浩,伊 倩

(河南能源义煤公司技术研究院，河南 义马 472300)

煤与瓦斯突出是煤矿井下重大灾害之一,其发生机理极其复杂,严重威胁着煤矿的安全生产。工作面煤与瓦斯突出危险性预测和防突措施效果检验是突出矿井进行防突管理的两项关键工作[1]。突出预测敏感指标应能够灵敏地反映煤层突出危险性的大小,即敏感指标在数值上随着突出危险性的变化而明显改变[2]。由于煤层的地应力、瓦斯参数和煤质指标等方面存在差异,不同矿区、不同煤层,亦或同一煤层的不同区域,预测敏感指标也不尽相同,甚至存在很大的差异。生产过程中因指标不敏感造成预测结果的不准确,导致误判,发生突出事故或增加不必要的防突措施工程量是客观存在的。《防突细则》规定突出矿井应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。

随着基础学科的发展及交叉学科的产生,尤其是计算机科学的发展,近年来我国专家学者就如何确定突出预测敏感指标方面做了进一步的探讨[3],取得了很多宝贵的经验和成果,但由于未充分结合现场瓦斯地质等因素,使得敏感指标仍存在不同程度的交叉现象。为了提高预测准确性和有效性,矿井应根据本身实际情况考察确定突出预测敏感指标。

河南能源义煤公司孟津煤矿为煤与瓦斯突出矿井,2006年7月29日发生突出,突出煤量828 t,累计瓦斯涌出量8万m3;矿井最大原始瓦斯含量16.37 m3/t,最大原始瓦斯压力3.1 MPa。测定地点为东翼胶带运输大巷,距离11011胶带巷26 m(东翼轨胶联络巷上口)。在12011胶带顺槽(第二挂耳钻场处)测定二1煤层吸附常数a值为32.246 m3/t,b值为0.775 MPa-1。主要可采煤层二1煤层瓦斯放散初速度p为16.0～24.0 mL/s,透气性系数为0.048 9 m2/(MPa2·d),钻孔瓦斯流量衰减系数为0.67 d-1,f值在0.1～0.3之间。在打赢公司“扭亏为盈”攻坚战关键时期,开展孟津煤矿二1煤层突出预测敏感指标研究,对该矿提高经济效益,提升瓦斯治理水平具有重要意义。通过试验研究、跟踪考察及综合分析,孟津煤矿二1煤层钻屑解吸指标h2和钻屑量指标S能够明显区分工作面突出危险性,且该指标无交叉[4]。

1 钻屑瓦斯解吸指标敏感性实验室研究

钻屑瓦斯解吸指标h2、K1值综合考虑了地应力、瓦斯指标和煤质指标这三个与突出危险密切相关的因素[5-6],是我国预测突出危险性使用较广泛的一种指标。

1.1 钻屑瓦斯解吸指标计算

钻屑瓦斯解吸指标K1是单位质量的煤体从煤壁剥落后(即煤体压力卸除后)第1 min内的瓦斯解吸量,如式(1):

(1)

式中:Qt为煤体自平衡压力卸除经t时间后,所解吸的瓦斯总量,mL;t为解吸时间,min。

当t=1时,得到:Qt=K1。

K1计算如下,其中煤样暴露时间ti,按式(2)计算:

ti=t0+0.5i

(2)

式中:ti为煤样自放气开始至测量第i个数据的暴露时间,min;t0为煤样自放气开始至启动解吸仪时的暴露时间,min。

假定t0时刻前煤样已经解吸的瓦斯量为w0,则:

(3)

式中:Qi为煤样暴露t0时刻起的累计瓦斯解吸量,mL;w0为t0时刻前单位质量煤样的损失瓦斯解吸量,mL/g。

(4)

(5)

(6)

通过实验,由式(4)计算K1值。

钻屑瓦斯解吸指标Δh2表示10 g煤样从煤壁剥落后(即煤体压力卸除后)第4～5 min内在钻屑瓦斯解吸仪中释放(解吸)瓦斯挤压水柱计中的水产生的压差[7],如式(7):

Q4～5=0.008 3Δh2/10

(7)

式中:Q4～5为单位质量煤样第4～5 min内的解吸量,mL/g;0.008 3为MD-2型解吸仪结构常数。

根据式(1),实验煤样第3 min至第5 min内的解吸量为:

(8)

钻屑瓦斯解吸指标Δh2、K1值的概念和测定原理表明,两者具有相同的物理意义,没有本质区别,属于同一类指标,有着显著的关系[8],由式(7)和式(8)得到其线性关系:

K1=0.001 6Δh2

(9)

1.2 钻屑瓦斯解吸指标实验室测定及数据对比

1.2.1煤样制备及测定方法

根据实验要求,采集孟津煤矿12030回采工作面和12070掘进工作面的块状煤样,实验室进行破碎、筛分;称取各100 g粒径1～3 mm的煤样放入带有压力表的煤样罐中密封,在60℃条件下恒温脱气8 h;再将煤样罐充入体积分数不低于99.8%的CH4气体至不同压力,在30℃恒温水浴中吸附直至平衡，时间约为48 h以上。使用MJ-3瓦斯解吸速度测定仪,对不同吸附平衡压力下的煤样进行瓦斯解吸特性测定,连续观测数据60 min,并记录不同时刻的瓦斯解吸量。

1.2.2钻屑瓦斯解吸指标数据对比

实验室测定结果显示,在不同吸附平衡压力下瓦斯解吸曲线有一定的规律性,累计瓦斯解吸量与解吸时间呈类抛物线正相关,等温瓦斯解吸规律[9]如图1所示。

图1 孟津煤矿煤样不同吸附平衡压力下的瓦斯解吸特性Fig.1 Gas desorption of coal samples in Mengjin Coal Mine under different adsorption equilibrium pressures

使用WTC瓦斯突出参数测定仪测定孟津煤矿煤样在不同吸附平衡压力下的K1值,实测K1值和煤样的第1 min实际解吸量见表1。同理,利用实验煤样的瓦斯解吸特性曲线数据[10-11],计算孟津煤矿煤样在第4～5 min内的实际解吸量Q4～5,并使用MD-2瓦斯解吸仪测定孟津煤矿煤样的钻屑瓦斯解吸指标Δh2,根据式(7)中煤样钻屑解吸指标与第4～5 min煤样解吸量的关系计算各煤样第4～5 min解吸量Q4～5,见表2。

表1 K1与第1 min实际解吸量的比较Table 1 Comparison of K1 with the actual desorption at the 1st minute

表2 实验煤样第4～5 min计算解吸量与实际解吸量的比较Table 2 Comparison between the calculated desorption capacity and the actual desorption capacity of the experimental coal samples at the 4th to 5th minute

由表1可知,孟津煤矿的实验煤样钻屑解吸指标K1值和煤样第1 min的实际解吸量存在较大差异,实验煤样测得的钻屑解吸指标K1值远小于煤样第1 min的实际解吸量。

由表2可知,依据孟津煤矿的煤样实测钻屑解吸指标Δh2,按照式(7)计算得到的第4～5 min的解吸量与实验煤样的实际解吸量相差很小。

1.3 钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析

对不同破坏类型煤体解吸数据进行分析,得出初始瓦斯解吸速度与破坏类型有关。孟津煤矿二1煤层的f值仅为0.1～0.3,在同温、同压、等粒径条件下,煤体破坏程度越严重,相应初始时刻瓦斯解吸速度就越高,并且解吸速度衰减也越快,软煤的初始瓦斯解吸速度和衰减率远大于硬煤。因此,当煤体破坏类型较严重时,K1值指标不敏感也不适用[12-14]。

从孟津煤矿二1煤层实验煤样瓦斯解吸规律看出,煤样具有初始时刻瓦斯解吸速度高、解吸速度衰减快、卸压初期有大量的瓦斯释放等特点；而3 min后,煤样的瓦斯解吸特性曲线趋于平缓,解吸速度相对稳定。因此,孟津煤矿煤样的钻屑瓦斯解吸指标Δh2受煤体破坏严重程度影响小,实验煤样计算得到的第4～5 min的解吸量与实际解吸量误差很小。

2 钻孔瓦斯涌出初速度指标测定原理及敏感性分析

最早提出煤层钻孔瓦斯涌出初速度指标的是前苏联马凯耶夫矿业研究所,该指标通过钻孔瓦斯涌出初速度测定仪进行测定,按流量计原理工作,是一种节流式差压流量计。钻孔瓦斯涌出初速度指标测定方法是在打钻结束后立马进行封孔,由于钻孔周围破碎区和塑性区的形成,煤层透气性提高,瓦斯向钻孔中涌出,在密封室内甲烷压力升高,与外部形成压差,以此测定打钻结束2 min时相应深度的钻孔瓦斯流量,用q表示,单位为L/min。

钻孔瓦斯涌出初速度q综合反映了煤层的破坏类型、瓦斯参数、钻孔周围煤体应力状态和透气性,特别是煤层的透气性系数λ对q的影响很大。对透气性系数λ大的煤层,钻孔瓦斯涌出初速度指标的敏感性较差,用于突出预测时容易产生误报,其主要原因是瓦斯排放半径大,瓦斯来源广,造成煤层突出危险性不大时其值却超过突出临界值;若煤层破坏类型高、透气性系数λ小,则在规定的时间内完成测定q时,一般会出现孔内瓦斯已基本枯竭,q值很小的情况,以至于煤层突出危险性较大而q值却未超过临界值,同样会产生误报(即所谓的低指标突出现象)[15-16]。同时,由于煤体松软破碎,钻孔施工过程中容易塌孔,且难以封孔严密,造成测定数据失真。因而,钻孔瓦斯涌出初速度指标在上述煤层条件下应用时有很大的局限性。

孟津煤矿主采的二1煤层为典型的豫西“三软”煤层[17],煤体极其松软破碎,透气性系数小。因此在充分结合该矿瓦斯地质等因素的基础上,经综合分析确定预测指标钻孔瓦斯涌出初速度q指标不敏感。

3 瓦斯突出危险预测指标现场跟踪考察

3.1 突出预测指标考察对象的确定

为了提高煤与瓦斯突出危险预测的准确性和有效性,本次对钻屑量指标S、钻屑瓦斯解吸指标Δh2、钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标K1等4个指标全部进行跟踪考察。

3.2 突出预测指标跟踪考察

瓦斯突出预测指标体系最终要服务于现场生产实践,为确定预测指标考察结果的适应性,对预测指标进行现场跟踪考察是确保煤矿安全生产的重要环节之一。

对采掘工作面预测指标进行跟踪考察(钻孔测定原始煤体状态下的钻孔瓦斯涌出初速度q值、钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标Δh2和K1值)。跟踪考察内容主要包括:预测指标测值变化;作业过程中喷孔、顶钻、响煤炮等典型突出预兆;瓦斯异常现象等。

重点对孟津煤矿12030工作面有关数据进行跟踪考察,煤与瓦斯突出预测指标统计情况见表3。

表3 煤与瓦斯突出预测指标统计Table 3 Prediction indicators of coal and gas outburst

3.3 结果分析

根据12030工作面预测效检数据及地质构造变化情况,分析了该工作面预测指标测值分布特征,绘制钻屑瓦斯解吸指标Δh2和钻屑量指标S的分布曲线,见图2；同时绘制钻屑瓦斯解吸指标K1和钻孔瓦斯涌出初速度q测值分布曲线,见图3。

图2 Δh2与S随回采进尺变化曲线Fig.2 Variation of Δh2 and S with footage

图3 K1与q随回采进尺变化曲线Fig.3 Variation of K1 and q with footage

通过现场跟踪考察的突出预测(效检)数据可以看出,所测K1值比较小,这主要是由于该矿二1煤层煤体破坏严重,煤体卸压后初期解吸速度很大[18-19],用WTC仪所测K1值远远小于煤体第1 min的实际解吸量所导致。综合实验室煤样的解吸特性及解吸指标实验得出,该矿井的突出预测钻屑瓦斯解吸指标选用Δh2较敏感;从图3中可以看出,钻孔瓦斯涌出初速度q值相对较小,并且与其他两项指标(S和h2)的变化规律也不相符,而钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标Δh2两项指标具有较为一致的变化规律。

4 结论

钻屑瓦斯解吸指标Δh2可以通过测定仪器现场测定,用直接法确定的Δh2值是比较容易实现的;而通过间接法得到K1值是根据煤的瓦斯解吸规律计算出来的,相比较而言,Δh2是具有一定优势的[20]。钻屑瓦斯解吸指标敏感性实验室研究也充分表明,对于孟津煤矿煤体破坏严重的煤样其钻屑瓦斯解吸指标Δh2相比K1值有更好的敏感性和适应性。通过跟踪考察,钻孔瓦斯涌出初速度q值很小,且与S值和Δh2值的变化规律不一致。因此,可以将钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标Δh2这两项指标确定为孟津煤矿二1煤层采掘工作面的突出危险性预测指标。生产实践证明,该两项指标能够满足安全需要,避免敏感指标相互交叉,有效减少防突工程量。