桑树坪二号井3号煤层瓦斯敏感指标预测

2021-08-10李晓斌

陕西煤炭 2021年4期

李晓斌，刘帅

(陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

二号井处于韩城矿区，韩城矿区是陕西唯一、也是全国瓦斯灾害严重矿区之一，曾发生过有记载的煤与瓦斯突出150余次和突水及老采空区透水事故，并造成重大人员伤亡和财产损失。矿区骨干生产矿井桑树坪二号井开采煤层均具有突出危险，其中主采3号煤层透气性低，系严重中厚突出煤层，发生过各种类型的瓦斯动力现象，包括煤与瓦斯突出、压出、倾出及瓦斯喷出等动力现象。

二号井设计按高瓦斯矿井设计，设计生产能力0.9 Mt/a；面积6.793 6 km2，开采3号煤层，于2012年经中煤科工集团重庆研究院鉴定为非突出煤层，但相邻的桑树坪煤矿3号煤层为严重突出煤层。北部毗邻的枣庄煤矿在建设过程中相同标高范围实测3号煤层瓦斯压力达1.3 MPa，且软分层厚度达1 m左右，在打钻过程中钻孔存在喷孔、夹钻等动力现象。因此于2017年9月鉴定矿井3号煤层为突出煤层，矿井升级为突出矿井，自此矿井的所有生产管理按突出矿井管理。

在矿井升级为突出矿井后，按照《防治煤与瓦斯突出规定》第5条[1]，突出矿井在采掘过程中必须执行局部综合防突措施，其第1步即为突出危险性预测，方法主要有3种：钻屑指标法、复合指标法、R值指标法[1]。由于3号煤层为严重突出煤层，并且在打钻以及采掘过程中多次出现动力现象，为了探索哪一种方法能够准确预测，矿井采用钻屑指标法和复合指标法2种并行的办法对三采区进行考察，最终确定一种切实可行并且能够准确预测的方法。对二号井为期20个月的407次局部预测数据进行统计分析，以钻屑指标法采用的3种指标、复合指标法采用的2种指标、是否发生动力现象为根本，探索最适合二号井3号煤层的预测方法。

对于敏感性指标的研究，国内外学者也已进行过很多研究，如王向军[2]对大宁煤矿3号煤层采用的钻屑指标法，通过分析钻屑指标S、K1和Δh2，最终认为大宁煤矿3号煤层的突出预测指标K1对于突出预测更为准确；魏远等[3]根据平沟矿16号煤层现场跟踪实测数据，在模糊数学和统计分析理论的基础上建立了预测指标敏感度函数，得出K1值最为敏感，Δh2相对比较敏感，而S则不敏感，确定选用K1作为预测指标，Δh2为辅助指标；陈建忠[4]通过对潘三矿C13-1煤层突出特征和跟踪考察指标分析，确定了潘三矿C13-1煤层的敏感指标为钻屑量S，其次为钻孔瓦斯涌出初速度q；严磊等[5]对贵州省五轮山煤矿1807切眼煤与瓦斯突出预测指标敏感性进行研究，利用临界值迫近度法对K1和Δh2指标的敏感性进行统计分析，确定了适合五轮山煤矿的主要预测指标为K1值，Δh2作为预测的辅助指标。

1 突出危险性预测方法介绍

突出危险性预测方法主要有3种，即钻屑指标法、复合指标法和R值指标法，由于预测成本与敏感性问题，国内矿井大都以钻屑指标法和复合指标法相应的指标作为矿井预测突出的敏感指标。二号井处于3号煤层的三采区亦采用钻屑指标法和复合指标法并行的方式作为3号煤层突出的预测方法。

1.1 钻屑指标法

钻屑指标法是利用钻孔最大钻屑量Smax、钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2预测工作面突出危险性，是近几年来推广的一项新技术，主要适用于煤巷掘进、回采以及石门揭煤过程中工作面前方8～10 m的范围内突出危险性的预测以及采取过防突措施以后的措施效果检验[6]。S为钻孔每施工1 m孔口所排出的钻屑重量，Smax则为钻孔施工过程中数值最大的一次，钻屑采用孔口接样；K1和Δh2值的测定则分别采用WTC[7]和MD-2[8]在井下测定，并且钻孔每钻进2 m测定一次。对于Smax、K1和Δh2的临界值在《防治煤与瓦斯突出规定》第75条[1]中有明确规定，规定见表1。

表1 钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的参考临界值

在预测后，如果Smax、K1和Δh2均小于临界值，并且未发现其他异常情况，则工作面无突出危险，否则有突出危险性。

1.2 复合指标法

复合指标法是利用钻孔最大钻屑量Smax，钻孔瓦斯涌出初速度q预测工作面突出危险性，其能直接反映钻孔瓦斯涌出量的大小[9]。其Smax的获取方式与钻屑指标法相同，q是利用TWY[10]获取，钻孔每钻进1 m测定一次。虽然q值的获取成本比较高而且难度大，但是利用TWY获取的q值非常准确，对于煤矿突出预测非常具有参考性。对于Smax和q的临界值在《防治煤与瓦斯突出规定》第76条[1]中同样有明确规定，规定见表2。

表2 复合指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的参考临界值

在预测后，如果Smax和q均小于临界值，并且未发现其他异常情况，则工作面无突出危险，否则有突出危险性。

2 数据整理分析

为了找到能够准确预测二号井3号煤层的突出指标、保证采掘过程的安全，从2016年10月至2018年6月，在掘进为三采区服务的3303切眼联巷、3303-1#回风巷及3303-2#回风巷期间，一直采用钻屑指标法和复合指标法并行的方式进行突出预测。

3条巷道在为期20个月的掘进过程中，3303切眼联巷预测141次，有5次指标超限，并发生4次突出预兆；3303-1#回风巷预测148次，没有指标超限，发生4次突出预兆；3303-2#回风巷预测121次，有5次指标超限，发生3次突出预兆；3条巷道一共预测410次，指标共超限10次，发生11次突出预兆。4种指标在超限情况下动力现象见表3。

表3 4种指标超限情况下动力现象

由表3可以看出，采用综合指标法测得的Smax和q有一定的参考价值，而钻屑指标法测得的K1和Δh2几乎没有任何参考价值，因为共发生的11次突出预兆，K1和Δh2都没有体现。

表3中的数据一定程度上只能排除K1和Δh2对3号煤层突出的预测效果，并不能确定Smax和q能准确地预测3号煤层的突出，因此图1将410次预测数据通过Origin[11-12]表示成图像，研究分析4个指标的变化与是否发生动力现象之间的关系，从而得到能够准确预测突出的敏感性指标，有动力现象则图中Y轴为2，其他为1。

由图1中Smax和动力现象状态关系图可以看出，发生的所有动力现象几乎都聚集在Smax偏大的一侧，因此可以得出Smax对于3号煤层的突出预测是较为敏感的一个指标；Δh2以及K1和动力现象状态关系图中，动力现象几乎在K1和Δh2的每个阶段都有发生，因此可以得出K1和Δh2对于3号煤层的突出预测不敏感，不能有效地预测3号煤层的突出；在q和动力现象状态关系图中，共发生的11次动力现象，在q变大的一侧非常密集，因此可以得出q对于3号煤层的突出预测是敏感的一个指标。