K1預測值準確性分析及應用考察研究

鄭廣義

(湖南省株洲市桃水煤礦，湖南 株洲 412300)

煤與瓦斯突出是煤礦中的一種動力現象，因發生機理復雜，且突出的要素之間相互制約，預測突出地點及強度難度極大。煤與瓦斯突出具有突發性，隨著礦井開采深度增大導致地應力、瓦斯壓力及含量迅速增大，突出發生的頻率及強度不容忽視，為了能夠保障工作面的安全，全國各大型生產礦井已逐步引入了重慶煤科院生產的WTC測定儀，采取局部綜合防突措施的“四位一體”，保障掘進工作面的作業安全。

1 K1指標的理論基礎研究

工作面預測指標分為兩類，一是以鉆屑量為代表的應力指標，二是瓦斯指標。瓦斯指標分為兩類，一類是鉆孔瓦斯涌出初速度(q)，另一類是鉆屑瓦斯解吸量指標(K1和h2)。預測效果的好壞取決于應力的集中程度、位置和煤的瓦斯解吸特征和突出危險臨界值的確定。而K1是一種瓦斯解析特征指標，是由煤炭科學研究總院重慶研究院多年研究確定的。其原理是取煤樣后，在5 min或10 min內，測定10個點的每克煤的瓦斯解吸量，以及測定前煤樣暴露到大氣中的時間，根據巴雷爾(R．M．Barrer)公式計算，得出每克煤樣自暴露后第1 min內的瓦斯解吸量。K1是反映煤體瓦斯含量和瓦斯解吸特征的綜合指標。

1．1 K1值穩定性考察

煤樣暴露于大氣中所解吸損失的瓦斯量同其解吸時間平方根成正比，這一巴雷爾(R．M．Barrer)實驗理論起初用于測量煤層原始瓦斯含量時確定測前損失量。根據巴雷爾公式的理論基礎，考察煤樣在暴露大氣中第1 min中的每克煤的瓦斯解吸量，即為K1值。

其模型表達式：

式中：

Q—煤樣在 T測定時間內累計解吸的瓦斯量，ml;

K—比例常數。

其后，重慶煤科分院用此應用于煤與瓦斯突出危險性預測預報中，并把比例常數K作為標志所測定煤體突出危險性大小的特征指標。其模型表達式：

式中：

Qi—每克煤樣在Ti測定時間內累計解吸的瓦斯量，mL/g;

W—每克煤樣在測前暴露時間T0內解吸的損失量，mL/g;

K1—擬合系數，mL/g·min1/2。

式中：

T0—測前煤樣暴露時間;

Qi—ti時刻儀器測定的每克煤鉆屑瓦斯放散量，ml/g。

式(3)中，煤樣測前暴露時間T0是可變化的，它包括煤樣在鉆孔中逗留時間和取樣時間，取樣一般控制在3 min之內，而鉆屑在鉆孔內被運輸的時間(用鉆桿的轉速，鉆桿的螺距和輸送效率計算出鉆屑，每輸送1 m所需要的時間，再乘以長度L加以校正，用42 mm電煤鉆打鉆時通常采用0．1×L也必須校正)。

理論上，K1值是不受測定時間影響的。實際上，上述數學式是近似描述煤鉆屑瓦斯解吸規律的擬合式，實驗室和現場測定中均反應出K1測定值隨測量時間的改變有不同程度的變化，即K1指標具有一定程度的不穩定性。

1．2 K1值的計算方法

根據式(2)可知，Qi、Ti和T0可以通過實測得到，而Q0為未知數，根據所取煤樣在測定時間為Ti時間內每0．5 min所測定的解吸量，運用最小二乘法回歸得出取樣暴露時間T0時的損失量Q0。

依據Q與W是和■t成正比的基本規律，以Q為縱坐標，■t為橫坐標，繪制煤樣瓦斯解吸曲線圖見圖1。

圖1 瓦斯解吸曲線圖

解吸開始時：t1=0，t=t1+t2，Q=0

式中：

G—煤樣重量，g。

1．3 K1值的實驗室模擬方法

鉆屑瓦斯解吸指標K1表示平衡壓力卸除后，單位重量煤樣在第1 min內的瓦斯解吸量。實驗室測定鉆屑瓦斯解吸指標計算方法如下，其中煤樣暴露ti時間按式(5)計算：

式中：

ti—煤樣自放氣始至測量第i個數據的暴露時間，min;

t0—煤樣自放氣始至啟動解吸儀時的暴露時間，min。

煤樣的瓦斯解吸規律可認為服從關系式(6)：

式中：

Q—單位質量煤樣從暴露時刻起到t時刻的瓦斯解吸量，mL/g;

t—煤樣暴露時間，min。

因為Qi是從煤樣暴露t0時刻起的瓦斯解吸累積量，而在t0時刻前煤樣已經解吸的瓦斯量為W0，顯然有式(7)成立：

式中：

w0—t0時刻前單位質量煤樣的瓦斯解吸損失量，mL/g;

令Xi=t■i，則有如下鉆屑瓦斯解吸指標K1值計算公式：

解吸1 min 后：t3=1，t=t1+t2+1，Q=Q1

解吸2 min 后：t3=2，t=t1+t2+2，Q=Q2依此類推，

解吸 3 min 后：t3=3，t=t1+t2+1，Q=Q1

根據在井下實測的t1和Q1可在坐標圖上繪出直線AB延長AB交縱坐標于0點，可得煤樣總的瓦斯損失量W值。

將各組實驗數據代入式(8)，從而得到相應的瓦斯解吸指標K1值。

2 K1值影響因素分析

K1值作為一種瓦斯解吸特征指標，采取粒度為1～3 mm的鉆屑煤樣后，在5 min(WTC儀器)或10 min(ATY儀器)內，分別每隔0．5 min或1 min測量一次每克鉆屑的瓦斯解吸量，共10次，再根據估算出測定前的煤樣暴露到大氣中的時間，用巴雷爾公式推算出每克煤樣自暴露后第1 min內的瓦斯解吸量，即為K1指標。

因為WTC瓦斯突出參數儀的內部參數的設定基礎，是用于鉆孔長度為10 m、孔徑為d42 mm的麻花鉆排粉，若用其他孔徑與排粉方式，則需要重新設定儀器的參數。而使用WTC進行K1值的測定已在我國絕大多數突出礦井中應用，《防治煤與瓦斯突出規定》也對鉆屑瓦斯解吸指標K1值的測定過程進行了詳細的規定。鉆屑瓦斯解吸指標K1值理論上是穩定的，即不受煤樣暴露時間的影響，但實際上，由于儀器本身、人工測定等多種因素會導致K1值測定值的可靠性與實際情況存在差異。

1)采樣方式。由于工作面煤體內的瓦斯含量和瓦斯壓力隨煤體暴露時間而變化，從煤壁深部到煤壁逐漸減小，實測表明，在煤體結構無明顯變化的情況下，煤體中瓦斯含量的鉆屑解吸指標隨鉆孔深度增加呈增大的趨勢，且存在鉆屑解吸指標值隨鉆孔深度加深不是單一上升的線性增長趨勢，在孔深4～6 m處指標值最大的客觀事實。《防治煤與瓦斯突出規定》中規定，預測工作面8～10 m處的突出危險性應每隔2 m采樣測定一次鉆屑解吸瓦斯指標，根據所測數值的最大值進行判斷。但現所采用的都為孔口接取煤樣的方式，該方法存在的主要問題是煤樣在測定前暴露時間難以確定以及所取煤樣的深度無法保證，當煤體松軟、鉆桿彎曲、長度較深時，麻花鉆桿磨削孔壁的情況愈加嚴重，所取的煤樣為孔底、孔壁及暴露時間不同的混樣，由于每次測定的K1值需要5 min時間，所取的混樣代表性較差，導致所測定的K1值比真實值偏小。通過采用定點取樣器與孔口取樣的測定值進行對比，定點取樣測定的K1值明顯高于孔口取樣。不同采樣方式的K1值對比示意圖見圖2。

圖2 不同采樣方式的K1值對比示意圖

2)人為因素。由于在測定過程中打鉆速度過快或過慢，都將影響K1值測定過程中的準確性，在進行鉆孔施工時，應用的d42 mm鉆頭應按照1 m/min的速度勻速鉆進，如果鉆進速度過快(過慢)，WTC測定過程的5 min將不能同步，導致鉆孔內煤壁暴露時候過長，煤樣暴露初始階段的解吸速度過快，將導致測定值與實際值偏小;防突技術人員應嚴格按照規定的步驟進行，如取樣時t0值的準確測定、擰緊罐蓋以防漏氣等工序都將影響K1測定的準確性。

3)煤樣水分的影響。水分對瓦斯含量的影響較為明顯，煤層中水分含量越高，煤的吸附性能越低。未含水分條件下取樣時，煤樣暴露后吸附瓦斯向游離瓦斯轉化，初始階段的解吸速度較快，解吸量較大;當含有吸附水外在水分時，處于微孔隙呈吸附狀態的結合水對煤吸附性減低，毛細水和游離水充塞在大孔隙和毛細管中占據了吸附瓦斯向游離瓦斯轉化的通道，使測定時瓦斯擴撒和滲透的通道受阻，此條件下所測定的數值將對初始解吸速度及解吸量造成極大影響，測定值將比真實值要小40%左右。

4)儀器本身的原因。由于WTC儀器內設定了固定的程序，防突員在測定K1值過程中，如取樣時間段內對取樣段時間t0測定不準，將影響測值的準確性。如在測試現場中發現，防突員在取樣開始時，未進行時間的準確測定，不論取樣開始至結束這段時間用時多少，在儀器提示輸入取樣時間t0時，都輸入的為1 min或2 min，這就使得儀器在計算K1值開始段出現誤差，使的測試值比真實值偏差10%左右;在測定過程中，如未檢查儀器的密閉性，未檢查乳膠管與煤樣罐、泄氣閥與煤樣罐未擰緊等都將導致測試過程中存在漏氣，導致測定數值比實際值偏低。

3 準確測定K1值的措施

通過對上述K1值測定過程中各個環節易出現錯誤的因素進行分析，可以得出，測定中如果存在失誤，測定值與真實值偏小的現象普遍存在，如果不更，將會給安全生產帶來極大隱患。為了能提高工作面突出危險性預測的準確性和可靠性，應做到以下幾點，減少K1值測定過程中的誤差。

1)應采用定點取樣器設備取樣，能夠避免鉆粉混合、暴露時間不一等因素的干擾，同時，能夠保證所取煤樣的特定深度，使取樣時間相對固定。

2)應指定特定的鉆孔施工人員，對鉆孔施工人員進行必要的指導和培訓，同時各個礦井應配備專職突出預測人員，對防突技術人員進行鉆屑瓦斯解吸指標的理論知識和操作技能培訓，應嚴格按照《WTC瓦斯突出參數儀說明書》進行規范操作，加強防突員的儀器熟練性操作。下井前，應嚴格檢查儀器的電量、密封性等情況。

3)應使用風壓鉆進鉆取煤粉，在應用水力化工作面消突措施后，布置的預測鉆孔應避開濕潤煤體進行突出危險性效果檢驗。在采用孔口取樣的前提下時，應避免鉆桿跟煤壁的摩擦，在鉆桿打到預定深度時，不應立即接粉，應來回打動鉆桿，排一會鉆桿內的煤粉后再取樣，在測定過程中遇到漏氣等問題時，應立即檢查、處理，同時對此深度的測定值應重新進行測定。

［1］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．中國礦業大學出版社，1993：91－93．

［2］ 于不凡．煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊［M］．北京：煤炭工業出版社，2005：155－156．

［3］ 王顯政．煤礦安全新技術［M］．北京：煤炭工業出版社，2002：56－57．

［4］ 夏抗生．談煤層突出危險性預報指標K1的敏感性［J］．礦業安全與環保，2003，(30)：37－40．

［5］ 趙旭生，劉 勝．鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定誤差的影響因素［J］．礦業安全與環保，2002，29(2)：3－5．

［6］ 吳自立，孔凡正，孫重旭．測定鉆屑解吸指標采樣方法的探討［J］．礦業安全與環保，1999(3)：23－26．

［7］ 余忠林，夏抗生．煤層突出危險性預報指標K1測定值失真性初探［J］．煤礦安全，1999(12)：34－36．

［8］ 劉春陽，趙長闖．鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定影響因素分析［J］．煤炭科技，2009(3)：23－24．