煤與瓦斯突出危險性預測研究

生艷鳳

鶴壁煤業(yè)技師學院，河南鶴壁 458000

1 瓦斯突出危險性參數測試

1.1 瓦斯壓力測試

瓦斯壓力促使瓦斯在煤層中流動，它決定了煤層中瓦斯含量和涌出量的大小，是煤與瓦斯突出危險性的主要參數之一，因此我們必須對瓦斯壓力進行測定，測定點應選擇在巖石沒有斷層、不發(fā)育的地點進行。瓦斯壓力均隨埋藏深度的增加而增大，壓力增長梯度公式為：

m=(P2-P1)/(H2-H1)

式中：m-煤層瓦斯壓力梯度，MPa/m；

P1-在深度H1處的瓦斯壓力，MPa；

P2-在深度H2的瓦斯壓力，MPa。

1.2 瓦斯基礎參數測試

1）鉆孔自然瓦斯涌出量及衰減系數

鉆孔瓦斯自然涌出量隨時間的延續(xù)呈減小變化關系，通常用下式描述：

qt=qo.e-at

式中： qt-時間為t 時的鉆孔瓦斯涌出量，m3/min.hm；

qo-初始瓦斯涌出量，m3/min.hm；

α-鉆孔瓦斯涌出量衰減系數-1；

t-排放瓦斯時間，d。

這種減小速度的系數叫做鉆孔瓦斯自然涌出量衰減系數，該系數值可作為評價煤層預抽瓦斯難易程度的一個重要參考依據。

1.3 煤層透氣性系數

煤層透氣性是指煤層對瓦斯流動的阻力，通常用透氣性系數表示，它是煤層瓦斯流動難易程度的標志。目前我國廣泛采用中國礦業(yè)大學提出的方法來測定煤層透氣性系數，這一方法是在煤層瓦斯向鉆孔流動的狀態(tài)屬徑向不穩(wěn)定流動的基礎上建立的。

2 煤與瓦斯突出危險性預測

2.1 控制煤與瓦斯突出的因素

2.1.1 高構造應力區(qū)、壓性、壓扭性構造帶是突出的主要地帶

1990年的統(tǒng)計資料，全國共發(fā)生煤與瓦斯突出11 470余次，華南地區(qū)6 900 余次，占全國突出總數的60%以上，而華南地區(qū)的煤炭產量遠不到全國的百分之十。主要原因就是華南地區(qū)有著較全國其他地區(qū)更為復雜的地質條件：高構造應力，華北地區(qū)平均水平主應力為3.3MPa，華南地區(qū)為8MPa；華南地區(qū)的多數煤田是以復雜的褶皺構造和壓性、壓扭性斷裂構造為主體，煤層變形極為強烈，“構造煤”普遍發(fā)育。

2.1.2 發(fā)生煤與瓦斯突出的地點都是“構造煤”發(fā)育的地帶

所有發(fā)生煤與瓦斯突出的地點都發(fā)育有構造煤，“構造煤”本身就位于構造應力集中的部位，煤層強烈變形、破壞，特別是Ⅳ類煤和Ⅴ類煤，主要是韌性變形的產物。“構造煤”較之原生結構的正常煤堅固性系數明顯降低，降低了煤與瓦斯突出時所需要的能量。

2.1.3 突出往往發(fā)生在小斷層附近

小斷層落差小，當煤層頂板是透氣性巖層時，有時會聚集瓦斯；斷層活動造成了斷層兩盤應力集中分布帶；斷裂破壞和斷盤相對運動剪切，在斷層面附近的上、下盤形成較厚的“構造煤”。

2.2 煤與瓦斯突出危險性的預測

2.2.1 煤層原始瓦斯壓力（p）

影響煤與瓦斯突出的因素很多，但導致突出的基本因素之一是瓦斯壓力，因為發(fā)生發(fā)瓦斯突出時必須要達到一定的瓦斯壓力，其臨界值是造成突出的必要條件。我國煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的瓦斯壓力臨界值確定為0.74MPa，該值是通過對我國多次突出事故進行統(tǒng)計分析后而最終確定的。

2.2.2 煤的堅固性系數（f）

煤體的堅固性系數越大，發(fā)生突出的可能性就越小。因此，我們將煤的堅固性系數作為煤與瓦斯突出預測的單項指標之一，其臨界指標值為0.5。當f＞0.5 時，煤層發(fā)生突出的危險性較小；當f ≤0.5 時，煤層存在發(fā)生突出的潛在危險性。

2.2.3 瓦斯放散初速度（Δp）

當瓦斯含量相同時，煤的放散初速度越大，煤體就越容易遭到破壞，也就越容易發(fā)生煤與瓦斯突出。因此我們將瓦斯放散初速度作為煤與瓦斯突出預測單項指標之一，確定其臨界值為10，當Δp＞10 時，煤層具有發(fā)生突出的潛在危險性。

2.2.4 煤與瓦斯突出危險性預測指標選擇

煤與瓦斯突出時多種因素共同作用產生的復雜動力現象，采用單一因素指標難以進行準確預測，必須考慮多因素共同作用效應。

1） 單項指標

單項指標方法包括煤的瓦斯放散初速度、破壞類型、煤層瓦斯壓力和煤的堅固性系數。根據相關規(guī)定，預測煤層突出危險性單項指標臨界值見表1。當四個單項指標同時達到或超過臨界值時，煤層就具有突出危險，否則為無突出危險的煤層。

2）綜合指標D、K

綜合指標D 較全面地考慮了影響突出的3 個主要因素，即地應力、瓦斯壓力和煤質，是判別煤層區(qū)域突出危險性的重要指標。K 值是煤的物理學性質的反映，也是判斷煤層區(qū)域突出危險性的重要依據。綜合指標D、K 值計算公式如下：

D=（0.0075H/f-3）（p-0.74）

K=Δp/f

式中：H-煤層開采深度，m；

Δp-軟分層煤的瓦斯放散初速度指標；

f-軟分層煤的堅固性系數平均值；

p-煤層瓦斯壓力，MPa。

綜合指標D、K 的突出臨界值指標見表2。當D、K 值同時達到或超過下表中數據時，煤層才具有突出危險性，否則視為無突出危險煤層。

表2 綜合指標D 和K 預測煤層區(qū)域突出危險性的臨界值

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].2001，10：31-49.

[2]張子敏，林又玲，呂紹林.中國煤層瓦斯分布特征[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1998，1.

[3]焦作工學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[4]王建國.新景礦瓦斯地質規(guī)律的初步探討[D].河南理工大學，2009，4.