工作面煤與瓦斯突出綜合監測指標建立

高 翔

(山西汾西礦業集團柳灣煤礦，山西 孝義 032303)

1 工程概況

8204綜采工作面位于井田8#煤層二采區。工作面標高+914 m～+938 m，回風順槽高、運輸順槽低，平均落差為27 m，走向長度1 130 m，傾向長度180 m。工作面以正方位角38°布置，東側為8203采空區，西側為8205工作面未布置，南側為三條下山，北側為井田邊界線。工作面東側為8203采空區，回采過程中8204回風順槽可能受到8203采空區影響，必須加強回風順槽超前棚和三角區附近頂板、煤壁管理。地面為山脈覆蓋，無村莊和公路等，地面標高為+1 268 m～+1 279 m。回采對地面的山脈會造成一定塌陷、裂縫，無土地和建筑物，所以對生產、生活沒有太大影響。

8204工作面不存在偽頂。頂板、泥巖為平均厚度為5.97 m，厚層狀、致密，頁理不發育的黏土巖。8204工作面底板為細砂巖，平均厚度為2.43 m，深灰色，均勻層理，局部薄層粉砂巖，含植物根化石碎片。

8204工作面為總體走向NE-SW、傾向NW的單斜構造，煤層產狀一般8°～16°。根據地質勘測以及工作面在掘進期間揭露，除在8204運輸650 m處有個小構造外，本工作面未發現其他影響回采的地質構造，局部煤層變薄。

2 綜合監測預警指標的建立

2.1 微震-應力對比分析

為了模擬煤巖體在突出時發生破裂的應力場變化以及伴隨著的微震事件，反映煤巖體在瓦斯突出時的動態過程，進一步認識突出機理[1-2]。

本文中，采用數值模型，通過RFPA 2D進行模擬，采用平面應變分析，其數值模擬力學參數如表1。

表1 數值模擬力學參數

1) 模擬結果分析

第175頁圖1反映了與聲發射同步的應力變化情況，第一張是單軸加載第2步應力圖，由圖中可看出，在第42步時是出現應力集中區，第43步～62步，是應力不斷增加的過程，且可以看到有孔隙開始出現，第66步出現明顯的破裂區域，直到第73步出現斷裂且應力釋放，應力突然降低，隨后逐漸趨于平衡。

在相應的聲發射演化過程圖中，在第42步出現了明顯的聲發射現象集中區，之后，在第43步～66步的過程中，聲發射信息不斷演化并形成破裂帶，在此期間，煤巖體內應力呈現逐漸增大的趨勢；從第67步開始，聲發射現象激增，能量突然釋放致使發生破壞，此時，應力突然降低，且逐漸趨于平衡[3]。

2) 應力與聲發射分析

數值試驗結果顯示，在煤巖體發生微破裂以及宏觀破裂時，煤巖體內產生的相關聲發射參數值都出現明顯增大；且隨著聲發射事件的連續發生，煤巖體內的應力也發生明顯的變化。

圖1 煤巖樣應力演化特征圖

2.2 微震-瓦斯對比分析

對微震單項指標和瓦斯涌出量進行查詢，并繪制曲線進行分析，隨機選取8204工作面某2個時間段的瓦斯和微震小事件頻數數據，并繪制同一時刻下對應的對比曲線以及同一時刻的瓦斯與動態活動趨勢對比曲線，如圖2所示。

曲線對比分析顯示，當瓦斯監測數據發生變化時，微震事件也同時頻繁出現，所以說微震事件活動指標與瓦斯涌出量之間具有良好的同步性。

2.3 應力-瓦斯對比分析

研究工作面瓦斯涌出量與礦山頂板壓力的變化，可以得出工作面周期來壓與瓦斯涌出量變化之間的關系[4]。通過統計，8204工作面回采期間支架支撐力和工作面瓦斯涌出量，繪制成變化規律圖，如第176頁圖3所示。

由圖3可以看出，工作面支撐壓力的變化反映了工作面頂板壓力的變化，當綜采工作面支撐力增大時，工作面的瓦斯涌出量出現峰值。因為在工作面所有設備保持正常運轉的前提下，無論工作面附近的地質條件和應力狀態如何發生變化，工作面內的瓦斯涌出量都會隨之發生明顯的周期性變化。

圖2 微震指標與瓦斯指標對比圖

由現場監測數據可知，隨著工作面頂板應力的不斷增加，瓦斯涌出量也隨之增加，周期來壓后，應力與瓦斯涌出量都同時減小，體現了應力與瓦斯涌出量變化的同步性。

3 綜合監測預警指標的確定

根據微震、應力和瓦斯數據指標的對比分析結果，將文中確定的3個評價預警指數經過無量綱分析、對比后，得出以微震數據、應力變化數據和瓦斯涌出量變化數據為基礎的瓦斯突出綜合預警指標DI[5]，其計算公式見式(1)。

圖3 8204工作面瓦斯涌出量與支撐力關系圖

(1)

式中：DI為煤與瓦斯突出綜合預警指標；MS為聲發射項綜合指標；Ip為應力增量指標；Ws為瓦斯項綜合指標。

微震事件、應力和瓦斯涌出量的變化均是在誘發煤與瓦斯突出事故的各種因素的綜合作用下產生的，三者包含有大量的誘發事故發生的前兆信息，因此，三者可以看作是誘發事故發生的各種因素的不同表現形式。在預測突出危險性時，三者的變化趨勢幾乎相同，這樣當微震參數和應力、瓦斯參數都經過無量綱轉化分析之后，若有發生瓦斯突出的危險，綜合預警指標的結果應趨近于1，并可根據綜合預警指標DI與1的接近程度來對瓦斯事故的危險程度進行分級，其等級劃分如表2。

表2 預警指標等級劃分

4 結論

本文運用RFPA 2D模擬井下瓦斯突出過程中微震事件和應力變化的響應情況，由模擬結果可知，微震事件剛開始出現時，支承應力也開始變大，當微震事件劇增發生巖塊斷裂時，應力突然釋放，開始減小且逐漸趨于平衡。同時，根據監測到的各個參數進行對比，得出了微震小事件活動頻數與應力和瓦斯涌出量都有很好的同步性。