掘進面瓦斯涌出特征預測煤與瓦斯突出

師傳壯

(山西汾西礦業集團公司通風處，山西 介休 032000)

引 言

在煤礦發生的突出事故統計中，突出事故發生最多且最嚴重的是煤巷掘進時工作面的突出，它是突出預測的重點區域。掘進工作面瓦斯涌出與突出的發生密切相關，可以利用工作面瓦斯涌出異常預測突出危險性。

1 掘進工作面瓦斯涌出規律

1.1 巷道煤壁瓦斯涌出規律

煤層瓦斯含量、壓力、孔隙-裂隙結構和煤對瓦斯的吸附性等決定著瓦斯涌出強度的大小，瓦斯涌出強度決定著掘進面煤壁瓦斯涌出量的大小，它和煤壁暴露時間是函數關系。為了確定該函數關系，在某礦煤巷掘進工作面每隔相等距離裝上瓦斯濃度傳感器和風速傳感器并計算巷道斷面面積，對收集的數據處理后，結果表明瓦斯涌出強度與時間成反比關系，并最終趨于穩定。

根據多個礦井現場統計發現，瓦斯涌出量在煤壁暴露一個月后超過80%。炮掘時，煤壁受爆破震動影響而破壞相對較大，煤體裂隙也增大，瓦斯涌出強度和衰減速度大和快。煤壁瓦斯涌出在煤壁暴露3月～4月時達到最大穩定值。

1.2 落煤瓦斯涌出規律

落煤的瓦斯釋放速度主要取決于落煤粒度，粒度越小，瓦斯釋放越快，反之越慢。相對于爆破掘進，采用綜采機械掘進時落煤的粒度更小并且比較均勻，瓦斯解吸相對更快。落煤瓦斯涌出是時間的函數，為了研究其隨時間的變化規律，通過將掘進剛落下的煤粒迅速裝入煤樣罐內，做好密閉處理后與瓦斯解吸儀進行連接，并進行解吸量的測定與記錄，直到它衰減到趨于平穩[1]。

對在實驗室測得的瓦斯解吸量做出它與時間的關系曲線圖，得到q02(初始瓦斯強度)和β(衰減系數)的值。q02和β對于在不同開采技術和自然因素條件的工作面下得到的具體值是不一樣的，瓦斯含量和落煤粒度對其值大小的影響最大。

2 煤與瓦斯突出發生前工作面瓦斯涌出量異常變化特征

2.1 工作面含瓦斯煤體的動態變化

隨著掘進的推進，工作面前方煤體由于地應力的變化會出現相形推移、應力停滯等動態變化。

1) 相形推移現象

掘進在無構造破壞的均質煤體中，工作面前方三個帶區向前推移的同時頂底板也相應地移近，此時，工作面瓦斯均勻涌出，波動幅度小，無突出危險。

2) 應力停滯現象

掘進在地質構造破壞帶煤層中，集中應力增加，頂底板有時會出現不移近或是速度減小，即應力停滯現象。它的前兆信息是：在掘進過程中，前方煤體存在地質破壞帶時，頂底板移近速度變慢，泄壓帶區減小，集中應力帶區增大且集中應力也變大。煤體受壓，透氣性減小，不掘進時瓦斯涌出小，掘進時涌出量大。工作面前方集中應力區力學性能逐漸集聚，當煤體達到極限應力狀態，受采掘作業影響很容易誘發煤與瓦斯突出動力現象。

2.2 突出發生前工作面瓦斯涌出量異常變化

統計發現，突出發生前有一定的預兆，這是突出準備階段的外部表現。突出預兆瓦斯涌出方面的預兆有：噴煤、打鉆噴瓦斯和瓦斯涌出量大且會出現瓦斯濃度降低后驟然增大，瓦斯濃度忽大忽小等異常現象。在突出準備階段，當掘進煤巷向前推進時，由于應力停滯現象，地應力局部增加和瓦斯壓力梯度也增加，此時工作面前方處于不穩定動態平衡狀態，煤體裂隙時張時閉，煤體內賦存的瓦斯不斷地進行吸附、解吸過程，平均瓦斯涌出量增大，并有持續增高的趨勢，增高到一定程度又驟然降低的忽大忽小等異常現象，有時也出現打鉆噴瓦斯、噴煤等。因此，可以將工作面瓦斯涌出異常作為一項指標預測突出危險性[2]。

2.3 不同工況下瓦斯異常涌出規律

雖然不同事件如放炮、工作面停風、傳感器調校等也會引起瓦斯濃度曲線出現較大波動，放炮時瓦斯濃度曲線變化是突然增高后隨著通風的進行持續幾分鐘后降低到正常范圍；傳感器調校時瓦斯濃度曲線變化表現為突然增高后降低到正常濃度范圍；工作面停風時瓦斯濃度曲線變化表現為緩慢、持續累加到較高濃度范圍。這與突出時所表現的波動有較大的區別。工作面瓦斯涌出量變化情況與靜態鉆孔法預測煤與瓦斯突出表現為一致性，因此，可利用工作面瓦斯涌出量異常變化特征作為預測指標預測煤與瓦斯突出危險性。

3 掘進面瓦斯涌出量異常預測煤與瓦斯突出

3.1 無煤與瓦斯突出危險性時瓦斯涌出量變化情況

山西某礦屬于煤與瓦斯突出礦井，N2105掘進工作面采用靜態鉆孔法預測前方煤與瓦斯突出危險性，同時裝有瓦斯傳感器和風速風向傳感器。通過人工鉆孔在2012.7.16～2012.8.14測得N2105掘進面膠帶順槽鉆孔涌出瓦斯初速度q、最大鉆屑量Smax、瓦斯解吸指標K1、Δh2，根據《鉆屑瓦斯解吸指標測定方法》(AQ/T 1065-2008)算出瓦斯濃度[3]。

采樣期間(2012.7.16～2012.8.1)預測N2105掘進面煤層無突出危險性，采集該時段N2105膠帶順槽回風流每小時風速、瓦斯濃度數據并繪制趨勢圖，如圖1所示。該掘進巷道通風斷面積13.3 m2，計算得出工作面瓦斯涌出量曲線圖，如圖2所示。

圖1 N2105膠帶順槽回風流瓦斯濃度趨勢圖

圖2 N2105工作面瓦斯涌出量曲線圖

通過利用《防突規定》里的靜態鉆孔預測法預測N2105工作面在預測期間無煤與瓦斯突出危險性，在風流風速穩定的情況下該工作面瓦斯濃度和瓦斯涌出量較小且曲線變化趨勢均勻、變化幅度平緩。

3.2 有煤與瓦斯突出危險性時瓦斯涌出量異常變化情況

根據表1所示，8月13、14日，工人通過鉆孔法連續兩天預測N2205煤層有突出危險性，該工作面于14日發生了小型煤與瓦斯突出，由于提前預測到突出危險性并做好了相應的應急防護措施，該突出無人員傷亡。由第194頁圖3所示，分析8月13日20個小時監測到的每分鐘瓦斯濃度數據發現，在煤與瓦斯突出發生前1 d或數小時內瓦斯濃度較大且波動幅度較大，出現忽大忽小或是持續較高驟然降低后急劇增加的持續不穩定變化情況[4]。

表1 N2205工作面預測煤層突出危險性綜合參數表

圖3 N2205工作面瓦斯涌出量曲線圖

4 結論

1) 煤壁和落煤瓦斯涌出強度主要隨暴露時間的延長而降低，根據該特性，繪制出煤壁和落煤瓦斯涌出強度與時間的變化曲線。

2) 從理論上分析了煤與瓦斯突出發展的四個過程以及掘進過程中含瓦斯煤體動態變化。突出發生包括準備、激發、發展和終止四個階段，每個階段煤體所受的地應力和瓦斯有不同的作用特點。煤巷掘進過程中，含瓦斯煤體3個帶區(卸壓帶、集中應力帶和原始應力帶)出現相形推移、應力停滯和瓦斯包現象，瓦斯涌出量隨著煤體透氣性的變化也發生相應的動態變化，并表現出涌出量增大，波動較大且有時忽大忽小，這也是煤與瓦斯突出準備階段所表現出來的瓦斯涌出的異常征兆。

3) 利用《防突規定》靜態鉆孔法預測工作面煤層在有突出危險性和無突出危險性的情況下與工作面瓦斯濃度、瓦斯涌出量曲線變化特征對比，表現為鉆孔法與工作面瓦斯涌出量在預測煤與瓦斯突出危險性上存在較好的一致性，因此，可利用工作面瓦斯涌出量異常變化特征作為預測指標預測煤與瓦斯突出危險性。該指標是一項較好的非接觸式突出預警指標，與靜態接觸式的鉆孔法相比，具有實時、動態、連續性預測的優勢，是一種很有發展前景的預測方法，值得深入研究。