連續流量法預測煤巷突出的臨界值研究

李 鵬

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016；2.煤礦安全技術國家重點試驗室，遼寧省沈陽市，110016)

煤與瓦斯突出是指煤與瓦斯在很短時間內，突然從煤壁拋向巷道空間的一種伴有聲響和猛烈力能效應的動力現象。統計表明，煤巷掘進時期發生的煤與瓦斯突出次數占礦井突出總次數的首位。因此，進行煤巷掘進工作面的突出預測在煤礦日常生產中占據重要地位，對此進行研究具有重要的實踐和應用價值，對消突措施的實施有著指導意義，能使產量和掘進速度提高25%～30%。

煤巷突出危險性預測的研究在近些年有了新的進展，根據以前的研究可以假設,如果以一固定鉆速的麻花鉆桿沿著煤巷工作面連續鉆進，工作面前方的煤體在鉆頭的作用下連續地突然卸壓而釋放瓦斯，那么從鉆孔中涌出的總瓦斯流量絕大部分來自鉆頭處的初始瓦斯流量，可以通過測定并繪制從鉆孔中涌出的總瓦斯流量曲線來預測煤巷掘進工作面前方的突出危險性。因此，在煤巷掘進工作面突出危險性預測中，就可以利用這種麻花鉆桿順著煤層打鉆，通過連續測定打鉆過程中從鉆孔中涌出的瓦斯流量，根據瓦斯流量大小判斷掘進工作面前方的突出危險性，這種方法稱之為預測煤巷突出危險性的連續流量法。

1 連續流量法煤巷突出預測指標的理論依據

1.1 連續流量法的理論基礎

煤巷掘進工作全部都是在煤層中進行，掘進頭前方沒有阻擋，根據“三帶”理論，在煤巷掘進工作面前方存在卸壓帶、集中應力帶和原始應力帶。由于暴露面附近的煤體在地應力的作用下破裂，因此產生了一定長度的破裂帶。破裂過程煤體瓦斯就有了一定程度的釋放，同時由于煤層的破裂帶的間隙較大，瓦斯散失較多，因此煤巷掘進工作面前方一定距離的煤體中的瓦斯壓力呈不均勻分布狀態：靠近掘進工作面處的瓦斯壓力較低，稱之為卸壓帶；遠離掘進工作面的煤層深處的瓦斯壓力較高，而且隨著時間的延續，這種不均勻的分布狀態向煤層深處不斷延伸，但始終保持著不穩定的動平衡的狀態。

1.2 連續流量法突出預測指標的確立

當前井下常用的煤電鉆是麻花鉆，是以固定的前進速度沿著煤巷掘進工作面的方向在煤層的軟分層中向前鉆進的過程，和日常煤巷掘進工作相同，鉆頭前方的煤體與煤巷掘進工作面前方的煤體相似，都是在外力和地應力的作用下首先破壞形成了破裂帶，鉆頭鉆進過程中，瓦斯流從鉆孔向外涌出，該瓦斯流包含4個部分產生的瓦斯流量：

(1)鉆進過程中鉆頭破壞煤體所產生的初始瓦斯流量。該部分瓦斯流量的大小與地應力、瓦斯壓力和煤體強度相關。煤體的初始釋放瓦斯膨脹又是這三者的表征，當地應力越大，瓦斯壓力越大、煤體強度越小時，煤體的初始釋放瓦斯膨脹能就越大，煤體破壞后產生的初始瓦斯流量也越大。

(2)鉆進過程中鉆頭所破壞煤體產生的后續瓦斯流量。

(3)鉆頭之外的鉆孔孔壁涌出的初始瓦斯流量。鉆孔形成后，在地應力的作用下鉆孔會產生形變，形成了鉆孔周圍的破裂帶。煤體在地應力作用下破裂的過程中向外釋放初始瓦斯流量，同時鉆孔壁向內擴張的過程中，在鉆頭與鉆桿的作用下，產生刷幫的效果，加大了鉆孔周圍破裂帶的范圍與孔壁涌出的初始瓦斯流量。

(4)鉆頭之外的鉆孔壁上產生的后續瓦斯流量。當使用麻花鉆以固定的前進速度沿著煤巷掘進工作面的方向在煤層的軟分層中向前鉆進，采集鉆孔中涌出的瓦斯流量，就可以得到鉆孔涌出瓦斯流量關于鉆孔深度的流量曲線。這條瓦斯流量曲線中的瓦斯流量包含了以上介紹的4個部分，如果能夠去除鉆孔鉆進過程中所破壞煤體產生的后續瓦斯流量與鉆頭之外的鉆孔壁上產生的后續瓦斯流量，得到的就是鉆孔鉆進過程中破壞煤體所產生的初始瓦斯流量與鉆頭之外的鉆孔孔壁涌出的初始瓦斯流量的曲線。該初始瓦斯流量曲線與煤巷掘進工作面前方煤體的初始釋放瓦斯膨脹能曲線呈線性關系，表征了掘進工作面前方的突出危險性的大小，同時初始瓦斯流量較大的部分與工作面的距離越小，突出煤體與工作面之間的阻擋層也就越小，突出也就越容易發生。根據上述分析，通過測定鉆孔的初始瓦斯流量來對煤巷掘進突出危險性進行預測在理論上是可行的。

因此，連續流量法通過在煤巷掘進工作面進行打鉆作業，通過測定分析鉆進過程中隨鉆進深度變化，鉆孔涌出瓦斯流量的分布曲線來預測煤巷突出危險性是切實可行的，通過數據的積累和恰當的方法，找出關于瓦斯流量參數的臨界值，就能夠將連續流量法應用到實際工作中，通過在每個掘進循環之前測定掘進工作面前方的鉆孔瓦斯流量曲線，與臨界值進行對比，從而判定本次掘進工作的突出危險性，為安全生產提供指導依據。

2 連續流量法煤巷突出預測裝置介紹

在梁北煤礦煤巷掘進工作面的突出預測中采用的是PECF連續流量法線預測裝置。裝置總體安裝情況如圖1所示。

PECF連續流量法線預測裝置從宏觀角度可以分為機械部分和電路部分：

(1)機械部分主要由膠囊封孔器、負責將膠囊封孔器撐起的手動加壓泵、封堵煤屑排放通道用的外加煤倉、瓦斯流量傳感器通道、過濾網、鉆屑排放銅管通道、裝有超聲波傳感器的127 V煤電鉆、超聲波傳感器反射板鉆桿組成。在進行連續流量法煤巷突出預測時，在煤巷掘進工作面掘進頭使用煤電鉆沿掘進方向向前進行打鉆，同時利用膠囊封孔工藝配合外加煤倉封住瓦斯氣體以引導瓦斯沿瓦斯流量傳感器通道流出。

(2)電路部分主要由本安型連續流量法煤巷突出預測裝置主機(以下簡稱主機)、用以測量鉆桿進尺即鉆孔深度的礦用隔爆型超聲波位移傳感器、用以對瓦斯涌出量進行采集一大一小兩個隔爆型流量傳感器組成。隔爆型流量傳感器把瓦斯的流速信號轉換成電流信號，并把該信號經過處理后傳給計算機；礦用隔爆型超聲波位移傳感把位移大小信號轉換成電流信號，并把該信號經過處理后傳給計算機。

圖1 PECF連續流量法線預測裝置圖

3 梁北煤礦連續流量法預測煤巷突出臨界值現場試驗研究

梁北煤礦二1煤層屬于高突松軟煤層，突出現象十分嚴重，嚴重影響了煤礦的日常煤巷掘進工作，掘進速度緩慢。對二1煤層11071風巷掘進工作面鉆孔涌出瓦斯流量進行了采集，根據前文所述的臨界值確立方法，尋找該礦連續流量法的臨界值，通過與臨界值的對比，準確判定下個掘進循環的突出危險性，避免采取過量的消突措施，或因掘進速度過快給安全生產帶來隱患。這是從常規的點預測到動態的線預測的進步，能大大提高預測的準確性。

根據連續流量預測裝置測得的時間—電流值曲線可以轉化為鉆孔深度—流量值曲線，該曲線代表了隨著煤電鉆向前鉆進過程中沿著鉆孔深度的方向瓦斯涌出流量大小，鉆孔涌出瓦斯流量越大，則突出危險性就越大。因此，鉆孔涌出瓦斯流量的總面積可以表征鉆孔瓦斯涌出流量的總量，代表了掘進工作面前方突出危險性的大小。但對于同樣瓦斯流量面積的曲線來說，曲線的峰值愈靠近掘進工作面，顯然突出的危險性也就越大。面心是能夠代表瓦斯流量曲線中較大的流量部分距離掘進工作面距離的表征，因此，鉆孔涌出總瓦斯流量面積與瓦斯流量曲線的面心的乘積可以更全面、綜合地代表掘進工作面前方的突出危險性大小，稱之為瓦斯流量面積矩。關于瓦斯流量面積矩的具體求取方法如下：

通過時間—電流值曲線可以得出時間方向上的瓦斯流量，同時根據鉆桿長度、位移傳感器記錄的位移距離與煤電鉆功率記錄的打鉆時間，可以得到時間—電流值曲線中每一時間點所代表的空間方向的大小，即每一微段的長度，該時間點上的瞬間流量值可以視為該微段長度上的瞬間流量值。求取該微段長度的瓦斯流量面積，可以得到任意一微段的瓦斯流量面積大小為：

(1)

式中：S流量i——流量曲線的任意微段的瓦斯流量面積，(L·m)/min；

qi——該點處的瞬時流量值，L/min；

x1,x2——該點微段的兩個端點距離鉆孔末端的距離，m。

求取瓦斯流量曲線的面心距工作面的距離，以下簡稱面心距，面心距x的大小可以通過下面的計算式來計算：

(2)

式中：xi——對應點i處的微段內流量面積的面心距鉆孔末端的距離，m。

通過求取瓦斯流量面積矩來判定工作面前方突出危險性大小，瓦斯流量面積矩的計算方法為：

(3)

式中：M——瓦斯流量面積矩，(L·m2)/min；

L——鉆孔總深度，m。

從式(3)可以看出，流量面積矩是瓦斯流量面積與瓦斯流量曲線的面心距工作面的距離的乘積，它能綜合線性地反應掘進工作面前方的突出危險性的大小與距離工作面的距離，鉆孔涌出瓦斯流量面積愈大，面心距愈小，流量面積矩就愈大，說明工作面前方突出危險性愈高。

在現場試驗過程中，因為主機開關與掘進頭位置較遠、需要檢查傳感器運行情況以及打鉆準備等都需要占用大量的時間，因此最終所采集的原始數據中，包含了所需的鉆進過程的數據，同時也包含了大量的無用數據，為了將鉆進過程的數據與其他無用數據分開，需要記錄每次打鉆過程中所添加鉆桿的長度以及添加次數，并通過位移傳感器與煤電鉆功率的記錄，判斷原始數據中鉆進期間的數據段。

本次試驗采用單獨位移傳感器的數據判斷原始數據中的鉆進過程段的數據。4月16日原始數據曲線如圖2所示。對原始曲線進行分析，得到鉆孔深度—瓦斯流量曲線如圖3所示。

圖2 4月16日原始數據曲線

圖3 4月16日鉆孔深度-瓦斯流量曲線

計算得到總的瓦斯流量面積為91.7 (L·m)/min，面心距的大小為5.5m，流量面積矩的大小為407.3 (L·m2)/min。4月16日常規預測指標測定曲線如圖4所示。測得結果均低于《防治煤與瓦斯突出規定》中的臨界值6kg/m與200Pa。當日現場試驗結束后，進行了放炮掘進作業，放炮后與掘進過程無突出現象，可以判定本次取得的流量面積矩407.3 (L·m2)/min為低于突出臨界值的安全值。

圖4 4月16日常規預測指標測定曲線

通過對現場試驗得到的原始數據進行分析，得到注量面積矩為317.4～673.5 (L·m2)/min。數據采集后直接進行放炮掘進作業觀察有無突出現象，和同組測得的鉆屑量、鉆屑解吸指標與《防治煤與瓦斯突出規定》的臨界值進行對比，確定了每組流量面積矩與真實臨界值之間的關系并進行了積累。雖然沒有高于臨界值的數據，但673.5 (L·m2)/min的流量面積矩作為所有流量面積矩中的最大值，且對應的同組的常規突出預測指標測得鉆屑量5.5kg/m和鉆屑解吸指標190Pa這兩個值在已取得的常規指標中最大，非常接近《防治煤與瓦斯突出規定》的臨界值，因此，可以作為梁北煤礦連續流量法預測煤巷突出的臨界值。

4 結論

(1)連續流量裝置在現場的成功應用，取決于準確、真實記錄鉆孔中連續涌出的瓦斯流量，并通過位移傳感器數據與煤電鉆功率數據判斷原始數據中的有效鉆進段數據，將原始數據的時間—電流值曲線真實地還原為鉆進過程的鉆孔深度—流量值曲線。

(2)流量面積矩參量反應了鉆進過程中瓦斯涌出總流量與瞬時瓦斯流量峰值的分布，通過對采集的數據進行分析計算，得出該組數據的流量面積矩，通過對比，現場試驗結束后直接進行掘進作業觀察有無突出現象，并與同組的常規預測指標的鉆屑量S、鉆屑解吸指標△h2進行對比分析，說明流量面積矩參量能夠準確的反應掘進工作面前方突出危險性的大小。

(3)通過數據分析與積累，計算得出大小為673.5 (L·m2)/min的流量面積矩是所有流量面積矩中的最大值。該組數據取得時打鉆過程無突出預兆現象，直接進行放炮掘進作業無突出現象，可以作為連續流量法在梁北煤礦煤巷突出預測中的安全值，同時對比同組的常規突出預測指標測得的鉆屑量5.5kg/m和鉆屑解吸指標190Pa這兩個值在取得的常規指標中同樣是最大，非常接近《防治煤與瓦斯突出規定》的臨界值的數據，判定大小為673.5 (L·m2)/min的流量面積矩是一組接近真實臨界值的安全值，可以認定為梁北煤礦連續流量法預測煤巷突出的臨界值。