工作面突出危險性預測敏感指標確定

張玉柱

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

精準的工作面突出預測是突出煤層工作面安全高效采掘的重要保障，是防治煤與瓦斯突出的最后一道防線。工作面精準預測需要合適的預測方法，合適的預測方法需要敏感的預測指標做支撐，《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定突出礦井應當針對各煤層的特點和條件試驗確定工作面突出預測的敏感指標[1]。針對不同礦井，其生產(chǎn)工藝和工作面預測條件不同，再者對于不同煤層，其煤與瓦斯突出特征及其解吸規(guī)律不同，造成不同礦井不同煤層其工作面預測敏感指標不同[2-3]。因此，研究確定不同礦井不同突出煤層工作面突出預測敏感指標對于礦井瓦斯防治意義重大。

1 資料分析研究

1.1 礦井煤層概況

四季春煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井設計生產(chǎn)能力為45萬t/a，主采6號煤層、7號煤層、8號煤層、16號煤層、35號煤層。礦井采用單一走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板；掘進工作面采用綜合機械化掘進工藝，錨噴支護方式。礦井6號煤層全區(qū)可采，總體賦存穩(wěn)定，煤層平均厚度為2.5 m，無夾矸，無明顯軟分層，煤層硬度較軟。6號煤層經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤層，區(qū)域措施為開采保護層，7號煤層作為首采保護層先行開采。

1.2 煤層煤與瓦斯突出特征

四季春井田總體為單斜構造，區(qū)內(nèi)構造中等，局部地段構造較復雜，斷層和次一級褶皺較發(fā)育。受區(qū)域構造和煤層賦存影響，四季春煤礦及鄰近礦井6號煤層煤與瓦斯突出嚴重，通過統(tǒng)計分析礦井及鄰近區(qū)域6號煤層煤與瓦斯突出歷史資料，總結得出其煤與瓦斯突出具有以下特征：①煤層煤與瓦斯突出以瓦斯作用為主導，突出危險性隨煤層瓦斯含量的增加而增加；②大部分煤與瓦斯突出發(fā)生在煤層賦存異常區(qū)域(構造帶、煤厚異常區(qū)、應力集中區(qū)等)附近，煤層賦存異常區(qū)域突出危險性較賦存正常區(qū)域大；③多數(shù)煤與瓦斯突出的直接原因是瓦斯參數(shù)測試不準確、措施控制不到位等外部人為因素造成。

2 工作面預測指標敏感性分析標準

理論研究認為，煤與瓦斯突出主要受煤層瓦斯、地應力、煤體結構等因素的共同影響[4-5]，但對于不同煤層其主導因素不同，造成不同工作面突出預測指標敏感程度不同。工作面突出預測指標的敏感程度主要取決于其對煤與瓦斯突出顯現(xiàn)特征的響應程度，工作面突出預測敏感指標能夠同步明顯響應煤層大部分煤與瓦斯突出特征。因此，基于6號煤層煤與瓦斯突出特征，構建了6號煤層工作面突出預測指標敏感性分析標準如下所述。

1) 考察工作面突出預測指標隨瓦斯含量的變化情況，若預測指標同步隨瓦斯含量的增加而明顯增減，且指標測值代表的突出危險性增加，則該指標敏感，否則不敏感。

2) 考察工作面突出預測指標在煤層賦存異常區(qū)域(構造帶、應力集中區(qū)、煤厚異常區(qū)等)測值變化情況，若指標測值相對煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，且指標測值代表的突出危險性增加，則該指標敏感，否則不敏感。

3) 考察工作面預測指標測定受外部因素(人為操作因素、儀器因素等)的影響情況，若預測指標測定誤差受外部因素影響較大，造成預測指標敏感性被測定誤差掩蓋，則預測指標不敏感，否則敏感。

3 工作面預測敏感指標考察確定

目前四季春煤礦工作面突出預測指標采用鉆屑瓦斯解吸指標(K1)，由于鉆屑瓦斯解吸指標(K1)和(△h2)均為綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的指標[6]，考慮到工作面預測裝備條件，選取鉆屑瓦斯解吸指標(K1)進行敏感性考察。再根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定的各類工作面預測方法涉及的預測指標，結合礦井目前未開展其他新工作面突出預測方法的試驗應用。因此，四季春煤礦選取鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(K1)、鉆屑量(S)指標進行工作面突出預測指標敏感性考察分析。

結合礦井采掘情況，依據(jù)構建的6號煤層工作面預測指標敏感性分析標準，選取具有代表性的1063中間巷掘進工作面和1061回采工作面對工作面預測指標敏感性進行現(xiàn)場考察。1063中間巷掘進工作面預考察區(qū)域存在一個煤柱應力集中影響區(qū)域，1061回采工作面預考察區(qū)域經(jīng)勘探存在一個斷距2.0 m左右的工作面傾向斷層影響區(qū)域。1063中間巷掘進工作面條帶區(qū)域和1061工作面回采區(qū)域均位于首采7號煤層保護范圍內(nèi)，但1061工作面回采區(qū)域又輔助在運輸巷和回風巷施工了順層抽采鉆孔，導致煤層賦存正常區(qū)域1063中間巷掘進工作面條帶區(qū)域瓦斯含量較1061工作面回采區(qū)域高，1063中間巷掘進工作面和1061回采工作面預考察區(qū)域煤層賦存情況如圖1所示。現(xiàn)場考察采用風煤鉆施工Ф42 mm的工作面突出預測鉆孔，孔深均為10.0 m，每個預測鉆孔同時測定鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(K1)、鉆屑量(S)和瓦斯含量(W)。其中，預測鉆孔從第2.0 m開始，每鉆進1.0 m測定一次鉆屑量(S)，每鉆進2.0 m測定1次鉆屑瓦斯解析指標(K1)，最后1.0 m測定瓦斯含量(W)，鉆進完畢后測定鉆孔瓦斯涌出初速度(q)(測量室長度為1.0 m)。現(xiàn)場跟蹤考察了1063中間巷掘進工作面煤柱應力集中影響區(qū)域、1061工作面斷層影響區(qū)域和采掘工作面煤層賦存正常區(qū)域，測試了30個采掘工作面突出預測循環(huán)參數(shù)，選取每循環(huán)測試的鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(K1)、鉆屑量(S)最大值作為該循環(huán)各指標的數(shù)據(jù)。

圖1 1063中間巷和1061回采工作面預考察區(qū)域煤層賦存示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal seam occurrence in the pre-investigation area of 1063 middle roadway and 1061 stoping face

3.1 鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性考察

鉆孔瓦斯涌出初速度(q)是綜合反映煤層瓦斯壓力、煤層的應力狀態(tài)、煤層透氣性和煤體的瓦斯放散能力的預測指標，鉆孔瓦斯涌出初速度越大，工作面突出危險性越大[7-9]。統(tǒng)計分析現(xiàn)場測試的30個采掘工作面預測循環(huán)各循環(huán)最大鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)和最大瓦斯含量(Wmax)數(shù)據(jù)，其鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)變化曲線如圖2所示。由圖2可知，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)總體隨瓦斯含量的增加而增加，但變化不明顯，局部區(qū)域甚至無變化，對于瓦斯含量敏感程度較低；斷層影響區(qū)域和應力集中影響區(qū)域較煤層賦存正常區(qū)域有增加趨勢，但增加幅度不大，表征的突出危險性增加不明顯，對于煤層賦存變化敏感程度不高。

圖2 鉆孔瓦斯涌出初速度(qmax)變化曲線圖Fig.2 Curve of initial velocity of borehole gas gushing(qmax)

依據(jù)鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測定原理，結合現(xiàn)場操作遇到的問題，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測定過程復雜，多人配合也很難實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)完成封孔，導致前期瓦斯大量逸散；且對鉆孔成孔要求較高，鉆孔孔壁不光滑或成孔不規(guī)范易導致測定失敗；再者鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測定全過程均需人工完成讀數(shù)，人為因素影響較大[10-12]。因此，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)測定受外部因素影響較大，測定誤差不易避免。

依據(jù)6號煤層工作面預測指標敏感性分析標準，綜合分析表明鉆孔瓦斯涌出初速度(q)對于6號煤層工作面突出預測敏感性較差。

3.2 鉆屑瓦斯解析指標(K1)敏感性考察

鉆屑瓦斯解析指標(K1)是綜合反映煤層瓦斯含量和卸壓初期瓦斯解吸速度大小的指標，鉆屑瓦斯解析指標(K1)越大，工作面突出危險性越大。針對30個采掘工作面突出預測循環(huán)每循環(huán)測試的最大鉆屑瓦斯解析指標(K1max)和最大瓦斯含量(Wmax)進行統(tǒng)計分析，其鉆屑瓦斯解析指標(K1max)變化曲線如圖3所示。由圖3可知，煤層賦存正常區(qū)域和異常區(qū)域內(nèi)鉆屑瓦斯解析指標(K1)均能夠同步響應瓦斯含量的變化，隨煤層瓦斯含量的增加而增加，且變化較明顯，表明鉆屑瓦斯解析指標(K1)對于瓦斯含量敏感性較好；斷層影響區(qū)域和應力集中影響區(qū)域鉆屑瓦斯解析指標(K1)較煤層賦存正常區(qū)域明顯增大，表明鉆屑瓦斯解析指標(K1)對于煤層賦存變化敏感性也較好。

圖3 鉆屑瓦斯解析指標(K1max)變化曲線圖Fig.3 Curve of analytical index of cuttings gas(K1max)

依據(jù)鉆屑瓦斯解析指標(K1)測定方法，其外部影響因素主要為人為操作和測試裝備。目前，鉆屑瓦斯解析指標(K1)測試裝備已經(jīng)實現(xiàn)自動化和數(shù)字化，可以消除由于測試裝備造成的誤差[13-14]。人為操作影響主要是由于取樣時間和制樣造成的誤差，按照測定原理從開始取樣到開始測定必須在2 min內(nèi)完成，且期間需采用Ф1～3 mm的篩子充分把煤樣篩分成1～3 mm的粒徑。通過現(xiàn)場實踐驗證，2 min內(nèi)可以充分完成取樣、煤樣篩分和裝罐測試。因此，鉆屑瓦斯解析指標(K1)測定外部影響因素造成的誤差可以通過規(guī)范操作避免。

依據(jù)6號煤層工作面預測指標敏感性分析標準，綜合分析表明鉆屑瓦斯解析指標(K1)對于6號煤層工作面突出預測敏感性較好。

3.3 鉆屑量(S)敏感性考察

鉆屑量(S)為工作面預測Ф42 mm鉆孔自第2.0 m 深度開始每米所排煤粉重量或體積，其主要受地應力、煤體結構、地質(zhì)構造等因素的影響。鉆屑量(S)越大，工作面突出危險性越大。通過對采掘掘進工作面30個工作面預測循環(huán)每循環(huán)測試的最大鉆屑量(Smax)和最大瓦斯含量(Wmax)進行統(tǒng)計分析，其鉆屑量(Smax)的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，煤層賦存正常區(qū)域19～25循環(huán)區(qū)域較1～12循環(huán)區(qū)域瓦斯含量增加了1 m3/t左右，但對應區(qū)域鉆屑量(S)測值幾乎無變化，表明煤層賦存正常區(qū)域內(nèi)鉆屑量(S)不隨瓦斯含量的增減而變化，其與瓦斯含量變化無相關性，鉆屑量(S)針對瓦斯含量變化不敏感；鉆屑量(S)在斷層影響區(qū)域和應力集中影響區(qū)域較煤層賦存正常區(qū)域增加明顯，表明鉆屑量(S)對于煤層賦存變化敏感性較好。

圖4 鉆屑量(Smax)變化曲線圖Fig.4 Curve of sensitivity of cuttings(Smax)

根據(jù)鉆屑量(S)測定原理和方法，影響鉆屑量(S)準確測定的外部影響因素主要為人為因素，測試鉆孔施工和鉆屑收集測試是造成誤差的主要環(huán)節(jié)。通過現(xiàn)場大量實踐考察表明，測試鉆孔施工和鉆屑收集測試造成的誤差均可以通過規(guī)范操作消除，鉆屑量受外部因素影響較小。

依據(jù)6號煤層工作面預測指標敏感性分析標準，綜合分析表明鉆屑量(S)對于6號煤層工作面突出預測敏感性一般。

3.4 工作面預測敏感指標確定

上述6號煤層工作面預測指標鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑瓦斯解析指標(K1)、鉆屑量(S)敏感性分析結果表明：鉆屑瓦斯解析指標(K1)敏感性較好，能夠響應6號煤層煤與瓦斯突出全部特征；鉆屑量(S)敏感性一般，針對6號煤層煤與瓦斯突出部分特征響應；鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性較差，整體對6號煤層煤與瓦斯突出特征不響應。因此，確定6號煤層工作面突出危險性預測敏感指標為鉆屑瓦斯解析指標(K1)。

4 結 論

1) 四季春煤礦6號煤層工作面預測指標敏感性分析標準：同步隨瓦斯含量的增加而明顯增減，且指標測值代表的突出危險性增加；在煤層賦存異常區(qū)域指標測值相對煤層賦存正常區(qū)域變化明顯，且指標測值代表的突出危險性增加；再者指標測定誤差受外部因素影響小。

2) 現(xiàn)場考察表明6號煤層工作面預測指標鉆屑瓦斯解析指標(K1)敏感性較好，能夠響應煤層全部煤與瓦斯突出特征；鉆屑量(S)敏感性一般，響應煤層部分煤與瓦斯突出特征；鉆孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性較差，不響應煤層煤與瓦斯突出特征。

3) 確定鉆屑瓦斯解析指標(K1)為四季春煤礦6號煤層工作面突出預測敏感指標，為突出煤層工作面突出危險性預測敏感指標確定提供了參考。