孟津煤礦二1煤層突出預測敏感指標確定

向 浩,伊 倩

(河南能源義煤公司技術研究院，河南 義馬 472300)

煤與瓦斯突出是煤礦井下重大災害之一,其發生機理極其復雜,嚴重威脅著煤礦的安全生產。工作面煤與瓦斯突出危險性預測和防突措施效果檢驗是突出礦井進行防突管理的兩項關鍵工作[1]。突出預測敏感指標應能夠靈敏地反映煤層突出危險性的大小,即敏感指標在數值上隨著突出危險性的變化而明顯改變[2]。由于煤層的地應力、瓦斯參數和煤質指標等方面存在差異,不同礦區、不同煤層,亦或同一煤層的不同區域,預測敏感指標也不盡相同,甚至存在很大的差異。生產過程中因指標不敏感造成預測結果的不準確,導致誤判,發生突出事故或增加不必要的防突措施工程量是客觀存在的。《防突細則》規定突出礦井應針對各煤層的特點和條件試驗確定工作面預測的敏感指標。

隨著基礎學科的發展及交叉學科的產生,尤其是計算機科學的發展,近年來我國專家學者就如何確定突出預測敏感指標方面做了進一步的探討[3],取得了很多寶貴的經驗和成果,但由于未充分結合現場瓦斯地質等因素,使得敏感指標仍存在不同程度的交叉現象。為了提高預測準確性和有效性,礦井應根據本身實際情況考察確定突出預測敏感指標。

河南能源義煤公司孟津煤礦為煤與瓦斯突出礦井,2006年7月29日發生突出,突出煤量828 t,累計瓦斯涌出量8萬m3;礦井最大原始瓦斯含量16.37 m3/t,最大原始瓦斯壓力3.1 MPa。測定地點為東翼膠帶運輸大巷,距離11011膠帶巷26 m(東翼軌膠聯絡巷上口)。在12011膠帶順槽(第二掛耳鉆場處)測定二1煤層吸附常數a值為32.246 m3/t,b值為0.775 MPa-1。主要可采煤層二1煤層瓦斯放散初速度p為16.0～24.0 mL/s,透氣性系數為0.048 9 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.67 d-1,f值在0.1～0.3之間。在打贏公司“扭虧為盈”攻堅戰關鍵時期,開展孟津煤礦二1煤層突出預測敏感指標研究,對該礦提高經濟效益,提升瓦斯治理水平具有重要意義。通過試驗研究、跟蹤考察及綜合分析,孟津煤礦二1煤層鉆屑解吸指標h2和鉆屑量指標S能夠明顯區分工作面突出危險性,且該指標無交叉[4]。

1 鉆屑瓦斯解吸指標敏感性實驗室研究

鉆屑瓦斯解吸指標h2、K1值綜合考慮了地應力、瓦斯指標和煤質指標這三個與突出危險密切相關的因素[5-6],是我國預測突出危險性使用較廣泛的一種指標。

1.1 鉆屑瓦斯解吸指標計算

鉆屑瓦斯解吸指標K1是單位質量的煤體從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第1 min內的瓦斯解吸量,如式(1):

(1)

式中:Qt為煤體自平衡壓力卸除經t時間后,所解吸的瓦斯總量,mL;t為解吸時間,min。

當t=1時,得到:Qt=K1。

K1計算如下,其中煤樣暴露時間ti,按式(2)計算:

ti=t0+0.5i

(2)

式中:ti為煤樣自放氣開始至測量第i個數據的暴露時間,min;t0為煤樣自放氣開始至啟動解吸儀時的暴露時間,min。

假定t0時刻前煤樣已經解吸的瓦斯量為w0,則:

(3)

式中:Qi為煤樣暴露t0時刻起的累計瓦斯解吸量,mL;w0為t0時刻前單位質量煤樣的損失瓦斯解吸量,mL/g。

(4)

(5)

(6)

通過實驗,由式(4)計算K1值。

鉆屑瓦斯解吸指標Δh2表示10 g煤樣從煤壁剝落后(即煤體壓力卸除后)第4～5 min內在鉆屑瓦斯解吸儀中釋放(解吸)瓦斯擠壓水柱計中的水產生的壓差[7],如式(7):

Q4～5=0.008 3Δh2/10

(7)

式中:Q4～5為單位質量煤樣第4～5 min內的解吸量,mL/g;0.008 3為MD-2型解吸儀結構常數。

根據式(1),實驗煤樣第3 min至第5 min內的解吸量為:

(8)

鉆屑瓦斯解吸指標Δh2、K1值的概念和測定原理表明,兩者具有相同的物理意義,沒有本質區別,屬于同一類指標,有著顯著的關系[8],由式(7)和式(8)得到其線性關系:

K1=0.001 6Δh2

(9)

1.2 鉆屑瓦斯解吸指標實驗室測定及數據對比

1.2.1煤樣制備及測定方法

根據實驗要求,采集孟津煤礦12030回采工作面和12070掘進工作面的塊狀煤樣,實驗室進行破碎、篩分;稱取各100 g粒徑1～3 mm的煤樣放入帶有壓力表的煤樣罐中密封,在60℃條件下恒溫脫氣8 h;再將煤樣罐充入體積分數不低于99.8%的CH4氣體至不同壓力,在30℃恒溫水浴中吸附直至平衡，時間約為48 h以上。使用MJ-3瓦斯解吸速度測定儀,對不同吸附平衡壓力下的煤樣進行瓦斯解吸特性測定,連續觀測數據60 min,并記錄不同時刻的瓦斯解吸量。

1.2.2鉆屑瓦斯解吸指標數據對比

實驗室測定結果顯示,在不同吸附平衡壓力下瓦斯解吸曲線有一定的規律性,累計瓦斯解吸量與解吸時間呈類拋物線正相關,等溫瓦斯解吸規律[9]如圖1所示。

圖1 孟津煤礦煤樣不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸特性Fig.1 Gas desorption of coal samples in Mengjin Coal Mine under different adsorption equilibrium pressures

使用WTC瓦斯突出參數測定儀測定孟津煤礦煤樣在不同吸附平衡壓力下的K1值,實測K1值和煤樣的第1 min實際解吸量見表1。同理,利用實驗煤樣的瓦斯解吸特性曲線數據[10-11],計算孟津煤礦煤樣在第4～5 min內的實際解吸量Q4～5,并使用MD-2瓦斯解吸儀測定孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標Δh2,根據式(7)中煤樣鉆屑解吸指標與第4～5 min煤樣解吸量的關系計算各煤樣第4～5 min解吸量Q4～5,見表2。

表1 K1與第1 min實際解吸量的比較Table 1 Comparison of K1 with the actual desorption at the 1st minute

表2 實驗煤樣第4～5 min計算解吸量與實際解吸量的比較Table 2 Comparison between the calculated desorption capacity and the actual desorption capacity of the experimental coal samples at the 4th to 5th minute

由表1可知,孟津煤礦的實驗煤樣鉆屑解吸指標K1值和煤樣第1 min的實際解吸量存在較大差異,實驗煤樣測得的鉆屑解吸指標K1值遠小于煤樣第1 min的實際解吸量。

由表2可知,依據孟津煤礦的煤樣實測鉆屑解吸指標Δh2,按照式(7)計算得到的第4～5 min的解吸量與實驗煤樣的實際解吸量相差很小。

1.3 鉆屑瓦斯解吸指標敏感性分析

對不同破壞類型煤體解吸數據進行分析,得出初始瓦斯解吸速度與破壞類型有關。孟津煤礦二1煤層的f值僅為0.1～0.3,在同溫、同壓、等粒徑條件下,煤體破壞程度越嚴重,相應初始時刻瓦斯解吸速度就越高,并且解吸速度衰減也越快,軟煤的初始瓦斯解吸速度和衰減率遠大于硬煤。因此,當煤體破壞類型較嚴重時,K1值指標不敏感也不適用[12-14]。

從孟津煤礦二1煤層實驗煤樣瓦斯解吸規律看出,煤樣具有初始時刻瓦斯解吸速度高、解吸速度衰減快、卸壓初期有大量的瓦斯釋放等特點；而3 min后,煤樣的瓦斯解吸特性曲線趨于平緩,解吸速度相對穩定。因此,孟津煤礦煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標Δh2受煤體破壞嚴重程度影響小,實驗煤樣計算得到的第4～5 min的解吸量與實際解吸量誤差很小。

2 鉆孔瓦斯涌出初速度指標測定原理及敏感性分析

最早提出煤層鉆孔瓦斯涌出初速度指標的是前蘇聯馬凱耶夫礦業研究所,該指標通過鉆孔瓦斯涌出初速度測定儀進行測定,按流量計原理工作,是一種節流式差壓流量計。鉆孔瓦斯涌出初速度指標測定方法是在打鉆結束后立馬進行封孔,由于鉆孔周圍破碎區和塑性區的形成,煤層透氣性提高,瓦斯向鉆孔中涌出,在密封室內甲烷壓力升高,與外部形成壓差,以此測定打鉆結束2 min時相應深度的鉆孔瓦斯流量,用q表示,單位為L/min。

鉆孔瓦斯涌出初速度q綜合反映了煤層的破壞類型、瓦斯參數、鉆孔周圍煤體應力狀態和透氣性,特別是煤層的透氣性系數λ對q的影響很大。對透氣性系數λ大的煤層,鉆孔瓦斯涌出初速度指標的敏感性較差,用于突出預測時容易產生誤報,其主要原因是瓦斯排放半徑大,瓦斯來源廣,造成煤層突出危險性不大時其值卻超過突出臨界值;若煤層破壞類型高、透氣性系數λ小,則在規定的時間內完成測定q時,一般會出現孔內瓦斯已基本枯竭,q值很小的情況,以至于煤層突出危險性較大而q值卻未超過臨界值,同樣會產生誤報(即所謂的低指標突出現象)[15-16]。同時,由于煤體松軟破碎,鉆孔施工過程中容易塌孔,且難以封孔嚴密,造成測定數據失真。因而,鉆孔瓦斯涌出初速度指標在上述煤層條件下應用時有很大的局限性。

孟津煤礦主采的二1煤層為典型的豫西“三軟”煤層[17],煤體極其松軟破碎,透氣性系數小。因此在充分結合該礦瓦斯地質等因素的基礎上,經綜合分析確定預測指標鉆孔瓦斯涌出初速度q指標不敏感。

3 瓦斯突出危險預測指標現場跟蹤考察

3.1 突出預測指標考察對象的確定

為了提高煤與瓦斯突出危險預測的準確性和有效性,本次對鉆屑量指標S、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑瓦斯解吸指標K1等4個指標全部進行跟蹤考察。

3.2 突出預測指標跟蹤考察

瓦斯突出預測指標體系最終要服務于現場生產實踐,為確定預測指標考察結果的適應性,對預測指標進行現場跟蹤考察是確保煤礦安全生產的重要環節之一。

對采掘工作面預測指標進行跟蹤考察(鉆孔測定原始煤體狀態下的鉆孔瓦斯涌出初速度q值、鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2和K1值)。跟蹤考察內容主要包括:預測指標測值變化;作業過程中噴孔、頂鉆、響煤炮等典型突出預兆;瓦斯異常現象等。

重點對孟津煤礦12030工作面有關數據進行跟蹤考察,煤與瓦斯突出預測指標統計情況見表3。

表3 煤與瓦斯突出預測指標統計Table 3 Prediction indicators of coal and gas outburst

3.3 結果分析

根據12030工作面預測效檢數據及地質構造變化情況,分析了該工作面預測指標測值分布特征,繪制鉆屑瓦斯解吸指標Δh2和鉆屑量指標S的分布曲線,見圖2；同時繪制鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆孔瓦斯涌出初速度q測值分布曲線,見圖3。

圖2 Δh2與S隨回采進尺變化曲線Fig.2 Variation of Δh2 and S with footage

圖3 K1與q隨回采進尺變化曲線Fig.3 Variation of K1 and q with footage

通過現場跟蹤考察的突出預測(效檢)數據可以看出,所測K1值比較小,這主要是由于該礦二1煤層煤體破壞嚴重,煤體卸壓后初期解吸速度很大[18-19],用WTC儀所測K1值遠遠小于煤體第1 min的實際解吸量所導致。綜合實驗室煤樣的解吸特性及解吸指標實驗得出,該礦井的突出預測鉆屑瓦斯解吸指標選用Δh2較敏感;從圖3中可以看出,鉆孔瓦斯涌出初速度q值相對較小,并且與其他兩項指標(S和h2)的變化規律也不相符,而鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2兩項指標具有較為一致的變化規律。

4 結論

鉆屑瓦斯解吸指標Δh2可以通過測定儀器現場測定,用直接法確定的Δh2值是比較容易實現的;而通過間接法得到K1值是根據煤的瓦斯解吸規律計算出來的,相比較而言,Δh2是具有一定優勢的[20]。鉆屑瓦斯解吸指標敏感性實驗室研究也充分表明,對于孟津煤礦煤體破壞嚴重的煤樣其鉆屑瓦斯解吸指標Δh2相比K1值有更好的敏感性和適應性。通過跟蹤考察,鉆孔瓦斯涌出初速度q值很小,且與S值和Δh2值的變化規律不一致。因此,可以將鉆屑量S值、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2這兩項指標確定為孟津煤礦二1煤層采掘工作面的突出危險性預測指標。生產實踐證明,該兩項指標能夠滿足安全需要,避免敏感指標相互交叉,有效減少防突工程量。