中嶺煤礦煤與瓦斯突出局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性確定方法研究

章 飛

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

隨著礦井開(kāi)采向深部延伸，煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害成為礦井開(kāi)采的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。針對(duì)煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治，學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：一是煤與瓦斯突出機(jī)制研究[1-2]；二是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方面的研究工作[3-4]；三是煤與瓦斯突出防治措施[5-6]；四是安全防護(hù)措施[7]。其中，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性直接決定了煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的概率。對(duì)于煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)存在大量指標(biāo)，官方規(guī)定的指標(biāo)就有多種，如煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定的4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)：瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)、煤層破壞類型；區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)包括瓦斯壓力、瓦斯含量；局部預(yù)測(cè)指標(biāo)包括鉆屑解吸指標(biāo)、鉆屑量指標(biāo)、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)[8]；除此之外還有大量學(xué)者提出的其他指標(biāo)，如聲發(fā)射指標(biāo)[9-10]、電磁輻射預(yù)測(cè)指標(biāo)[11-12]等。生產(chǎn)實(shí)踐表明，同一預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)于不同地質(zhì)條件、不同瓦斯條件下的煤層其突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的敏感性可能不同，甚至對(duì)于同一工作面在不同的采掘工藝條件下其突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的敏感性也可能會(huì)不同；反之，不同的預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)地質(zhì)、瓦斯和開(kāi)采工藝相同條件的工作面也會(huì)存在不同的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感程度。因此，根據(jù)礦井的實(shí)際情況確定出適合于礦井的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)，對(duì)煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治至關(guān)重要。

目前針對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的分析，學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。張銳等[13]僅開(kāi)展了鉆屑指標(biāo)K1值和Δh2的敏感性對(duì)比分析，對(duì)于其他局部預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性未進(jìn)行研究；李躍華等[14]采用干濕煤樣，以實(shí)驗(yàn)的方法研究了局部預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值和Δh2的敏感性；解鵬雁[15]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)預(yù)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用三率法確定了煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)；王云剛等[16]采用模糊類聚和灰色關(guān)聯(lián)的理論分析的方法研究了突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性；魏遠(yuǎn)等[17]采用理論分析與實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合的方式開(kāi)展平溝煤礦預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的研究。上述研究取得了豐富的成果，但也存在兩方面問(wèn)題：一是對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的研究方法以實(shí)驗(yàn)室和理論分析為主，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況結(jié)合較少，更沒(méi)有建立系統(tǒng)、全面的指標(biāo)敏感性分析方法；二是所選擇的預(yù)測(cè)指標(biāo)不夠全面、系統(tǒng)。本文以中國(guó)嚴(yán)重突出區(qū)域織納煤田中嶺煤礦3#煤層為研究對(duì)象，對(duì)防治煤與瓦斯突出細(xì)則中所規(guī)定的局部預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性進(jìn)行了研究，基于3#煤層現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，以實(shí)際突出規(guī)律和特征為基礎(chǔ)，建立了系統(tǒng)、全面的突出危險(xiǎn)性局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析方法，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察確定出了局部預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性程度，以讓讀者了解突出危險(xiǎn)性局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性現(xiàn)場(chǎng)研究方法。

1 敏感指標(biāo)考察標(biāo)準(zhǔn)建立

1.1 中嶺煤礦煤與瓦斯突出特征

中嶺煤礦一井從建礦至今共發(fā)生了9次煤與瓦斯突出事故，基于對(duì)其突出資料的統(tǒng)計(jì)和分析，中嶺煤礦的突出具有如下特征：①所有突出均是發(fā)生在斷層附近，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷層附近煤層的觀察，煤層層理紊亂，呈鱗片狀，其煤體受搓揉之后重新被壓實(shí)，煤體較軟，同時(shí)經(jīng)過(guò)對(duì)斷層帶附近3#煤層瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定，其瓦斯含量較大，達(dá)到了14 m3/t，煤體放散初速度較大，堅(jiān)固性系數(shù)較小；②突出過(guò)程中瓦斯涌出量較大，所以3#煤層的突出是以瓦斯為主導(dǎo)作用的突出；③發(fā)生突出區(qū)域，有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

基于上述中嶺煤礦煤與瓦斯突出的特征可得出中嶺煤礦煤與瓦斯突出具有如下規(guī)律：①存在有構(gòu)造的地方(斷層、煤層厚度變化較大處)其突出危險(xiǎn)性較非構(gòu)造帶要大；②3#煤層的突出危險(xiǎn)性會(huì)隨煤層內(nèi)瓦斯含量的增加而增加；③3#煤層應(yīng)力集中帶內(nèi)，所發(fā)生突出的危險(xiǎn)性較原始應(yīng)力帶及卸壓帶內(nèi)要大。

1.2 預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)測(cè)指標(biāo)所反映出煤層的真實(shí)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性程度，直接決定了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的敏感程度，因此，根據(jù)嶺煤礦煤層煤與瓦斯突出規(guī)律，可建立如下中嶺煤礦煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)：①考察各預(yù)測(cè)指標(biāo)隨煤層瓦斯賦存變化而變化的情況，如果指標(biāo)測(cè)定值隨瓦斯的增大而增大，證明該指標(biāo)是敏感的，否則不敏感；②考察各指標(biāo)隨煤層賦存變化而變化的情況，如果指標(biāo)測(cè)定值在煤層賦存異常區(qū)域較正常區(qū)域明顯增大，證明該指標(biāo)是敏感的，否則不敏感；③考察各指標(biāo)隨地應(yīng)力的變化情況，如果指標(biāo)測(cè)定值在應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)較正常區(qū)域或卸壓區(qū)域內(nèi)明顯增大，證明該指標(biāo)是敏感的，否則不敏感。

2 預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性現(xiàn)場(chǎng)考察研究

根據(jù)防治煤與瓦斯突出細(xì)則[6]規(guī)定其工作面預(yù)測(cè)的方法主要有鉆屑指標(biāo)法、復(fù)合指標(biāo)法、R值指標(biāo)法，其所涉及的預(yù)測(cè)指標(biāo)主要有K1(鉆屑解吸指標(biāo))或Δh2、q(鉆孔瓦斯涌出初速度)、S(鉆屑量)，因此本次在對(duì)局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性考察時(shí)，所考察的指標(biāo)為K1、q、S。同時(shí)，根據(jù)建立的局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇了三處實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：一是構(gòu)造區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)考察各指標(biāo)在煤層構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域測(cè)定值的變化情況；二是指標(biāo)隨瓦斯賦存變化考察區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)考察各指標(biāo)隨瓦斯變化而變化的情況；三是應(yīng)力集中區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)考察各指標(biāo)隨地應(yīng)力變化而變化的情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際考察，以確定出各指標(biāo)對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的敏感性。

2.1 局部預(yù)測(cè)指標(biāo)隨地質(zhì)構(gòu)造變化情況考察

根據(jù)所施工的前探鉆孔，在12033運(yùn)輸巷發(fā)現(xiàn)有一斷層，通過(guò)對(duì)施鉆返回的鉆屑情況分析，靠近斷層處鉆屑顆粒明顯變小，并伴有大量粉末狀煤體，并且其鉆屑顆粒強(qiáng)度明顯較低，可斷定斷層對(duì)其附近的煤層有明顯的破壞作用，因此各指標(biāo)隨地質(zhì)構(gòu)造的變化情況的考察選擇在該區(qū)域進(jìn)行，其考察結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 q在構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域測(cè)定值變化曲線Fig.1 Change curve of measured value of qin structural area and normal area

圖2 K1構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域測(cè)定值變化曲線Fig.2 Change curve of measured value of K1in structural area and normal area

圖3 S構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域測(cè)定值變化曲線Fig.3 Change curve of measured value of Sin structural area and normal area

本文從兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，一方面是從測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來(lái)看，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q在構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域的測(cè)定值沒(méi)有明顯的變化，鉆屑量指標(biāo)S在構(gòu)造區(qū)域的值大于正常區(qū)域，而鉆屑解吸指標(biāo)K1在構(gòu)造區(qū)域與正常區(qū)域的測(cè)定值變化明顯；另一方面是從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，鉆屑解吸指標(biāo)K1在構(gòu)造區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果為具有突出危險(xiǎn)性，這與在施工預(yù)測(cè)鉆孔期間，第9循環(huán)(構(gòu)造區(qū)域)出現(xiàn)了輕微的頂鉆動(dòng)力現(xiàn)象相一致，在正常區(qū)域預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)性，這也與施工鉆孔期間在正常區(qū)域無(wú)明顯異常現(xiàn)象相一致，預(yù)測(cè)的結(jié)果代表了煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性。 而鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q的測(cè)定值均未超過(guò)其臨界值6 kg/m、6 L/(m·min)，在構(gòu)造區(qū)域、正常區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果均為無(wú)突出危險(xiǎn)性，顯然這與實(shí)際情況是不相符合的，這兩項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)結(jié)果未能代表煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性；但鉆屑量S可反映出構(gòu)造破壞區(qū)域與正常區(qū)域的區(qū)別，通過(guò)對(duì)鉆屑量S的分析可提前預(yù)知煤層受構(gòu)造破壞區(qū)域，并且受構(gòu)造破壞區(qū)域?yàn)槊簩用号c瓦斯突出高發(fā)區(qū)域。

2.2 局部預(yù)測(cè)指標(biāo)隨瓦斯賦存變化情況考察

瓦斯含量是反映煤層瓦斯賦存情況的重要指標(biāo)，因此在考察各預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定值隨煤層瓦斯賦存情況變化時(shí)，以瓦斯含量作為基礎(chǔ)對(duì)比分析指標(biāo)。在12033運(yùn)輸巷選擇了一段200 m長(zhǎng)度的區(qū)域，開(kāi)展了局部預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定值隨瓦斯含量的變化情況的考察工作，在每預(yù)測(cè)循環(huán)取3組煤樣測(cè)試瓦斯含量數(shù)據(jù)，并選擇最大值作為本循環(huán)的代表性的數(shù)據(jù)。在該實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)開(kāi)展了各指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試，選取每一循環(huán)的各個(gè)指標(biāo)的所測(cè)得的最大值作為本循環(huán)該指標(biāo)的代表值，并將各指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與瓦斯含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了作圖對(duì)比，其結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 q測(cè)定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.4 Change curve of q with gas content

圖5 K1測(cè)定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.5 Change curve of K1 with gas content

圖6 S測(cè)定值隨瓦斯含量變化曲線Fig.6 Change curve of S with gas content

在本節(jié)采用了相同的方法對(duì)指標(biāo)的敏感性進(jìn)行了分析。從測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來(lái)看，鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q測(cè)定值隨瓦斯含量W變化沒(méi)有明顯的變化，而鉆屑解吸指標(biāo)K1測(cè)定值與瓦斯含量W存在著較為一致的變化趨勢(shì)。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，根據(jù)瓦斯含量W的預(yù)測(cè)結(jié)果(其臨界值為8 m3/t)，前4循環(huán)均預(yù)測(cè)為存在有突出危險(xiǎn)性，其他循環(huán)均為無(wú)突出危險(xiǎn)性，這與鉆屑解吸指標(biāo)K1預(yù)測(cè)結(jié)果相一致，而與鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q所有循環(huán)預(yù)測(cè)結(jié)果均為無(wú)突出危險(xiǎn)性不相符合。這也說(shuō)明了鉆屑解吸指標(biāo)K1較好地反映了煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性，而鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q未能代表了煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性。

2.3 局部預(yù)測(cè)指標(biāo)隨地應(yīng)力變化情況考察

在12033運(yùn)輸巷的部分區(qū)域，由于受到上部12013采空區(qū)的影響，在采空區(qū)邊緣處以外會(huì)形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力會(huì)明顯增大，各預(yù)測(cè)指標(biāo)隨地應(yīng)力的變化情況，選擇在了該區(qū)域進(jìn)行考察，考察巷道長(zhǎng)度100 m，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力集中區(qū)域的長(zhǎng)度大約為30 m。其測(cè)試結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 q測(cè)定值隨地應(yīng)力變化曲線Fig.7 Change curve of q with ground stress

圖8 K1測(cè)定值隨地應(yīng)力變化曲線Fig.8 Change curve of K1 with ground stress

圖9 S測(cè)定值隨地應(yīng)力變化曲線Fig.9 Change curve of S with ground stress

從測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來(lái)看，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q在應(yīng)力集中區(qū)域與正常應(yīng)力區(qū)域的測(cè)定值沒(méi)有明顯的變化；鉆屑量指標(biāo)S在應(yīng)力集中區(qū)域的測(cè)定值略大于正常區(qū)域；而鉆屑解吸指標(biāo)K1在應(yīng)力集中區(qū)域與正常應(yīng)力區(qū)域的測(cè)定值變化明顯。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，鉆屑解吸指標(biāo)K1在應(yīng)力集中區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果為具有突出危險(xiǎn)性，這與在施工預(yù)測(cè)鉆孔期間，第3循環(huán)(應(yīng)力集中區(qū)域)出現(xiàn)了卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象相一致，在正常區(qū)域預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)性，這也與施工預(yù)測(cè)鉆孔期間在正常區(qū)域無(wú)明顯異常現(xiàn)象相一致，預(yù)測(cè)的結(jié)果代表了煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性。而鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域、正常應(yīng)力區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果均為無(wú)突出危險(xiǎn)性，顯然這與實(shí)際情況是不相符合的，這兩項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)結(jié)果未能代表煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性；但鉆屑量S可反映應(yīng)力集中區(qū)域與應(yīng)力正常區(qū)域的區(qū)別，通過(guò)對(duì)鉆屑量S的分析可提前預(yù)知煤層地應(yīng)力異常區(qū)域，并且應(yīng)力異常區(qū)域也是煤與瓦斯突出高發(fā)區(qū)域。

2.4 預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析

通過(guò)上述對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、分析，發(fā)現(xiàn)q測(cè)定值隨地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量、地應(yīng)力均未出現(xiàn)明顯的變化，這也就意味著該指標(biāo)隨煤層的突出危險(xiǎn)性未出現(xiàn)明顯的變化，同時(shí)其預(yù)測(cè)的結(jié)果與煤層實(shí)際突出危險(xiǎn)性不相符，其對(duì)煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感性最差；鉆屑量指標(biāo)S在構(gòu)造破壞區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域測(cè)定值均會(huì)增加，雖然其測(cè)定值未超過(guò)臨界值，但通過(guò)鉆屑量S測(cè)定值仍可提前預(yù)知煤層內(nèi)受構(gòu)造破壞區(qū)域，以及地應(yīng)力異常區(qū)域，而這些區(qū)域均是煤與瓦斯突出高發(fā)區(qū)域，所以鉆屑量S對(duì)煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)具有一定的敏感性；K1測(cè)定值與煤層的突出危險(xiǎn)性趨勢(shì)保持一致，同時(shí)其預(yù)測(cè)結(jié)果與煤層實(shí)際的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性相符合，反映了煤層的真實(shí)突出危險(xiǎn)性，對(duì)于煤層進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)是敏感的，可作為日常預(yù)測(cè)指標(biāo)使用。 因此，綜合上述分析，選擇K1作為中嶺煤礦3#煤層的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)，S值作為輔助預(yù)測(cè)指標(biāo)。

3 結(jié) 論

1) 基于現(xiàn)場(chǎng)煤與瓦斯突出的客觀規(guī)律，提出了一套局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察的方法，以礦井所發(fā)生的實(shí)際煤與瓦斯突出特征為基礎(chǔ)，分析得出煤層實(shí)際發(fā)生煤與瓦斯突出的規(guī)律，揭示控制煤層煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素，以此為基礎(chǔ)建立煤與瓦斯突出的局部預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析標(biāo)準(zhǔn)。

2) 以中國(guó)嚴(yán)重突出區(qū)域織納煤田中嶺煤礦為例，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察了鉆屑量指標(biāo)S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q、鉆屑解吸指標(biāo)K1與煤層地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、瓦斯賦存情況的相關(guān)關(guān)系。從各指標(biāo)測(cè)定值隨煤層實(shí)際突出危險(xiǎn)性的變化趨勢(shì)，以及各指標(biāo)預(yù)測(cè)的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性結(jié)果兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，q對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感性最差，S可反映出潛在的突出危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)具有一定敏感性。K1對(duì)煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)最為敏感；選擇K1作為中嶺煤礦3#煤層的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)，S作為輔助預(yù)測(cè)指標(biāo)。